CC BY
47ЛАНДШАФТОВЕДЕНИЕ И ГЕОХИМИЯ
Т. Т. Ефремова, С. П. Ефремов
ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КИСЛОТНОЩЕЛОЧНЫЕ СВОЙСТВА И ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ КРУПНОБУГРИСТОГО ТОРФЯНИКА
ДОЛИНЫ р. НОРИЛЬСКАЯ1
Болота — высокоинформативные объекты для организации мониторинга техногенных нарушений природной среды. Глубина прохождения поллютантов в крупнобугристых торфяниках Норильского промышленного района не превышает 35 см. Устойчивость органической и минеральной компоненты болотных экосистем к техногенным нагрузкам проявляется в разной степени. Обнаружены существенные изменения кислотно-щелочных свойств верхних 15-25 см торфа. Состояние органического вещества остается пока вполне стабильной характеристикой. Исконное состояние торфяника (глубже 35 см) может быть использовано в качестве природного геохимического фона при оценке локальных промышленных загрязнений.
По данным учета лесного фонда России [1999], на территории Средней Сибири находится почти 19,8 млн га болот, относящихся к категории нелесных земель. Сюда не входят низкобонитетные леса площадью около 29 млн га, половина из которых в той или иной степени охвачена процессами заболачивания. Расчетно-экспертная оценка, выполненная нами на базе собственных, архивных, служебных, ведомственных, картографических и литературных данных [Пьявченко, 1963; Кац, 1971], показала, что площадь слабо-оторфованных земель, торфо-минеральных и торфяных болот составляет в пределах Енисейского меридиана не менее 30 млн га. Около 37-38 % из них находится в правобережной части Енисейского бассейна. Восточное плечо меридиана характеризуется специфическими условиями торфонакопления. Они обусловлены общим гипсометрическим поднятием территории и более выраженным проявлением криогенеза вплоть до широт Заангарского и При-ангарского плато [Рейзмунт, 1996], а в отдельных случаях и до предгорных районов Саян и Кузнецкого Алатау [Ефремов, 1981]. Вся восточная часть Енисейского меридиана изобилует долинными, межгорно-долинными, горными висячими и склоновыми болотами со значительным проявлением криогенеза, термокарста и водно-эоловой деградации древних отложений, сочетающихся с новейшим торфогенезом.
К наименее изученным в лесоболотоведческом и торфоресурсном отношении относится Норило-Пясинский болотно-озерный бассейн плоско- и крупнобугристых торфяников. На крупных буграх криогенного генезиса мощность торфяного слоя колеблется от 2,5-5,5 до 7-8 м. В наиболее зрелых талых мочажинах этот «материнский» слой находится в пределах 2-4,5 м. Нередко он перекрыт слоем воды внутриболотных озер термокарстового генезиса, которые вторично заторфовываются путем разрастания сплавин от периметра к центру. Аналогичная картина наблюдалась нами южнее в межгорных талых долинах стока меж-
1
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ — р2003енисей_а (03-04-96135), РФФИ (№ 05-04-48517).
дуречья Чуни и Подкаменной Тунгуски [Ефремов, Пьявченко, 1964]. Древние торфы просевших когда-то мерзлых бугров, слагающие нижние слои береговых обнажений, ныне погребены современным торфонакоплением.
В настоящее время Норило-Пясинский болотно-озерный бассейн находится под влиянием промышленной деятельности человека, обусловленной функционированием ОАО ГМК «Норильский никель». Цель исследований — выяснить, какие преобразования испытывают криогенные болотные экосистемы под влиянием загрязнения серой в комплексе с тяжелыми металлами.
Основными факторами, определяющими устойчивость почв к загрязнению тяжелыми металлами, являются их кислотно-щелочные свойства и содержание гумуса [Зырин и др., 1981]. Связывание металлов в почве регулируется главным образом емкостью катионного обмена, которая в торфяных почвах определяется в значительной мере их гумусным состоянием. Гумусовые вещества служат геохимическим барьером и активно регулируют геохимические потоки металлов в экосистемах [Перельман, Касимов, 1999]. Способность гумуса связывать тяжелые металлы в труднодоступные формы, уменьшая подвижность, значительно снижает уровень их поступления в растения [Ильин, 1991]. В почвах с большим запасом гуминовых кислот резко повышаются предельно допустимые концентрации тяжелых металлов и их негативное влияние на растения проявляется при значительно более высоком содержании [Орлов, 1990]. Таким образом, гумус и кислотно-щелочные условия определяют возможность и интенсивность закрепления продуктов техногенеза в почвах и служат базовыми параметрами для оценки воздействия промышленных выбросов на экосистемы в целом.
