CC BY
10УДК 556.565 DOI 10.35567/1999-4508-2017-1-2
МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДАХ ОСУШЕННОГО ВЕРХОВОГО БОЛОТА В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ*
© 2017 г. Ю.А. Харанжевская1 2, Е.С. Иванова1, Е.С. Воистинова1
1 ФГБНУ «Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа» - филиал СФНЦА РАН, г. Томск, Россия
2 ФГАОУВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», г. Томск, Россия
Ключевые слова: болотные воды, гуминовые вещества, гидролесомелиорация, спектральный анализ, факторный анализ, качество вод, Васюганское болото, Западная Сибирь.
Представлен анализ многолетней динамики содержания гу-миновых веществ в болотных водах участка лесомелиорации, выполнены спектральный, корреляционный и факторный анализы.
Исследования показали цикличность продолжительностью 2-4 года в изменении содержания гуминовых веществ в болотных водах верхового осушенного болота, а также статистически значимую тенденцию снижения концентраций гуминовых кислот за многолетний период. В сезонной динамике отмечено закономерное увеличение содержания гуминовых веществ в болотных водах в середине периода вегетации (июль-август). Корреляционный анализ позволил установить зависимость между количеством гуминовых кислот и окислительно-восстановительным потенциалом торфяной залежи. Отмечена в отдельные годы связь содержания гуминовых веществ в воде с уровнями болотных вод, влажностью торфа, температурой торфяной залежи, температурой воздуха и атмосферными осадками. При этом лимитирующим фактором, определяющим количество гуминовых кислот в болотных водах, является температурный режим, а фульвокислот - степень влагосодержания торфяной залежи болот.
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-00187 -мол_а
Ю.А. Харанжевская Е.С. Иванова Е.С. Воистинова
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
Показано, что в результате осушения верхового болота произошло увеличение интенсивности трансформации растительных остатков и органического вещества торфа и повышение концентрации гуминовых веществ в болотных водах (гуминовых кислот - на 14, фульвокислот - на 18 %) в сравнении с фоновыми верховыми болотами региона. Поэтому хозяйственное использование торфяных болот, повышение температуры воздуха и количества атмосферных осадков при изменении климата будут способствовать увеличению содержания органических веществ как в болотных водах, так, вероятно, и в подземных и речных водах региона. В условиях естественного восстановления осушенных болот в перспективе возможно снижение концентраций гуминовых веществ в болотных водах и водах рек-водоприемников.
Актуальность изучения экологического состояния болот Западной Сибири и особенностей химического состава их вод в значительной степени обусловлена усилением техногенного воздействия при хозяйственном освоении территории и развитии нефтегазодобывающего комплекса. В условиях высокой заболоченности территории добыча нефти и газа, строительство дорог и линий высоковольтных электропередач, осушение болот, разработка торфяных месторождений, торфяные пожары вызывают существенные изменения и деградацию болот, что оказывает негативное влияние на состав болотных вод и рек-водоприемников. За последние десятилетия многие осушенные болота в Западной Сибири практически не используются, что приводит к существенным изменениям их водного и теплового режимов. На некоторых осушенных болотных массивах наблюдается процесс естественного восстановления, что приводит к подтоплению прилегающих территорий и активному поступлению органических веществ в природные воды, формированию неблагоприятных условий для хозяйственной деятельности. На других - происходят активизация процессов трансформации растительных остатков и деградация торфяной залежи, вызывающие увеличение эмиссии парниковых газов, что приводит к возникновению пожароопасной обстановки, значительному повышению концентраций органических веществ в болотных и речных водах и превышению установленных норм предельно допустимых концентраций. Кроме того, в условиях отмеченных тенденций увеличения температуры воздуха и атмосферных осадков на данной территории [1, 2] в перспективе, вероятно, стоит ожидать увеличения содержания органических веществ в природных водах района исследований. Все это определяет негативную экологическую ситуацию в регионе и требует детальных исследований.
