CC BY
107
В. А. Степанова, О. С. Покровский
МАКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ТОРФА ВЫПУКЛЫХ ВЕРХОВЫХ БОЛОТ СРЕДНЕЙ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ (НА ПРИМЕРЕ БОЛОТНОГО КОМПЛЕКСА «МУХРИНО»)
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ НЦНИЛа № 10-04-93109.
Приведены данные по химическому составу торфа пяти экосистем болотного комплекса, расположенного в долине Нижнего Иртыша на низкой террасе в пределах Кондинского геохимического округа. Мощность торфяной залежи колеблется от 1,3 до
3.5 м. Распределение макроэлементов в торфяном профиле во всех экосистемах одинаково - содержание макроэлементов увеличивается в верхней и нижней частях профиля. В верхней части они накапливаются вследствие биогенной аккумуляции, в нижней части - под влиянием нижележащих минеральных горизонтов. Миграционные процессы выравнивают генетические различия во внутрипрофильном распределении содержания макроэлементов. Обнаружено резкое различие содержания калия в живой фитомассе экосистем и торфяном слое 0-30 см. Коэффициент биологического поглощения калия изменяется от
1.5 (гряда) до 11 (топь), что говорит о его быстром вымывании болотными водами из отмерших частей мхов, трав и кустарничков при деструкции и поглощении живыми корнями растений.
Ключевые слова: макроэлементы; торф; торфяной профиль; миграция элементов; живое вещество; биогенная аккумуляция; фитомасса; геохимический округ; деструкция; закрепление.
Переувлажненные ландшафты играют роль своеобразных «легких» для урбанизированных территорий, насыщенных транспортом и промышленными предприятиями. Этому способствует явление термо-фореза, когда атмосферные потоки с частицами аэрозольной пыли и микрофлорой движутся в направлении зон пониженной температуры, повышенной влажности и осаждаются там [1]. В среднем болота способны ассимилировать 300 кг/га пыли, частично осуществляя минеральное питание растений при одновременном очищении атмосферы [2]. Химические элементы М Р, К, Са, М^, 8, находящиеся в пыли, используются растениями для создания органического вещества. Тяжелые металлы, выпадающие с пылью, аккумулируются болотами и исключаются из биологического круговорота [3].
При слабых процессах разложения в болотных экосистемах регистрируется механический вынос элементов вследствие избыточного увлажнения и большей интенсивности стока. Поэтому сток с выпуклых центральных участков болот к окраинам обеспечивает самоочищение в центре верховых болот и аккумуляцию загрязняющих веществ на их периферии [4]. Отмечая эту способность болот, представляющих собой естественные фильтры и препятствующих распространению загрязняющих веществ, М.А. Глазовская [3] относит их к восстановительным ландшафтногеохимическим барьерам.
Цель данной работы - выявить особенности распределения макроэлементов в торфяной толще, сформированной под различными экосистемами олиготрофного болотного комплекса в пределах геохимически связанных элементарных ландшафтов.
Материалы и методы исследования
По болотному районированию Западно-Сибирской равнины объект исследования входит в среднетаежную провинцию Западно-Сибирских олиготрофных грядо-во-мочажинных и сосново-кустарничково-сфагновых болот. Средняя заторфованность провинции составляет 50%. Некоторые исследователи выделяют их в особую болотную зону олиготрофных выпуклых верховых сфагновых болот [5] или в группу типов болотных мас-
сивов (выпуклых олиготрофных комплексных) в зоне избыточного увлажнения [6].
Нами был изучен элементный химический состав торфов пяти элементарных ландшафтов болотного массива, расположенного в долине Нижнего Иртыша на низкой террасе в пределах Кондинского геохимического округа [7]. Координаты болотного стационара «Мух-рино», где проводились исследовательские работы, -60°53'41" с.ш. и 68041'45" в. д. Трансект проложен через элементарные ландшафты: рослый рям, низкий рям, грядово-мочажинный комплекс (гряда и мочажина) и олиготрофную топь.