В свете изложенного ставились задачи: а) выявить в пределах стратиграфического профиля залежи изменения физико-химических параметров торфа, б) охарактеризовать групповой и фракционный состав органического вещества торфа и оценить его гумусное состояние.
Объектом исследования послужил типичный для лесотундровой зоны крупнобугристый торфяник низинного типа в долине р. Норильская, борта которой образуют горные системы отрогов Путорана. Торфяной массив примыкает к жилому массиву Оганер вблизи г. Норильска, т. е. расположен в эпицентре воздействия аэротехногенных потоков комбината на окружающую среду. Образцы торфа отобраны сплошной колонкой (с шагом 5 см) из оттаявшего обнажения до глубины 80 см — уровня мерзлого субстрата на обрывистых термоэрозионных стенках торфяного бугра.
Определение физико-химических показателей проведено по общепринятым в почвоведении методам [Агрохимические методы исследования почв, 1975]. Групповой и фракционный состав органического вещества торфа изучен по полной схеме В. В. Пономаревой и Т. А. Николаевой [1959].
Морфолого-генетическое строение крупнобугристого торфяника
низинного типа
0-1,5 (2) см. Пепельно-серый горизонт, наполненный диффузно рассеянной техногенной пылью. Хорошо сохранившиеся волокнистые остатки осок, пушиц и вейников рыхлого сложения.
1,5-5 см. Темно-бурый с охристым оттенком, хорошо разложившийся вейниково-пушицевый торф мелкозернистой структуры. При подсыхании проявляется обильная минеральная присыпка белесовато-палевого цвета, а также минеральные конкреции размером с горошину.
5-10 см. Темно-бурый с охристым оттенком, плотный, сильно разложившийся вейниково-пушицевый торф. При нарушении сложения легко распадается на
мелкозернистую (порошистую) массу, которая обнаруживает слабую способность к слипанию. Локально в виде прослоек и линз темно-бурый менее разложившийся торф с гнездами минеральных включений, сильно диспергированных, палевого цвета.
10-15 см. Темно-бурый с палевым оттенком осоково-гипновый торф, плотного сложения. Минеральные включения в форме жил и гнезд сильно диспергированны, илистой консистенции, пластичны. В местах скопления минеральных включений торф слабо разложен и не оструктурен. Торф, свободный от минеральных включений, сильноразложившийся, мелкозернистой структуры, обладает слабо выраженной липкостью.
15-20 см. Темно-бурый осоково-гипновый торф, плотный, хорошо связан, имеет слоистое сложение, при нарушении распадается на крупные отдельности. Единично — пятна хорошо разложившегося торфа с элементами зернистой структуры. Минеральные карманообразные включения палево-охристого цвета в верхних 2-2,5 см, сильно диспергированные, со слабо выраженной пластичностью.
20-25 см. Темно-бурый осоково-гипновый торф, слаборазложившийся, плотного сложения, при нарушении расслаивается по горизонтали. При подсыхании просматриваются бурые, землистые включения комковатой и плитчатой формы.
25-30 см. Темно-бурый гипново-вахтовый торф, слаборазложившийся, плотного сложения, легко расслаивается по горизонтали на сплошные ленты, подобно сланцу. В сухом состоянии редкие бурые, землистые включения комковатой и плитчатой формы.
30-35 см. Аналогичный вышележащему горизонту торф.
35-40 см. Красновато-темно-бурый слаборазложившийся осоково-гипно-вый торф, плотного сложения, при нарушении расслаивается на горизонтальные пласты.
40-80 см. Слой торфа, аналогичный предыдущему.
80 см и глубже — мерзлый торф.
Таким образом, морфолого-генетическое строение оттаявшего обнажения торфяной залежи характеризуется проявлением морфологических трансформаций, вызванных внедрением минеральных техногенных наносов в пределах верхних 35 см.
Физико-химические показатели низинного крупнобугристого торфяника
Все физико-химические показатели синхронно и четко подразделяют торфяную залежь на две зоны (рис. 1). Первая (I) очерчивает глубину и характер техногенной трансформации — верхние 35 см. Вторая зона (II) — 35-80 см характеризует исконный фон торфяника, сформированный в былых условиях природной среды. Фон легко распознается по монотонному характеру распределения всех обсуждаемых параметров в толще 35-80 см. Слабое варьирование показателей не выходит за пределы градаций, присущих торфам низинного типа, и объясняется особенностями ботанического состава растений-торфо-образователей.