В настоящее время данные по содержанию гуминовых веществ в болотных водах представлены в работах ряда авторов [3-13], проведены предварительные исследования многолетней динамики содержания гу-
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
миновых веществ в водах низинного болота на террасе р. Бакчар [14]. Однако, несмотря на большое разнообразие материалов и проведенных исследований, не в полном объеме изучены условия, определяющие высокие концентрации гуминовых веществ в болотных водах, их миграцию и пространственно-временную динамику на уровне конкретного болотного массива. В представленной работе проведены исследования в данном направлении и дана оценка многолетней динамики органических веществ в болотных водах верхового осушенного болота. Выполнен также подробный анализ условий и факторов, определяющих их содержание в водах в условиях интенсивного хозяйственного использования территории и в зависимости от основных показателей природных процессов функционирования болот: влажности торфа, температуры залежи, уровней болотных вод и окислительно-восстановительного потенциала, количества атмосферных осадков, температуры воздуха.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили на участке осушенного сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота, расположенного в междуречье рек Бакчар и Икса, являющегося частью Васюганской болотной системы. Объект исследований общей площадью 4000 га осушен в 1973-1979 гг. с целью лесомелиорации. Для отбора проб болотных вод выбран участок в пределах осушительной системы (точка 1) и аналогичный ему участок (точка 2), расположенный за пределами осушительной системы на расстоянии 500 м от осушительного канала, испытывающий влияние осушения (рис. 1). Мощность торфяной залежи в пределах точек отбора проб составляет 2,25 м (точка 1) и 2,50 м (точка 2). Залежь до 1,5 м сложена фускум торфом на обоих участках, затем в торфе начинают преобладать сфагнум ангустифолиум и магелланикум, ниже вид торфа меняется на сосново-сфагновый, осоковый, который переходит в древесно-осоковый [15]. Проведенные ранее исследования показали, что осушение положительно сказалось на росте древесно-кустарничкового яруса, в особенности на увеличении высоты подроста сосны и обилии кустарничков, составе мхов, сформировавших за период осушения верхние слои торфа, что проявилось в кратном снижении доли 5. magellanicum в торфе. Однако в настоящее время в связи с неудовлетворительной работой осушительной сети происходит интенсивное восстановление болота, выражающееся в появлении крупных кочек, образованных травяной растительностью в результате повышения уровня болотных вод, а также изменении состава современного фитоценоза [16].
Методика исследований включала анализ многолетней динамики содержания гуминовых веществ в водах осушенного верхового болота в зависимости от основных показателей природных процессов функционирования
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
(температура воздуха, атмосферные осадки, влажность торфа, температура залежи, уровни болотных вод, окислительно-восстановительный потенциал). Для определения содержания органических веществ проводили отбор проб воды из специально подготовленной скважины глубиной 1 м в торфяной залежи болота. Определение гуминовых веществ выполняли в аккредитованном Лабораторно-аналитическом центре СибНИИСХиТ в соответствии с методикой [17]. Для оценки влияния на содержание органических веществ в болотных водах процессов, происходящих в торфяной залежи, наблюдали за окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП) и температурным режимом торфяной залежи с помощью стационарно заложенных датчиков [18]. Отбор образцов торфа на влажность производили в бюксы по всей глубине торфяной залежи согласно ГОСТ 11305-65. Гидрологические наблюдения на болотах выполнены в соответствии с [19]. Наблюдения за процессами ОВП, температурой торфяной залежи, влажностью, отбор образцов на химический анализ и определение гуминовых веществ в болотных водах проводили c периодичностью 1 раз в месяц с мая по сентябрь 2000-2011 гг. В работе также использовали данные Росгидромета по температуре воздуха и количеству атмосферных осадков по метеостанции у с. Бакчар. Для оценки увеличения количества гуминовых веществ в болотных водах осушенного болота проводилось сравнение с фоновым естественным участком верхового сосново-кустарничково-сфагнового болота в бассейне р. Ключ (точка 3, рис. 1).
Методика статистического анализа данных включала проверку рядов на соответствие генеральной совокупности с применением параметрических и непараметрических критериев (Стьюдента, Фишера, Манна-Уитни), оценку закономерностей сезонных и многолетних изменений содержания гуминовых веществ в болотных водах, корреляционный, регрессионный, спектральный и факторный анализы.
Анализ закономерностей сезонных изменений компонентов химического состава болотных вод проводили с применением методики спектрального анализа путем построения сезонной волны и расчетом индексов сезонности I
X,
I = rçr 100 %,
(1)
где Xi - концентрация компонента за i месяц, осредненная за многолетний период (2006-2012 гг.), мг/л;
Хп - среднемноголетняя концентрация компонента, мг/л [20]. Оценку статистически значимых тенденций изменения содержания гу-миновых веществ в болотных водах за многолетний период выполняли с использованием критерия Питмена.
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
Рис. 1. Схема расположения объектов исследования: 1 - осушенный участок сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота на междуречье рек Бакчар и Икса (точка 1); 2 - естественный участок сосново-кустарничково-сфагнового верхового болота на междуречье рек Бакчар и Икса за пределами осушительной сети (точка 2); 3 - фоновый участок. сосново-кустарничково-сфагновое верховое болото в бассейне р. Ключ (точка 3).
Спектральный анализ (полное разложение Фурье) временных рядов химического состава болотных вод основывался на представлении о том, что сезонные колебания представляют собой сумму нескольких синусоидальных и косинусоидальных гармоник с различными периодами, при этом оценивался вклад каждой гармоники в общую дисперсию ряда [21, 22]. Дисперсия С. за счет I гармоники определялась по зависимости
С = УА] + в1 (2)
где А и В - коэффициенты регрессии, показывающие степень корреляции функций косинусов (А) и синусов (В) с данными на соответствующих частотах. Дисперсия для всех гармоник равна С*/2, за исключением последней, для которой эта дисперсия равна С•.