Рослый рям представлен сосново-кустарничково-сфагновым растительным сообществом. В верхнем древесном ярусе встречаются сосна и кедр, которые составляют около 5% ПП, высотой до 10 м, диаметром
4 см. Плотность деревьев составляет около 2 000 шт./га. Подрост из кедра, сосны с примесью березы составляет около 5%, высота его не превышает 1 м. Микрорельеф кочковатый, преобладают кочки. Соотношение кочек и межкочек составляет 70:30. Высота кочек не превышает 40 см.
Низкий рям представлен сосново-кустарничково-сфагновым растительным сообществом. В верхнем древесном ярусе встречаются сосна и кедр, которые составляют около 15% ПП, высотой до 3-4 м, диаметром 6 см. Подрост из кедра, сосны с примесью березы составляет около 5%, высота его не превышает 1 м. Рельеф волнистый. Соотношение кочек и межкочек составляет 90:10. Высота кочек не превышает 40 см. Мощность торфяной залежи 340 см.
Мочажина у озера представлена осоково-пушицево-сфагновым растительным сообществом. Мощность торфяной залежи 330 см.
В грядово-мочажинном комплексе преобладают гряды с сосново-кустарничково-сфагновым растительным сообществом высотой до 60 см, довольно обрывистые с резким переходом к мочажинам с андромедово-шейхцериево-сфагновыми растительными сообществами. Соотношение гряд и мочажин составляет 3:1. Гряды слабо ориентированы. В мочажинах обводненность незначительна, УБВ не превышает 10 см от поверхности мхов. В верхнем древесном ярусе гряд встречаются невысокие деревья (1,5-2 м) сосны и кедра, которые со-
ставляют около 20% ПП, с диаметром 4 см. Подрост из кедра, сосны составляет около 5%, высотой 0,3-0,4 м. Микрорельеф кочковатый. Мощность торфяной залежи на гряде 370 см, в мочажине - 350 см.
При исследования элементного химического состава торфа в каждой экосистеме с помощью торфоразведочного бура производилось бурение скважин с последовательным послойным отбором образцов (с интервалом в 10 см) на всю мощность торфяной залежи. В камеральных условиях в образцах торфа определялись С, Н, N (на элементном анализаторе СН№ на РЕ 2400 -II) и Са, Mg, №, К, Р, Бе (методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ІСР М8). Всего проанализировано около 160 образцов.
м
Результаты исследования и обсуждение
Торфообразование изучаемого болотного массива происходило на сложенной древнеаллювиальными песчаными отложениями низкой террасе [8]. Мощность торфяной залежи колеблется от 1,3 до 3,5 м. Исходя из данных О.Л. Лисс с соавторами [5] о средней скорости торфонакопления за периоды голоцена, было рассчитано, что торфяные отложения имеют Позднеатлантический возраст. Образование болотного массива началось
5 600-5 300 лет назад.
По морфологическим признакам, данным зольности и кислотности торфяная толща была дифференцирована по типам торфа (рис. 1).
“І------------------------------1----------------------------------1-------------------------------1
1,5 2 2,5 3 км
Рис. 1. Схема профиля болотного массива: по вертикали - высота над ур. м., м; по горизонтали - расстояние, км
В торфяной толще экосистемы рослый рям выделяются 3 части. Верхний слой мощностью 10 см образован верховым торфом с зольностю 2,6% и рН 3,3. Ниже следует сорокасантиметровый слой переходного торфа с зольностью около 6,0% и рН 3,4. Нижний слой 80 см образован низинным торфом с большим разбросом показателей зольности - от 2,4 до 27,2 и рН 3,7.
Торфяная толща низкого ряма разбивается на 4 части чередующихся слоев верхового и переходного торфов. Верхний слой представлен верховым торфом мощностью 150 см с зольностью 1,1-6,3. Ниже располагается небольшая прослойка (10 см) переходного торфа с более высокой зольностью 10,9%. С глубины 160 см лежит шестидесятисантиметровый слой верхового торфа с низкой зольностью 1,7%. Самый нижний слой переходного торфа, контактирующий с минеральным субстратом, имеет высоту 110 см. Вследствие этого фиксируется широкий разброс значения зольности -от 1,2 до 14,5%. Величина рН, незначительно колеблясь, увеличивается сверху вниз и составляет в нижней части 3,0-3,7.