Зона торфяной залежи, испытывающая воздействие техногенных выбросов, неоднородна по направленности и глубине трансформации физикохимических свойств. По степени изменения показателей можно выделить три стадии деградации торфяника: сильно выраженная в пределах 0-1,5(5) см, глубокая 5(10)-15(25) см и переходная к фону — 15(25)-35 см.
Горизонт 0-1,5(2) см имеет максимальные показатели зольности (45 %). Это косвенно свидетельствует об очень высоком уровне загрязнения и, наряду с морфологической трансформацией, вызванной внедрением техногенных наносов, характеризует его как торфяно-техногенное образование. Вместе с
тем по степени насыщенности основаниями (75,8 %), обменной кислотности (0,43 мг-экв./100г) и значениям рН 6,0-6,3 (до 5 см) торф соответствует фону торфяника, физико-химические свойства которого типичны для болот низинного типа. Менее кислая среда по сравнению с нижележащим горизонтом имеет, на наш взгляд, несколько причин. Безусловно, большую роль сыграли запуск и работа комплекса по получению элементарной серы (80-е гг. XX столетия), что способствовало снижению выбросов Б02 в атмосферу. Высокая степень насыщенности основаниями горизонта 0-1,5(2) см, возможно, связана с увеличением в структуре техногенных выбросов доли ТЭЦ и стройиндустрии, которые поставляют большое количество щелочной пыли.
А
-Зольность
Глубина, см —•—Объемная масса
.0
о
£
-рН водный
Глубина, см
— Насыщенность основаниями
В
Глубина, см
-Обменная кислотность ■
-Гидролитическая кислотность
Рис. 1. Распределение по профилю залежи в торфе: А — зольности и объемной массы, Б — степени насыщенности основаниями и рН, В — обменной и гидролитической кислотности
На стадии глубокой деградации в пределах 5(10)-15(25) см былая залежь низинного типа по данным активной кислотности (рНсол. 3,2-3,5) соответствует верховой, а по степени насыщенности основаниями (27,7-28,6 %) — олиго-мезотрофной. Больше чем на порядок возрастает наиболее агрессивная обменная кислотность — 10,6-10,8 мг-экв./100 г (фон — 0,35-0,80 мг-экв./100 г). В слоях торфа, соответствующих стадии глубокой деградации, значительно увеличиваются зольность — до 31,9-37,4 % (фон — 7,4-9,36 %) и объемная масса — 0,278-0,465 г/см3 (фон — 0,075-0,107 г/см3).
В переходной зоне торфяника 15(25)-35 см воздействие промышленных выбросов на геохимическое состояние экосистемы ослабевает. При этом изменение физико-химических параметров происходит по-разному. Так, снижение плотности торфа и количества зольных компонентов протекает плавно в пределах 20 см (15-35) см. Изменение показателей, определяющих кислотнощелочные условия среды, носит скачкообразный характер. В итоге переходная зона торфяника по степени насыщенности основаниями, потенциальной и активной кислотности сокращена до 5-10 см.
Таким образом, болота являются высокоинформативными объектами для организации мониторинга техногенных изменений окружающей природной среды. Описанные в верхних 15-25 см симптомы дают основание говорить о существенной антропогенной перестройке болотной экосистемы. Высокая зольность вплотную приближает торф к рубежу, изменяющему его органогенную сущность. Грубые нарушения кислотно-щелочных условий свидетельствуют о весомом участии в составе аэротехногенных потоков Э02. Физикохимическая стратиграфия торфяной залежи четко маркирует: а) исконный фон, не преобразованный промышленными выбросами; б) трансформированную зону различных стадий деградации. Глубина прохождения техногенных потоков сквозь торфяник составляет 35 см. Ниже залегает торф, соответствующий низинному типу, слабо дифференцированный по морфологогенетическим и физико-химическим показателям. Он может быть использован в качестве исконного геохимического фона при оценке локальных техногенных загрязнений болотного массива.
Групповой и фракционный состав органического вещества низинного
крупнобугристого торфяника и оценка его гумусного состояния
Гумусовые компоненты стабилизируют многие почвенные процессы, поэтому изучение природы и свойств органического вещества в экосистемах болот исключительно важно для оценки их устойчивости к техногенному давлению.