Факторный анализ проводили с использованием метода главных компонент, основанного на вычислении векторов и собственных значений ковариационной матрицы исходных данных и выполненного с построением графика «каменистой осыпи» для определения ведущих факторов и оценки матрицы факторных нагрузок.
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
результаты исследований и обсуждение
Торфяная залежь болот является достаточно мобильной системой и процессы трансформации органического вещества торфов весьма быстро реагируют на изменения условий аэрации за сравнительно короткий период [23]. Осушение приводит к практически необратимым изменениям в торфяной залежи болот. Сброс воды лишает торфяной профиль поддерживающего водного скелета, что зачастую ведет к их механической усадке и уплотнению. Активизируется также процесс биохимического разложения органического вещества торфов. Темпы биохимического разложения органического вещества торфов различны и определяются многими факторами: интенсивностью дренажа и глубиной залегания грунтовых вод, динамикой уровней болотных вод, влажностью торфяной залежи, внешним и внутренним температурным режимом, окислительно-восстановительным потенциалом [24]. Поэтому, на наш взгляд, содержание гуминовых веществ в болотных водах является одним из важных показателей интенсивности трансформации торфяной залежи болот под влиянием осушения при хозяйственном использовании и изменении климата.
Исследования содержания гуминовых веществ в болотных водах проводились за период наблюдений 2000-2011 гг. В целом данный период включает весьма контрастные по степени увлажненности и теплообес-печенности годы. Так, выделяются влажные 2001, 2002, 2004, 2009 и 2011 гг. (сумма осадков за год составила 501-626 мм), умеренно-влажные 2000, 2007, 2008 и 2010, сухие - 2003, 2005 и 2006 (сумма осадков за этот период составила 304-428 мм) (таблица). Колебания влажности торфяной залежи в слое 0-100 см отмечены в пределах от 87 до 95 %, сезонная изменчивость составляет 1-3 %. Выявлена более высокая (на 2-3 %) влажность торфяной залежи участка (точка 1) в сравнении с естественным участком исследования за пределами осушительной сети (точка 2). В результате сложившихся климатических условий амплитуда колебаний уровней болотных вод за исследуемый период достигла 82 см на точке 1 и 66 см на точке 2. На осушенном участке (точка 1) зафиксированы более низкие многолетние среднесезонные уровни болотных вод (на 1,0-6,3 см) в сравнении с естественным участком (точка 2) наблюдения.
Таблица. Годовая сумма осадков и положительных температур по данным метеостанции у с. Бакчар
Показатель 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Сумма осадков, мм Сумма положительных температур, °С 448 1953 580 2050 586 1923 385 2094 446 2058 304 1897 428 1800 501 1762 457 1828 626 1678 491 1742 527 1728
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
В последнее время отмечается тенденция увеличения уровней болотных вод в пределах осушенного пункта за счет зарастания осушительных каналов и естественного восстановления болота. Объективным условием, благоприятствующим процессам образования и разложения торфа, является температура воздуха. Среднегодовая температура в данном районе за период исследований в основном отрицательная. За 11 лет наиболее теплообеспе-ченными являются 2001, 2003 и 2004 гг., среднегодовая температура воздуха составила 0,95-1,74 °С, а сумма положительных температур 2050-2094 °С. В среднем за период исследований температура торфяной залежи в слое 0-100 см составила на точке 1,0-9,39 °С, на точке 2,0-8,62 °С. Амплитуда колебания температуры торфяной залежи от года к году составляет 3,3 °С (точка 1) и 5,7 °С (точка 2). В режиме интенсивного осушения низкая влажность торфа способствует формированию агрессивной окислительной среды (ОВП > 600 мВ), окислительно-восстановительный потенциал осушенного и естественного участков изменялся соответственно от +42,4 до +807,4 мВ (точка 1) и от +17,4 до +815,5 мВ (точка 2). В торфяной залежи на обоих участках отмечено снижение ОВП с глубиной и появление восстановительных условий. Граница смены окислительных процессов на восстановительные по сезону неоднозначна, в среднем наблюдается на глубине 30-50 см (точка 1), 70-90 см (точка 2).
В данных природно-климатических условиях формируется особый тип природных вод - болотные воды с высоким содержанием органических веществ, ионов аммония и железа. Проведенные исследования показали, что в целом болотные воды исследуемой территории характеризуются более высокими концентрациями фульвокислот - ФК (от 5,49 до 156 мг/л) и небольшими концентрациями гуминовых кислот - ГК (от 2,44 до 25,8 мг/л) (рис. 2, 3).