В торфяной толще гряды, так же как и в экосистеме низкого ряма, чередуются слои верхового и переходного торфов. Слои имеют различную толщину и характеризуются более низкими количествами золы и менее
кислы по сравнению со значениями низкого ряма. В первом слое верхового торфа мощностью 70 см зольность колеблется в пределах 1,8-4,7. Ниже следует слой переходного торфа на глубине 70-100 см. Он имеет зольность 4,3-5,0%. Следующий мощный слой 100-330 см верхового торфа имеет зольность от 1,2 до 4,0%. Исключение составляет последний слой переходного торфа 330-350 см, он имеет широкий разброс значения зольности от 6,0 до 49,2%. Максимальное значение зольности связано с обогащением его минеральными частицами из нижележащего минерального горизонта. Кислотность колеблется в пределах рН 3,6-4,0 по всей толще.
Торфяная толща мочажины представлена чередованием верхового и переходного торфов. Верхний слой мощностью 20 см представлен верховым торфом с зольностью 1,5-2,6, рН водный 3,3-3,5. Ниже располагается слой переходного торфа 20-80 см с зольностью, процент которой колеблется в пределах 3,4-22,8%. Далее следует слой верхового торфа на глубине 80-250 см, в нем процент золы падает до 4,0%. Следующий слой 250-330 см переходного торфа имеет широкий разброс значения зольности - от 2,0 до 25,4% и рН 3,7-4,0.
В торфяной толще олиготрофной топи также выделяются 4 части. Верхний слой верхового торфа мощно-
стью 30 см имеет низкий разброс показателей зольности 0,9-1,1 и рН 3,1. Ниже следует семидесятисантиметровый слой переходного торфа. В нем разброс значений зольности значительно возрастает - от 3,6 до 9,6% и рН равен 3,2. Следующий мощный слой 180 см верхового торфа имеет низкую зольность - от 1,2 до 3,6% и рН около 3,0. Самый нижний двадцатисантиметровый слой переходного торфа имеет, так же как и первый слой переходного торфа, большой разброс значений зольности 3,0-11,2% и рН, равный 3,5.
Слои верхового, переходного и низинного торфа в торфяной залежи изучаемых элементных ландшафтов по количественным характеристикам зольности сходны. Несмотря на генетическую неоднородность торфной залежи изучаемых экосистем величины рН имеют близкие значения вследствие внутрипрофильного нивелирования реакции среды в торфяной толще под водно-миграционными процессами и восстановительным режимом [8], свойственные олиготрофной стадии развития.
Содержание углерода в пределах торфяного профиля всех экосистем незначительно колеблется от 49 до
Во внутрипрофильном распределении накопление в верхней его части элементов (Р и М£) связано с биогенной аккумуляцией. Распределение содержания биогенных элементов в торфах связано с особенностями ботанического состава торфа [9].
Накопление Ре, №, Са, К в нижней части торфяного профиля связано с наличием здесь комплексного глее-вого и сорбционного барьера, а также с влиянием глинистых отложений, имеющих повышенные концентрации большинства химических элементов.
Распределение К и № в торфяной толще гряды и олиготрофной топи одинаково. Более низкое содержание их в слоях верхового торфа, выше в переходном и значительно увеличивающемся нижнем слое переходного торфа. На низком ряме наблюдается небольшое повышение в верхнем горизонте верхового торфа, затем равномерное распределение внутри профиля с увеличением в нижнем горизонте (см. табл. 1).
Распределение фосфора в экосистемах гряды и оли-готрофной топи и низкого ряма подчинено такой же закономерности, но содержание Р в переходном слое торфа нижних горизонтов данных экосистем имеет
58%. Резкое его уменьшение регистрируется при контакте с подстилающим минеральным горизонтом.