Установлено, что в минеральных почвах при загрязнении территории тяжелыми металлами в комплексе с сернистыми соединениями резко повышается растворимость всей системы гумусовых веществ, увеличивается степень гумификации преимущественно за счет гуминовых кислот 1-й фракции и происходит их закрепление в верхней части профиля [Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение, 1990; Прокопович, Кайгородова, 1999]. По другим источникам, повышение кислотности почв под воздействием кислых осадков приводит к агрегированию гуминовых кислот и повышению растворимости фульвокислот [БсИпИгег, 1978]. Влияние техногенных потоков на состояние органического вещества почв болотных экосистем практически не изучено. В Приенисейском Заполярье такие исследования предпринимаются впервые.
Результаты анализа группового и фракционного состава органического вещества крупнобугристого торфяника представлены в табл. 1, 2 и на рис. 2.
0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100%
Группы органического вещества Фракции гуминовых кислот
□ ФК-1а ИФК-1 ОФК-2 ■ ФК-3 В
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Фракции фульвокислот
Рис. 2. Относительное содержание групп и фракций органического вещества торфа по профилю залежи: А — групп органического вещества, Б — фракций гуминовых кислот, В — фракций фульвокислот
Содержание общего углерода по профилю залежи последовательно снижается с 28,5 до 48,6 % (табл. 1). Его минимальное количество содержится в поверхностном горизонте 1,5(2) см, наполненном техногенной пылью. В нижней части профиля 35-80 см (фон) количество углерода (48,4 %) соответствует уровню содержания в низинных осоково-гипновых торфах таежной зоны естественного развития. Переходная зона, выделенная по физико-химическим показателям, сохраняет свой статус и по углероду, количество которого выражается здесь некой промежуточной величиной 44,2 %. Обогащенность органического вещества азотом низкая: отношение C/N в основном не выше 20 (оценка по: [Орлов, Гришина, 1981; Ефремова, 1983]). Самое широкое отношение C/N 23-24 обнаружено в наиболее загрязненном слое торфа 0-10 см. Это следствие резкого падения содержания азота до 1,18-1,67 % по сравнению с фоном — 2,38 %. Такая ситуация косвенно свидетельствует о снижении микробиологической активности торфов в режиме максимального техногенного прессинга. Падение скорости денитрификации и азотфиксации под воздействием кислых осадков является установленным фактом [Francis, 1982; Chang Fu-Hsian, Alexander, 1983].
В составе органического вещества торфов выделены следующие группы соединений: гумусовые вещества (гуминовые и фульвокислоты различных фракций), полисахариды (продукты кислотного гидролиза 1н. H2SO4 — гемицеллюлозы и 80 % H2SO4 — клетчатка), а также гумин (нерастворимый и негидролизуемый остаток).
Среди перечисленных групп гумусовые кислоты явно преобладают в верхних слоях торфяной залежи 1,5-25 см, составляя 51-57,3 % общего углерода (табл. 2, рис. 2А). Это в 1,2-1,7 и 4,4-5,3 раза выше содержания гумина и полисахаридов соответственно, судя по отношению Сгумуса / Состатка и Сгумуса /
СН2Э04 (табл. 1). В поверхностном 0-1,5 см и переходном 25-35 см слое гумусовые вещества и компоненты нерастворимого остатка содержатся приблизительно в равных количествах 42,0-43,0 %. В толще 35-80 см доминирует гумин — 51-52,7 %. Полисахариды являются наиболее малочисленной группой 10,318,0 %, тяготеющей к нижним анализируемым слоям. Таким образом, в характере распределения основных групп органических соединений по профилю торфяной залежи просматривается следующая тенденция: с глубиной количество гумусовых кислот снижается, полисахаридов и гумина — нарастает.
Таблица 1
Гумусное состояние крупнобугристого торфяника низинного типа
Глубина, см С, % N1, % С/Ы СГ11 ГГ2) (Сіі+СГ) Сн2Б04 (Сіі+СГ) Состатка Сгк / Сфк Запасы гумуса3)
торфа в вытяжках ЫаОН
0,1н. 0,02н.