Статистически значимых различий между концентрациями гуминовых веществ в болотных водах исследуемых участков не обнаружено. Содержание гуминовых кислот различается незначительно и в среднем составляет 8,32±4,76 мг/л (точка 1) и 7,77±4,07 мг/л (точка 2). В сезонной динамике в болотных водах осушенного участка (точка 1), как правило, наблюдаются более высокие (на 31-42 %) концентрации гуминовых кислот в сравнении с естественным участком (точка 2), расположенном на расстоянии 500 м от осушительной системы. В течение вегетационного сезона концентрации гуминовых кислот изменяются в значительных пределах, коэффициент вариации на осушенном участке (точка 1) составил 0,57, естественном участке (точка 2) - 0,52. Содержание фульвокислот менее вариабельно: коэффициенты вариации на осушенном участке (точка 1) - 0,33, на естественном участке (точка 2) - 0,38.
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
III 2000
VI I X V» V™, V, ,х
2001 2002 2003 2004
2005
2006
2007
2008
V, ,х V, V, ,х
2009 2010 2011
Годы
Рис. 3. Изменение содержания гуминовых веществ в водах естественного участка (точка 2) за период 2000-2011 гг.
Среднемноголетние значения концентрации фульвокислот в болотных водах за вегетационный период практически не различаются между участками: 69,2±23,1 мг/л (осушенный участок) и 69,0±26,4 мг/л (естественный участок). Следует отметить, что статистический анализ с применением критериев Стьюдента, Фишера и Манна-Уитни показал достоверные различия в содержании гуминовых веществ в водах исследуемого осушенного верхового болота в сравнении с фоновым участком верхового сосново-кустарничково-сфагнового болота в бассейне р. Ключ. Сравнительный
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
анализ выявил более высокое содержание гуминовых кислот (на 14 %) и фульвокислот (на 18 %) в болотных водах исследуемого осушенного болота в сравнении с естественным болотным массивом. Поэтому можно сделать вывод, что осушение и хозяйственное использование торфяных болот способствует увеличению содержания органических веществ в болотных водах, а также, вероятно, в подземных и речных водах региона, как это было отмечено в исследованиях А.М. Плюснина и Д.И. Жамбаловой [7].
Сезонная динамика содержания гуминовых и фульвокислот в болотных водах в пределах участков отбора проб в целом весьма схожая. Анализ индексов сезонности позволил отметить формирование максимумов сезонной волны содержания гуминовых и фульвокислот в болотных вод (I = 126— 130 %) в наиболее теплообеспеченный период года (июль-август) (рис. 4). Сравнение полученных результатов с опубликованными [6, 9] показало, в целом, сходные тенденции сезонного изменения концентрации гуминовых веществ в болотных водах. Однако отмечены и некоторые отличия, вероятно, связанные с влиянием осушения, т. к. в пределах естественного болота в бассейне р. Ключ [6] наблюдается увеличение содержания гуминовых веществ летом (июль), а также в осенний период (сентябрь).
Средние концентрации гуминовых кислот и фульвокислот за период наблюдений изменяются циклично, и, в целом, в пределах исследуемого участка можно выделить циклы продолжительностью 2-4 года. Спектральный анализ (полное разложение Фурье) временного ряда показал, что в число первых четырех гармоник ряда гуминовых кислот осушенного участка (точка 1) входят периоды 12, 6, 4, 2 месяцев, описание дисперсии ряда составляет 81 %; естественного участка (точка 2) - 12, 6, 4, 2 месяцев, описание дисперсии ряда 60 %; для ряда фульвокислот осушенного участка (точка 1) входят периоды 9, 21, 5, 2 месяцев, описание дисперсии ряда составляет 65 %; фульвокислот естественного участка (точка 2) - 21, 9, 5, 2 месяцев, описание дисперсии ряда 71 %.
Первая гармоника временного ряда гуминовых кислот включает период продолжительностью 12 месяцев и обусловлена возрастанием активных температур воздуха до величин 1800-2094 °С, для фульвокислот охватывает период продолжительностью 21 месяц, который определяется наступлением влажных и умеренно-влажных лет (2002, 2009-2011 гг.), характеризующихся возрастанием количества атмосферных осадков до 586-626 мм. Вторая гармоника временного ряда гуминовых кислот представляет период продолжительностью 6 месяцев и связана с закономерным снижением суммы активных температур выше 10 °С в конце вегетационного периода в согласии с повышением уровня болотных вод при выпадении осенних дождей, затуханием процессов трансформации растительных остатков;
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
^—ФК
Рис. 4. Анализ сезонной волны содержания гуминовых и фульвокислот в болотных водах: а - осушенного участка верхового болота; б - естественного
участка верхового болота.