Содержание водорода также стабильно из-за выравнивания реакции среды вследствие водно-миграционных процессов и восстановительной обстановки: изменяется по профилю в пределах 6,3-6,9%. В нижнем горизонте его содержание уменьшается до 3,3-6,0%.
Содержание азота в торфяных горизонтах изменяется, возрастая с увеличением трофности. На рослом ряме пределы колебания в торфяной залежи от 0,9 до 1,4%. В экосистеме низкий рям содержание азота увеличивается от 0,4 до 1,5. В грядово-мочажинном комплексе: на гряде - 0,7—1,1, в мочажине - 0,8-2,1. В топи пределы изменения содержания азота составляют 0,6-2,2.
Зольные элементы (К, №, Са, Mg, Ре) и Р были изучены для трех экосистем: низкого ряма, гряды и олиготрофной топи. Генетические различия в формировании торфяных толщ различных экосистем нашли отражение в их вещественном составе (табл. 1). Однако общие миграционные процессы также участвуют в распределении макроэлементов в пределах торфяной толщи.
близкие значения с переходными торфами, расположенными в середине профиля.
Содержание Са и Ре на гряде и олиготрофной топи в верхнем горизонте, сложенном верховым торфом, немного выше, чем в нижележащем переходном, затем содержание этих элементов начинает резко возрастать и максимально увеличивается в нижнем слое переходного торфа. В экосистеме низкий рям содержание Са и Ре постепенно увеличивается сверху вниз. Различия, обусловленные ботаническим составом верхового и переходного торфов, отсутствуют.
Содержание Mg в торфяной толще экосистемы низкий рям имеет распределение, схожее с Са и Ре. Распределение содержания Mg в экосистемах гряды и оли-готрофной топи следующее: одинаковое содержание в слоях верхового торфа, ниже в переходном торфе содержание Mg уменьшается. Так же как и у других элементов, его содержание увеличивается в нижнем горизонте переходного торфа, более значительно - на гряде, менее выражено - в топи. При пересчете содержания макроэлементов в сухом веществе на содержание их в золе были получены следующие результаты (табл. 2).
Т а б л и ц а 1
Средние значения содержания макроэлементов в торфяном профиле (сухое вещество, мг/кг)
Экосистема Тип торфа, глубина, см К № Са Mg Р Бе
Низкий рям Тв 0-150 227 137 1 365 220 178 791
Тп 150-160 72 42 1 670 253 109 1 114
Тв 160-200 61 39 2 030 309 98 1 387
Тп 200-310 87 55 2 758 362 155 2 221
Гряда Тв 0-70 341 292 1 268 274 216 948
Тп 70-100 683 418 970 215 283 610
Тв 100-330 128 70 2 738 331 153 1 331
Тп 330-350 4 290 2 458 5 553 1 024 267 5 822
Олиготрофная топь Тв 0-30 262 217 1 329 337 235 791
Тп 30-110 353 277 1 088 153 349 807
Тв 110-290 107 86 2 330 284 263 1 261
Тп 290-300 548 365 5 707 419 307 4 840
Примечание. Тв - верховой торф, Тп - переходный торф.
Содержание макроэлементов в золе торфа, г/кг
Экосистема Тип торфа К № Са Mg Р Бе
Низкий рям Тв 6 4 100 15 7 66
Тп 1 0,7 35 5 2 28
Гряда Тв 10 8 100 15 9 55
Тп 15 9 20 4 3 17
Топь Тв 15 13 120 23 18 68
Тп 6 5 48 4 5 40
Среднее Тв 11 8 107 18 11 63
Тп 7 5 34 4 3 28
Данные Е.Г. Нечаевой, 1991 [8] Тв - - 74 28 15 56
Тп - - 63 15 10 35
Исследования Е.Г. Нечаевой [10] проводились на низкой террасе также в долине Нижнего Иртыша. При сопоставлении наших данных с данными Е.Г. Нечаевой [10] повышенное содержание имеют только Са и Бе в золе верхового торфа. Содержание и Р в нем ниже. В золе переходного торфа содержание Са, М^ Р, Бе значительно ниже, особенно Mg - в 3,5 раза, Р - в 3 раза.