0-1,5 28,47 1,18 24,13 43,38 63,58 2,85 0,91 0,45 0,44 0,48 115,28
1,5-10 38,51 1,67 23,06 51,0 60,40 4,38 1,23 0,62 0,52 0,87 165,84
10-25 42,06 2,19 19,21 57,3 65,08 5,25 1,67 0,63 0,55 0,89 183,89
25-35 44,18 2,37 18,64 43,12 48,92 2,69 0,96 0,64 0,54 0,79 87,92
35-60 48,06 2,39 20,11 31,02 29,75 1,62 0,57 0,61 0,42 0,76 55,11
60-80 48,64 2,37 20,52 30,35 21,94 1,71 0,55 0,64 0,32 0,87 47,06
1)СГ — степень гумификации: [(ЕГК + ЕФК) х 100 %] / Собщий; 2)ГГ — глубина гумификации: (Сг<^ х 100 %) / (Сг<^+Сп), где Сг<^ — углерод гуминовых кислот в составе вытяжки С<^ (0,1 н. ЫаОН), Сгі — углерод гуминовых кислот в составе вытяжки СІ (0,02н. ЫаОН); 3) в пересчете на условные 20 см.
Таблица 2
Групповой и фракционный состав органического вещества крупнобугристого торфяника низинного типа, % к общему углероду
Глуби- на, см Гуминовые кислоты (ГК) Фульвокислоты (ФК) ЕГК+ ЕФК Вещества, гидролизуемые НгвО4 Гумин
1 2 3 Е 1а 1 2 3 Е 1,0 н 80 % Е
0-1,5 6,57 1,16 4,43 12,15 4,36 13,77 3,83 9,27 31,22 43,37 7,97 5,73 13,70 42,92
1,5-10 11,04 нет 7,11 18,15 3,69 16,20 4,78 8,18 32,85 51,00 6,31 4,44 10,75 38,25
10-25 13,65 нет 7,32 20,97 3,11 19,28 5,66 8,27 36,33 57,30 5,33 4,99 10,32 32,38
25-35 7,08 0,63 8,06 15,78 2,76 11,52 2,90 10,16 27,34 43,12 8,37 6,61 14,98 41,90
35-60 2,68 0,60 7,76 11,05 1,85 5,93 1,91 10,28 19,97 31,02 8,55 9,45 18,00 50,98
60-80 2,20 0,27 8,78 11,25 1,42 5,72 1,89 10,07 19,10 30,35 7,89 9,07 16,96 52,69
Отношение Сгк/Сфк в торфе относительно стабильно по всей стратиграфической колонке (0,48-0,64) и характеризует в основном гуматно-фуль-ватный тип гумуса.
В составе гумусовых компонентов преобладают фульвокислоты. Доминируют фракция 1 (ФК-1), гидролизуемая 0,1 н. ЫаОН на холоде, и фракция 3 (ФК-3), пептизируемая 0.02 н. ЫаОН при нагревании. Содержание ФК-1 по профилю залежи резко снижается с глубиной, а количество ФК-3 слабо возрастает (рис. 2В). В этой связи отдельные слои стратиграфической колонки существенно различаются по фракционному составу фульвокислот. Верхние 25 см обогащены 1-й (Сфк-1 / Сфк-3 — 1,5-2,3), нижние 35-80 см — 3-й фракцией (Сфк-1 / Сфк-3 — 0,6). В переходном горизонте 25-35 см они сравнительно уравновешены (Сфк-1 / Сфк-3 — 1,1). Содержание ФК-1 а и ФК-2 невысокое, довольно близкое 1,4-4,4 и 0,9-5,7 % и обнаруживает сходную тенденцию снижения по мере заглубления горизонта. Таким образом, выявленное снижение количества фульвокислот с глубиной до 19,1-20,0 относи-
тельно 27,3-36,3 % в поверхностных горизонтах происходит главным образом за счет 1-й фракции, что обусловливает относительное обогащение нижней толщи торфяника фульвокислотами фракции 3.
Гуминовые кислоты содержатся в меньшем по сравнению с фульвокис-лотами количестве и составляют 11-21 %. Они также представлены в основном 1-й и 3-й фракциями. Гуминовые кислоты, связанные с кальцием, практически отсутствуют. ГК-1 максимально сосредоточены в слое 1,5-25 см (рис. 2Б). Вниз по профилю залежи их количество резко (приблизительно в 6 раз) сокращается и не превышает 2,2 %. Гуминовые кислоты фракции 3, слабо варьирующие в профиле по абсолютному содержанию (7,1-8,8 %), обнаруживают явную тенденцию относительного накопления с глубиной. В результате, подобно фульвокислотам, верхние 25 см залежи обогащены 1-й фракцией (Сгк-1 / Сгк-3 — 1,5-1,9). В нижних слоях 35-80 см господствуют ГК-3 (Сгк-1 / Сгк-3 — 0,3-0,4). В переходном горизонте 25-35 см содержание гуминовых кислот обеих фракций приблизительно равное (Сгк-1 / Сгк-3 — 0,96).