для фульвокислот - охватывает период продолжительностью 9 месяцев и определяется наступлением благоприятных тепло- и влагообеспеченных периодов с частотой 1 раз в два года. Третья гармоника временного ряда гуминовых веществ включает период продолжительностью 4-5 месяцев и связана с активизацией процессов разложения растительных остатков верхнего слоя торфяной залежи в середине периода вегетации. Четвертая гармоника включает периоды в два месяца, обусловлена началом вегетации и связана с устойчивым повышением температуры воздуха в весенне-летний период, снижением уровней болотных вод и активизацией процессов обмена веществ.
В ходе исследований отмечено, что максимум содержания гуминовых кислот (25,8 мг/л) на осушенном участке (точка 1) зафиксирован в июле 2005 г., когда наблюдалось умеренное количество осадков и средние температуры воздуха. Высокие концентрации гуминовых кислот (21,8 мг/л) в водах естественного участка (точка 2) наблюдения получены в августе 2003 г. при значительном (до 37 см) снижении уровней болотных вод. Максимальное содержание фульвокислот наблюдалось в сентябре 2008 г. как на естественном (156 мг/л), так и на осушенном (137 мг/л) участках.
Анализ многолетней динамики содержания органических веществ в болотных водах верхового осушенного болота выявил тенденцию снижения концентраций гуминовых и фульвокислот в болотных водах осушенного верхового болота, при этом статистически значимая тенденция, связанная с уменьшением содержания гуминовых кислот в болотных водах, характерна для естественного участка (точка 2), что, вероятно, определяется процессами восстановления болота, а также региональными закономерностями изменения температуры воздуха и количества атмосферных осадков.
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
Для анализа многолетней динамики содержания гуминовых веществ в болотных водах и прогноза возможных будущих тенденций увеличения их концентраций в условиях изменения климата был проведен корреляционный и факторный анализы. Корреляционный анализ показал отсутствие однозначных зависимостей, коэффициенты корреляции не только отличаются по величине, но и имеют разный знак в различные по степени увлажненности и теплообеспеченности годы. Известно, что температура воздуха влияет на интенсивность процессов трансформации растительных остатков, в значительной степени определяя содержание в болотных водах гуминовых веществ. Проведенный анализ выявил высокую корреляционную зависимость между содержанием гуминовых кислот в болотных водах и среднесезонной (май-сентябрь) температурой воздуха (г = 0,65-0,90). Как правило, в условиях более низких уровней болотных вод на осушенном участке (точка 1) отмечаются более высокие коэффициенты корреляции (рис. 5).
Исследования позволили выявить в отдельные годы тесную связь между содержанием в болотных водах гуминовых и фульвокислот и температурой торфяной залежи, что подтверждает выводы, сделанные в работе [12] о том, что температура торфяной залежи является наиболее важным фактором, определяющим содержание гуминовых веществ в болотных водах. Согласно проведенным в рамках данной работы исследованиям, при прогревании торфяного профиля на 2 °С на осушенном участке концентрации гуминовых кислот в воде увеличиваются в 1,29 раз. В большей степени температура торфяной залежи оказывает влияние на содержание в водах гуминовых кислот (г = 0,66-0,85). Корреляция между содержанием фульвокислот в болотных водах и температурой торфяной залежи относительно высокая, но в основном отрицательная.
Исследования выявили зависимость между суммой атмосферных осадков и содержанием гуминовых веществ в водах, которая в основном достаточно тесная для всего осушенного болота, но противоположная для осушенного (точка 1) и естественного (точка 2) участков отбора проб. В водах естественного участка, как правило, поступление атмосферных осадков приводит к снижению их концентрации при разбавлении (коэффициент корреляции в основном отрицательный, г = -0,67-0,83), а в водах осушенного участка - преимущественно к увеличению содержания гуминовых веществ (коэффициент корреляции положительный, г = 0,64-0,80). При этом отмечено увеличение концентраций фульвокислот и гуминовых кислот в водах исследуемого болота в периоды высокой водности, следующие за теплообеспеченными сезонами года. Достаточно тесная корреляционная связь в отдельные годы, также как и в работах [11, 25], отмечена между концентрацией фульвокислот в болотных водах и уровнями болотных вод
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Я2 = 0,70
Я2 = 0,80
Ряд1 -Линейная (Ряд1)
024
2 4 6 8 10
Температура торфяной залежи, 0С
6 8 10 12 14 16 18 20 22 ° Температура воздуха, °С
Рис. 5. Содержание гуминовых кислот в болотных водах осушенного участка в зависимости от температуры воздуха и торфяной залежи ^ - коэффициент
детерминации).
8
6 -
4
2
0
(коэффициент корреляции г = -0,73 и г = -0,87). Увеличение концентрации растворенных органических веществ в периоды повышения уровней болотных вод также получено рядом зарубежных исследователей [26], в т. ч. при проведении лабораторных экспериментов по оценке влияния изменений условий окружающей среды на их содержание [11]. В данных исследованиях наиболее высокая корреляция фульвокислот с уровнями болотных вод наблюдается в маловодные годы, тогда как в остальные периоды коэффициент корреляции либо меняет знак, либо эта связь ослабевает (рис. 6).