Содержание макроэлементов в торфах в пределах болотного массива также изменяется. По профилю низкий рям - гряда - топь в верховом торфе все макроэлементы (за исключением Бе) увеличивают свое содержание в золе. Изменение находится в следующих интервалах: К - 6-15, № - 4-13, Са - 100-120, Mg -15-23, Р - 7-18 и Бе - 55-68 г/кг. В переходном торфе содержание макроэлементов в золе сильно варьирует: К - 1-15, № - 0,7-9, Са - 20-48 и Бе - 17-40 г/кг. Незначительно изменяются в пределах профиля Mg - 4-5 и Р - 2-5 г/кг.
По всем изученным химическим элементам резких различий в их содержании в живой фитомассе и торфяном слое 0-30 см обнаружено не было, за исключением калия.
Отмечается высокое содержание К в живой фитомассе по сравнению с торфом: на гряде - 840, на низком ряме - 2 184 и в олиготрофной топи - 2 914 мг/кг.
Возможно, это обусловлено его вымыванием из растительных остатков вследствие его высокой подвижности в кислой среде [11].
Выводы
Установлено, что миграционные процессы, происходящие в торфяной толще различных болотных экосистем, нивелируют различия во внутрипрофильном распределении содержания макроэлементов, обусловленных генетически. По профилю низкий рям - гряда -топь в верховом торфе все макроэлементы увеличивают свое содержание в золе. Усредненные колебания по профилю регистрируются в следующих интервалах: К -6-15, № - 4-13, Са - 100-120, Mg - 15-23, Р - 7-18 и Бе - 55-68 г/кг. Значения содержание макроэлементов в золе переходного торфа сильно варьируют: К - 1-15, № - 0,7-9, Са - 20-48 и Бе - 17-40 г/кг.
Распределение макроэлементов в пределах торфяного профиля независимо от экосистемы имеет общие черты: увеличение содержания макроэлементов в верхней части профиля, связанное с их биогенной аккумуляцией, и увеличение содержания большинства элементов в нижней части профиля вследствие влияния нижележащих минеральных горизонтов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Грегори М. Микробиология атмосферы. М. : Мир, 1964. 371 с.
2. Пьявченко Н.И., Сибирева З.А. О роли атмосферной пыли в питании болот // Доклады АН СССР. 1959. Т. 124, № 2. С. 414-417.
3. ГлазовскаяМ.А. Способность окружающей среды к самоочищению // Природа. 1979. № 3. С. 71-79.
4. Лисс О.Л., Трофимов В.Т., Кашперюк В.И., Кудряшов В.Г. Тенденция развития болотообразовательного процесса // Прогноз изменений при-
родных условий Западной Сибири. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1988. С. 5-20.
5. Лисс О.Л., Абрамова Л.И., Аветов Н.А., Березина Н.А. и др. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. Тула :
Гриф и К°, 2001. 584 с.
6. Кац Н.Я. Болота Земного шара. М. : Наука, 1971. 294 с.
7. Романова Е.А. Типы болотных массивов и закономерное распределение их на территории Западной Сибири // Типы болот СССР и принципы
их классификации. Л. : Наука, 1974. С. 167-174.
8. Львов Ю.А. Торфяное болото как система болотных фаций // Биологические науки. 1977. № 9. С. 97-103.
9. Ефремова Т. Т., Ефремов С.П., Куценогий К.П., Онучин А.А. и др. Биогеохимия Бе, Мп, Сг, N1, Со, Т1, V, Мо, Та, W, и в низинном торфянике
на междуречье Оби и Томи // Почвоведение. 2003. № 5. С. 557-567.
10. Шевченко В.П. Влияние аэрозолей на среду и морское осадконакопление в Арктике / отв. ред. А.П. Лисицын ; Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН. М. : Наука, 2006. 226 с.
11. Нечаева Е.Г. Ландшафтно-геохимическое районирование Западно-Сибирской равнины // География и природные ресурсы. 1990. № 4. С. 77-84.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 14 сентября 2011 г.