Таким образом, данные по составу органического вещества четко отражают специфичность распределения различных групп и фракций органического вещества по профилю торфяной залежи и характеризуют своеобразие гумусного состояния выделенных генетических горизонтов.
0-1,5(2) см — маломощный осоково-вейниковый очес. Характеризуется самым низким содержанием углерода (28,5 %) и обогащенностью его азотом (C/N — 24). Степень гумификации органического вещества (сумма гумусовых кислот, % от общего углерода) — слабая (оценка по: [Ефремова, 1983]). Запасы гумуса (при пересчете на условные 0-20 см) — средние, 115,3 т/га. Глубина гумификации (доля ГК-1 от суммы гуминовых кислот) очень высокая — 63,6 %. Тип гумуса — фульватный (Сгк/Сфк — 0,48).
Слой торфа 1,5-25 см наиболее трансформирован. Степень гумификации органического вещества, несмотря на очень низкую обогащенность азотом (C/N — 19+-23), характеризуется средним и высоким уровнем 47,1-54,2 %. Запасы гумуса в слое 0-20 см — высокие (166-184 т/га). Глубина гумификации — очень высокая (60-65 %). Тип гумуса — гуматно-фульватный (Сгк/Сфк — 0,6).
Переходный горизонт 25-35 см характеризуется низкой обогащенностью органического вещества азотом (C/N — 18,6), средней степенью гумификации 40 % и низкими запасами гумуса 88 т/га. Глубина гумификации — средняя, 49 %. Тип гумуса — гуматно-фульватный (Сгк/Сфк — 0,6).
Органическое вещество нижних анализируемых слоев торфяной залежи 3580 см (фон) отличается очень низкой обогащенностью азотом, слабой степенью гумификации 29 %, низкими запасами гумуса 47-55 т/га и очень низкой глубиной гумификации 22-30 %. Тип гумуса — гуматно-фульватный (Сгк/Сфк — 0,6).
Гумусное состояние торфяной толщи в целом характеризуется убывающим распределением гумуса по профилю залежи, постоянством его типа и низкой обогащенностью органического вещества азотом. По глубине разложения органического вещества изучаемая торфяная толща четко дифференцируется на три зоны. Верхняя, 0-25 см, сложена сильно трансформированными растительными остатками: глубина гумификации (ГГ) — 60-65 %. Переходная, 25-35 см, содержит торфы средней переработанности: ГГ — 49 %. Нижняя зона, 35-80 см, включает хорошо сохранившиеся растения-торфо-образователи: ГГ — 22-29 %.
Сопоставим состав органического вещества низинного торфяника лесотундровой зоны с аналогичными показателями евтрофных болот южно-таежной подзоны [Ефремова, 1975]. Общими признаками в оценке их гумусного
состояния являются: а) преобладание в составе гумусовых компонентов 1 и 3-й фракций; б) преимущественная концентрация фракции 1 в верхних 1520 см, фракции 3 в более глубоких слоях; в) менее кислый гумус в составе фракции 3, судя по отношению Сгк/Сфк; г) очень низкое содержание или полное отсутствие гуминовых кислот, связанных с кальцием.
В гумусном состоянии сравниваемых почв имеются, однако, и различия. Лесотундровые торфяные почвы по сравнению аналогичными почвами южнотаежной подзоны характеризуются: а) повышенными запасами гумуса в верхних 25 см, б) более высокой глубиной гумификации органического вещества, в) стабильным по профилю торфяной залежи кислым типом гумуса. Гуматно-фульватный и фульватный тип гумуса, присущий тундровым почвам, не характерен для низинных почв таежной зоны. Отношение Сгк/Сфк в них, как правило, больше 1. С глубиной этот показатель увеличивается до 2 и выше, идентифицируя фульватно-гумутный и собственно гуматный тип гумуса.