Корреляционный анализ показал, что влажность торфа влияет на содержание гуминовых веществ преимущественно в средние по влагообе-спеченности годы (рис. 7). Более тесная связь влажности торфа отмечена с концентрациями гуминовых кислот в воде (коэффициенты корреляции отрицательные и составляют г = -0,74-0,99), что говорит об обратной зависимости.
Обращает внимание отсутствие резко восстановительных условий в торфяной залежи, тесная (г = -0,72-0,99) корреляционная связь концентрации гуминовых кислот в болотных водах с окислительно-восстановительными условиями торфяной залежи и менее тесная с содержанием фульвокислот (г = 0,64). Согласно данным [11, 25], окислительно-восстановительный потенциал является показателем интенсивности биохимических реакций в торфе и играет важную роль уже после изменения условий увлажнения и температурного режима торфяной залежи.
Факторный анализ позволил выделить три основных фактора, которые на 68 % (точка 1) и на 72 % (точка 2) описывают изменчивость исходных данных (рис. 8). Для осушенного участка (точка 1) первая компонента отражает
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
R2 = 0,78
точка 1
Сточка 2
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Уровни болотных вод, см ниже СПб
120 100 80 60 40 20 0
R2 = 0,44
r2 = 0,35
• точка 1 • точка 2
200 400
Сумма атмосферных осадков, мм
Рис. 6. Содержание гуминовых веществ в болотных водах осушенного болота в зависимости от уровней болотных вод и месячной суммы атмосферных осадков по метеостанции у с. Бакчар (СПб - средняя поверхность болота).
25,0 20,0 ' 15,0 10,0 5,0 0,0
R2 = 0,97
• точка 1
• точка 2
R2 = 0,81
92,5 93,0 93,5 94,0 94,5 95,0 95,5 96,0 Влажность торфа, %
30 25 20 15 10 5
R2 = 0,62
R2 = 0,68
Сточка 1 точка 2
0 100 200 300 400
Окислительно-восстановительный потенциал, мВ
Рис. 7. Содержание гуминовых веществ в болотных водах осушенного болота в зависимости от влажности и окислительно-восстановительного потенциала
торфяной залежи.
0
0
изменения температурного режима болота, она определяет 27 % общей изменчивости, а высокие факторные нагрузки имеют температура торфяной залежи (0,80) и температура воздуха (0,74). Вторая компонента определяет 21 % общей дисперсии, определяющую роль играют количество атмосферных осадков (0,73) и собственно концентрации фульвокислот (0,66).
Третья компонента определяет 20 % общей изменчивости, а высокую нагрузку имеют концентрации гуминовых кислот (0,84), которые объединяются с уровнями болотных вод (-0,65) в один фактор, показывая, что осушение влияет на увеличение гуминовых кислот в болотных водах.
В пределах естественного участка (точка 2) первая компонента определяет 28 % дисперсии - ведущее влияние на фактор оказывают температура
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
торфяной залежи (0,76) и уровень болотных вод (0,63). Вторая компонента определяет 25 % общей изменчивости и имеет высокую факторную нагрузку температуры воздуха (-0,67), которая объединяется с концентрациями гуминовых кислот (-0,70) в единый фактор. Третья компонента определяет изменчивость процессов формирования состава болотных вод всего на 19 %, а наибольшую нагрузку имеют сумма атмосферных осадков (-0,73) и содержание в болотных водах фульвокислот (-0,54). Проведенный факторный анализ позволил подтвердить отмеченные выше закономерности корреляционного анализа, показав, что ведущим фактором, определяющим количество гуминовых кислот в болотных водах, является температурный режим, а фульвокислот - степень влагосодержания торфяной залежи болот.
X осадки УБВ
Ч
____________Ч ^ * * \
; /
ФК тоД|(а 2 \ ГК тс^ка 2 N 1 \ Т\озд ,
-0.5 0.0 0.5
РасЬн 1 : 28,36%
Рис. 8. Факторный анализ формирования концентраций гуминовых веществ в болотных водах. Переменные, формирующие факторы: УБВ - уровень болотных вод, см; Х осадки - суммарное количество атмосферных осадков за месяц, мм; Твозд - среднемесячная температура воздуха, °С; Ттз100 - средняя температура торфяной залежи в слое 0-100 см, °С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы установлено, что торфяная залежь является многокомпонентной и достаточно мобильной системой и весьма быстро реагирует на изменение условий окружающей среды. Анализ многолетней динамики содержания гуминовых веществ в болотных водах верхового осушенного болота выявил некоторую цикличность изменения гуминовых и фульвокислот за исследуемый период, в целом в пределах исследуемого участка можно выделить циклы продолжительностью 2-4 года, которые согласуются с изменением суммы активных температур, что под-
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
тверждается результатами спектрального анализа. Анализ поведения временного ряда с помощью спектрального анализа (полного разложения Фурье) показал, что в число первых четырех гармоник ряда гуминовых кислот входят периоды 12, 6, 4, 2 месяца, фульвокислот - 21, 9, 5, 2 месяца, описание дисперсии ряда составило от 65 до 81 %.