Гуматно-фульватный гумус и более высокая глубина гумификации крупнобугристого торфяника лесотундровой зоны связана, на наш взгляд, с особенностями трансформации растительных остатков в режиме криогенного преобразования. Воздействие многолетней мерзлоты проявляется в активном криотурбационном перетирании органических остатков и криогидратаци-онной дезинтеграции органоминеральных комплексов [Конищев, 1981; Арче-гова, 1985; Гришина, 1986; и др.]. В результате усиливается пептизируемость почвенной массы и происходит повышение растворимости гумусовых веществ главным образом за счет фульвокислот. Преобладание фульвокислот в составе гумуса определяет количественную сторону результата промораживания [Арчегова, 1985]. В группе гуминовых кислот криотурбационный эффект проявляется в перераспределении фракций в сторону увеличения 1-й, непосредственно растворимой в щелочи. При этом содержание ГК-1 в тундровых минеральных почвах (подбурах, подзолистых и др.) может достигать 63-100% суммы гуминовых кислот [Таргульян, 1971].
На фоне диспергации и деградации почвенной массы происходит коагуляция и осаждение органических (органоминеральных) коллоидов в результате сгущения растворов в процессе вымораживания влаги. Содействует осаждению восходящее (морозное) передвижение растворенных минеральных компонентов. Повышение концентрации ионов-коагулянтов способствует формированию криогенных агрегатов [Конищев, 1981]. Обилие мелкозернистых агрегатов в слое 1,5-15 см обсуждаемого торфяного массива отмечено нами выше (см. морофологическое описание профиля). Высокая агрегиро-ванность тундровой торфяной почвы имеет, по всей вероятности, именно криогенную природу. Неосушенные торфяные почвы низинного типа таежной зоны практически бесструктурны [Ефремова, 1992].
Таким образом, более кислый гумус и очень высокая глубина гумификации лесотундровых торфяных почв относительно низинных таежных характеризует специфику их гумусного состояния. Она подтверждает: а) общие закономерности трансформации органического вещества почв районов многолетней мерзлоты; б) представление о том, что гумусное состояние почв определяется прежде всего биоклиматическими условиями, в которых они формируются. Единство и самобытность холодных гумидных областей заключается в экстремальном сочетании тепла и влаги, господстве олиготрофных растительных сообществ с малой емкостью биологического круговорота, преимущественно напочвенном поступлении растительного опада, бедности, однообразии и пониженной биохимической активности микрофлоры [Кононова, 1963; Таргульян, 1971; Гришина, 1986; и др.]. Замедленная минерализация и гумификация в сочетании с избыточным ув-
лажнением приводит к преобладанию фульвокислот над гуминовыми кислотами и доминированию в составе гумуса 1 и 3-й фракций.
Таким образом, пространственные аналогии и прямые исследования дают основание говорить о преимущественном значении зональных физикогеографических факторов в формировании состава органического вещества мерзлых крупнобугристых торфяников. Влияние техногенных нагрузок имеет в текущее время, очевидно, второстепенное значение, хотя сходная направленность процессов гумификации в грубогумусных подзолах Кольского п-ва, загрязненных серой и тяжелыми металлами, связывается рядом авторов именно с антропогенным фактором [Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение, 1990]. Система гумусовых веществ бугристых торфяников Норильского промышленного района является пока вполне устойчивой. Критический порог, после которого начинаются качественные изменения состава гумуса, еще не пройден. Механизм противодействия техногенному потоку обусловлен химическими особенностями гуминовых и фульвокислот, которые содержат большое количество функциональных групп, способных к образованию электровалентных, ковалентных связей и внутрикомплексных соединений. Это обеспечивает широкую возможность связывать в малоподвижные и труд-нодиссоциирующие соединения токсичные элементы, ослабляя «возмущающее» влияние техногенных нагрузок на природную среду.
Выводы
1. Болота являются высокоинформативными объектами для организации мониторинга техногенных изменений природной среды.
2. Глубина прохождения техногенных потоков (серы и тяжелых металлов) в мерзлых крупнобугристых торфяниках не превышает 35 см. Устойчивость органической и минеральной компоненты болотных экосистем к промышленным выбросам проявляется в разной степени.
Выявлены существенные изменения кислотно-щелочных свойств торфа. Физико-химическая стратиграфия торфяной залежи четко маркирует: а) трансформированную зону различных стадий деградации 0-15(25) см и б) исконный фон, не преобразованный промышленными выбросами.
Состояние органического вещества крупнобугристого торфяника оцениваем как вполне стабильное в текущее время. Достаточно высокую подвижность гумусовых веществ, доминирование в их составе 1 и 3-й фракций, гу-матно-фульватный тип гумуса рассматриваем, скорее, как проявление зональных биоклиматических условий гумусообразования и не связываем в полной мере с воздействием техногенных выбросов.