Анализ многолетней динамики содержания органических веществ в болотных водах верхового осушенного болота показал снижение концентраций гуминовых и фульвокислот в болотных водах осушенного верхового болота, статистически значимая тенденция характерна только для концентраций гуминовых кислот естественного участка (точка 2). В сезонной динамике отмечено закономерное увеличение гуминовых веществ в болотных водах в наиболее теплообеспеченный период года (июль-август). Корреляционный анализ позволил установить четкую зависимость между количеством гуминовых кислот и окислительно-восстановительным потенциалом торфяной залежи: при переходе от окислительных к восстановительным условиям концентрация гуминовых кислот возрастает. Весьма тесная связь в отдельные годы отмечается между содержанием гуминовых веществ в воде и уровнями болотных вод, влажностью торфа, температурой торфяной залежи, температурой воздуха и атмосферными осадками, что в целом согласуется с опубликованными ранее данными [11, 12, 25] и др. При этом лимитирующим фактором, определяющим количество гуминовых кислот в болотных водах, является температурный режим, фульвокислот -степень влагосодержания торфяной залежи болот, что подтверждается проведенным факторным анализом с применением метода главных компонент. Фульвокислоты по сравнению с гуминовыми кислотами хорошо растворимы и легко мигрируют как в форме свободных кислот, так и в составе различных соединений. В засушливые периоды происходит образование и накопление гуминовых веществ в торфяной залежи болот, а поступление их в болотные воды осуществляется при выпадении атмосферных осадков и увеличении уровня болотных вод.
Отмечено, что процессы трансформации органического вещества торфа достаточно быстро реагируют на осушительные мероприятия вследствие изменений условий аэрации торфяной залежи за сравнительно короткий период. Поэтому в результате осушения верхового болота произошло увеличение интенсивности трансформации растительных остатков и органического вещества торфа и соответственное повышение концентрации гуминовых веществ в болотных водах. В сравнении с фоновым естественным участком верхового сосново-кустарничково-сфагнового болота в бассейне р. Ключ увеличение концентраций гуминовых кислот произошло на 14, фульвокислот -на 18 %. Таким образом, хозяйственное использование торфяных болот, по-
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
вышение температуры воздуха и количества атмосферных осадков при изменении климата будут способствовать увеличению содержания органических веществ в болотных водах, а также, вероятно, в подземных и речных водах региона. Однако болота, согласно [27], являются весьма устойчивыми природными образованиями, в настоящее время на исследуемом участке лесомелиорации отмечается процесс естественного восстановления при интенсивном зарастании осушительных каналов, что в перспективе будет способствовать снижению концентраций гуминовых веществ в болотных водах и водах рек-водоприемников. Поэтому мониторинг содержания гуминовых веществ в водах болот особенно важен в условиях природно-климатических изменений для сохранения качества вод в регионе.
список литературы
1. Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Комаров А.И., Кусков А.И. Структура и динамика поля температуры в районе Большого Васюганского болота // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2002. С. 111-122.
2. Ромашова Т.В. Климатические изменения на юге Томской области в глобальном контексте // Актуальные проблемы экологии и природопользования Сибири в глобальном аспекте. Томск. 2007. С. 334-337.
3. Черняев А.М., Черняева Л.Е., Еремеева М.Н. Гидрохимия болот. Л.: Гидроме-теоиздат, 1989. 429 с.
4. Шварцев С.Л., Рассказов Н.М., Сидоренко Т.Н., Здвижков М.А. Геохимия природных вод района Большого Васюганского болота. Большое Васюганское болото // Современное состояние и процессы развития. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2002. С. 139-149.
5. Савичев О.Г. Химический состав болотных вод Томской области (Россия) в естественном и нарушенном состояниях // Торф в решении проблем энергетики, сельского хозяйства и экологии. Минск, 2006. С. 242-245.
6. Инишева Л.И., Юдина Н.В., Соколова И.В. Динамика углеродсодержащих соединений в водах олиготрофного болота // Вестник ТГПУ. 2013. 8(136). С. 126-130.
7. Плюснин А.М., Жамбалова Д.И. Влияние мелиорации на экологическое состояние поверхностных и подземных вод Усть-Селегинской впадины // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2013. № 5. С. 399-404.
8. Marin L.E., Kratz T.K., Bowser C.J. Spatial and temporal patterns in the hydrogeochemistry of a poor fen in northern Wisconsin, USA // Biogeochemistry. 1990. 11. P. 63-76.
9. Moore T.R. Patterns of dissolved organic matter in subarctic peatlands // Earth Surface Processes and Landforms. 1987. Vol. 12. Issue 4. July/August. P. 387-397.
10. Strack M., Waddington J.M., Bourbonniere R A., Buckton E.L., Shaw K., Whittington P., Price J.S. Effect of water table drawdown on peatland dissolved organic carbon
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
export and dynamics // Hydrological Processes. 2008. Vol. 22. Issue 17. August. P. 3373-3385.
11. ClarkJ.M., Ashley D., WagnerM., Chapman P.J., Lane S.N., Evans C.D, HeathwaiteA.L. Increased temperature sensitivity of net DOC production from ombrotrophic peat due to water table draw-down // Global Change Biology. 2009. Vol. 15. Issue 4. April. P. 794-807.
12. D'Amore D.V., Fellman J.B., Edwards R.T. and HoodE. Controls on dissolved organic matter concentrations in soils and streams from a forested wetland and sloping bog in southeast Alaska // Ecohydrology. 2010. Vol. 3. Issue 3. September. P. 249-261.
13. Olefeldt D., Roulet N.T. Effects of permafrost and hydrology on the composition and transport of dissolved organic carbon in a subarctic peatland complex // J. of Geophysical Research 2012. 117. P. 1-15.
14. Иванова Е.С., Харанжевская Ю.А., Воистинова Е.С. Многолетняя динамика содержания гуминовых веществ в водах низинного болота в южно-таежной подзоне Западной Сибири // Вестник ТГУ. Биология. 2012. № 2 (18). С. 7-16.
15. Гашкова Л.П. Оценка влияния осушения олиготрофного болота на основе современного состояния фитоценоза и ботанического состава торфяной залежи // X Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Томск: Изд-во Аграф-Пресс, 2013. С. 191-193.
16. Гашкова Л.П., Синюткина А.А. Оценка трансформации осушенного верхового болота (на примере участка Бакчарского болотного массива) // Вестник ТГУ. Биология. 2015. № 1 (29). С. 164-179.
17. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Наука, 1973. 376 с.
18. Инишева Л.И., Юхлин В.И., Зелингер Ф.Ф. Определение ОВП почв прибором ЭСК-1. Томск: Томский ЦНТИ, 1975. № 35-75. 2 с.
19. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1990. Вып. 8. 201 с.
20. Чекотовский Э.В. Графический анализ статистических данных в Microsoft Excel 2000. М.: Изд. дом «Вильямс», 2002. 464 с.
21. ДубровскаяЛ.И., Кужевская И.В. Анализ и прогнозирование гидрометеорологических данных в пакете «STATISTICA»: учебно-метод. комплекс. [Электронный ресурс]. Томск: ИДО ТГУ, 2007.
22. Халяфян А.А. STATISTIC А 6. Статистический анализ данных. 3-е изд. М: ООО «Бином-Пресс», 2007. 512 с.
23. Ефремова Т.Т. Почвообразование и диагностика торфяных почв болотных экосистем // Почвоведение. № 12. 1992. С. 25-35.
24. Зайдельман Ф.Р., Батраков А.С., Шваров А.П. Изменение физических свойств торфяных почв после внесения песка разными способами // Почвоведение. 2005. № 2. С. 218-230.
25. Kane E.S., Turetsky M.R., Harden J.W., McGuire A.D., Waddington J.M. Seasonal ice and hydrologic controls on dissolved organic carbon and nitrogen concentrations in a boreal-rich fen // J. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2010. Vol. 115. Issue G4. December. Р. 2005-2012.
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
26. Köhler S.J., Buffam I., Laudon H., Bishop K.H. Climate's control of intra-annual and interannual variability of total organic carbon concentration and flux in two contrasting boreal landscape elements // J. of Geophysical Research: Biogeosciences. 2008. Vol. 113. Issue G3. September. Р. 2005-2012.
27. Иванов К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.
Сведения об авторах:
Харанжевская Юлия Александровна, канд. геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник, Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа - филиал Сибирского федерального научного центра агробио-технологий РАН; доцент, кафедра гидрологии, Национальный исследовательский Томский государственный университет; Россия, 634050, г. Томск, Гагарина, 3; e-mail: kharan@yandex.ru
Иванова Екатерина Сергеевна, младший научный сотрудник, Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа - филиал Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН; Россия, 634050, г. Томск, Гагарина, 3; e-mail: ivanova_e_s@bk.ru
Воистинова Елена Сергеевна, научный сотрудник, Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа - филиал Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН; Россия, 634050, г. Томск, Гагарина, 3; e-mail: elenavoistinova@yandex.ru
Водное хозяйство России № 1, 2017 г.