3. Исконное состояние торфяной толщи (глубже 35 см) может служить природным геохимическим фоном при оценке локальных техногенных загрязнений.
ЛИТЕРАТУРА
Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975. 656 с.
Арчегова И. Б. Гумусообразование на Севере Европейской территории СССР. Л.: Наука, 1985. 136 с.
Гришина Л. А. Гумусообразование и гумусное состояние почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 244 с.
Ефремов С. П. Болота зоны КАТЭКа в связи с перспективами их хозяйственного использования и охраны // Почвы зоны КАТЭКа. Красноярск: ИлиД СО АН СССР, 1981. С. 41-56.
Ефремов С. П., Пьявченко Н. И. О генезисе бугристых болот бассейна Подкамен-ной Тунгуски // Изв. СО АН СССР. Сер. биол.-мед. наук. 1964. № 12, вып. 3. С. 37-43.
Ефремова Т. Т. Формирование почв при естественном облесении осушенных болот. Новосибирск: Наука, 1975. 124 с.
Ефремова Т. Т. Показатели гумусного состояния торфяных почв // Биологические науки. 1983. № 10. С. 102-106.
Ефремова Т. Т. Почвообразование и диагностика торфяных почв болотных экосистем // Почвоведение. 1992. № 12. С. 25-35.
Зырин Н. Г., Гринь А. В., Ли С. К. и др. Техногенное загрязнение и нормирование высоких концентраций микроэлементов в почвах // Докл. IX Всесоюз. конф. по проблемам микроэлементов в биологии. Кишинев, 1981. С. 102-106.
Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991. 151 с.
Кац Н. Я. Болота Земного шара. М.: Наука, 1971. 295 с.
Конищев В. Н. Формирование состава дисперсных пород в криолитосфере. Новосибирск, 1981. 195 с.
Кононова М. М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 314 с.
Лесной фонд России. М.: ВНИИЦлесресурс, 1999. 649 с.
Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990. 200 с.
Орлов Д. С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990. 325 с.
Орлов Д. С., Гришина Л. А. Практикум по биохимии гумуса. М.: Моск. ун-т, 1981. 272 с.
Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.
Пономарева В. В., Николаева Т. А. К методике изучения органического вещества в торфяно-болотных почвах // Современные почвенные процессы в лесной зоне Европейской части СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1959. С. 170-204.
Прокопович Е. В., Кайгородова С. Ю. Трансформация гумусного состояния почв под действием выбросов Среднеуральского медеплавильного завода // Экология. 1999. № 5. С. 375-378.
Пьявченко Н. И. К изучению болот Красноярского края // Заболоченные леса и болота Сибири. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 5-32.
Рейзмунт В. В. Бугристые торфяники в лесоболотных системах Приангарья // География и природные ресурсы. 1996. № 3. С. 81-87.
Таргульян В. О. Почвообразование и выветривание в холодных гумидных областях. М.: Наука, 1971. 268 с.
Chang Fu-Hsian, Alexander M. Effekt of simulated acid precipitation on aigal fixation of nitrogen and carbon dioxide in forest soils // Environ. Sci. and Technol. 1983. Vol. 17. P. 11-13.
Francis A. J. Effekts of acid precipitation on soil microbial processes // Water, air and soil pollution. 1982. Vol. 18. P. 375-394.
Schnitzer M. Effects of low pH the chemical structure and reactions of humic substances // Effects of acid precipitation on terrestrial ecosystems. Scarborough: NATO Adv. Res. Inst., 1978. 37 p. (Prepr.).
Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН,
г. Красноярск
T. T. Yefremova, S. P. Yefremov
EVALUATION OF TECHNOGENIC IMPACT UPON ACID AND ALKALINE PROPERTIES AND HUMIC STATE OF A FROST MOUND PEAT-BOG IN THE VALLEY OF THE NORILSKAYA RIVER
Bogs serve highly informative objects to monitor technogenic environmental disturbances. As to polluting depth of frost mound peat-bogs across Norilsk industrial area, that does not exceed 35 ^. In bog ecosystems, resistance of organic and mineral component to technogenic stresses being manifested to different extents. The paper reveals considerable changes in acid and alkaline properties to the peat through the upper 15-25 ^. As to organic substance state, so far it remains quite stable. The peat-bog’s initial state (deeper than 35 ^) could be used as a natural geochemical background under estimating local industrial pollutions.
