Основными биоценозами материковых территорий западного сегмента Арктики являются торфяно-болотные экосистемы, а именно бедные питательными веществами верховые сфагновые болота. Торфяники являются эффективным осадочным барьером для микроэлементов. Основные пути поступления металлов в торфяную массу омбротрофных болот представляют собой атмосферные осадки, аэрозоли и воздушную пыль [1]. По этой причине залежи верхового торфа являются геохимически автономными ландшафтами [2] и лучше всего подходят для регистрации природных и антропогенных частиц в воздухе [1]. Основной вклад в изобилие тяжелых металлов в окружающей среде вносят антропогенные источники, а именно сжигание ископаемого топлива, промышленное производство, добыча и переработка руды и сжигание городских и промышленных отходов.
В настоящей работе проводилось исследование двух районов Архангельской области: Черноозерская площадь, представляющая собой удаленный от антропогенных воздействий участок, и участок у поселка Рикасиха, подверженный значительному антропогенному загрязнению как со стороны п. Рикасиха, так и приносимыми атмосферными потоками от г. Северодвинска. Цель исследования: изучение физико-химических параметров и оценка накопления и распределения металлов в торфяных залежах западного сегмента Арктики.
Материалы и методы исследования
Образцы торфа были взяты в районе Черноозерской площади (профиль 1: шифр ТВ-1, 31 глубинный горизонт, глубина до 66 см, N 64.5189 °, E 40.0623 °, дата отбора 24.05.2018) и в районе п. Рикасиха (профиль 2: шифр Тd-1, 30 глубинных горизонтов, глубина до 60 см, N 65.6441 °, E 41.3580 °, дата отбора 1.10.2018) (Архангельская обл.) (рис. 1). Колонки торфа извлекались с помощью ПВХ трубы. Торф высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 °C.
Оценку активной и обменной кислотности торфа осуществляли согласно ГОСТу [3] путем потенциометрического измерения pH суспензии на анализаторе жидкостей Эксперт 001-3 (Эконикс, Россия) с применением комбинированного стеклянного электрода.
Определение содержания водорастворимых солей проводили на анализаторе жидкостей АНИОН 4100 (Инфраспак-Аналит, Россия) с использованием кондуктометрического датчика согласно ГОСТ [4].
Определение массовой доли карбонатов проводили следующим образом. Навеску торфа (msample) помещали в тигель, доведенный до постоянной массы при 900 °С. Далее последовательно прокаливали тигель с пробой при 525 °С и 900 °С до постоянной массы. Расчет ППП (LOI), % и ω (CO32- ), % проводили по формулам
где m525 – масса тигля с пробой после прокаливания при 525 °С; m900 – масса тигля с пробой после прокаливания при 900 °С; ma.d.m. – масса сухой пробы, рассчитанная по формуле
Коэффициент пересчета =
= 
где W – влажность пробы торфа в %, LOI – потери при прокаливании в %.
Определение массовой доли металлов Na, Mg, Al, Si, Fe, Ti и Cr проводили методом рентгенофлуоресцентного анализа на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-8000 (Shimadzu, Япония).
Определение массовой доли металлов Zn, Pb, Ni, Mn, Sr, Cu, V, Mo, Co, Cd и As проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на атомно-абсорбционном спектрометре AA-7000 (Shimadzu, Япония) согласно методике [5].
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно полученным данным (рис. 2), исследуемый торф можно отнести к малозольному типу, поскольку величина зольности в основном не превышает 5 %. Тенденция снижения зольности при движении вниз по профилю объясняется атмосферным типом питания. В слое 6–18 см зафиксированы повышенные значения зольности (до 4,1 % и 7,8 % для профилей 1 и 2 соответственно), вероятно, обусловленные вымыванием элементов с поверхности или же временным антропогенным воздействием [6].
Величина показателя активной кислотности несущественно отличается для различных горизонтов и находится в интервале pH 3,17–3,89. Обменная кислотность находится в области пониженного значения pH (2,40–3,05 ед.). Исследуемый торф можно отнести к сильнокислой группе, поскольку значения рН ниже 4,5 единиц. Содержание водорастворимых солей в торфе находится в интервале 0,8–3,0 мг/г и 1,5–4,1 мг/г. Профиль 1 характеризуется более однородным распределением солей, но имеет максимумы содержания в поверхностном и придонном горизонтах, что, по-видимому, связано с поступлением солей из атмосферы и от минерального дна болота. Значения pH и минерализации позволяют отнести данные залежи к кислой окислительной фации олиготрофных торфяников, характерной для таежных ландшафтов [7]. Массовая доля карбонатов в торфе незначительна и находится в интервале 0,06–0,30 %. Для обоих разрезов характерно снижение содержания карбонатов по профилю, обусловленное их поступлением из атмосферы.
Таким образом, динамика изменения физико-химических показателей по глубине профилей залежей имеет как общие, так и некоторые отличительные черты, связанные с особенностями формирования и функционирования залежей (геохимическими и геоклиматическими параметрами) и уровнем антропогенного воздействия.
Исследование содержания металлов в торфе позволило выявить некоторые особенности их накопления. Так в верхних слоях торфа Черноозерской площади наблюдаются повышенные концентрации Ca, Mn, Mg, Zn и Cr (рис. 3), вероятно, связанные с поступлением частиц кимберлита, источниками которого выступают разработки месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова и трубки В. Гриба. Для распределения металлов в торфе с района п. Рикасиха (рис. 4) можно отметить некоторые тенденции: для ряда элементов (Si, Fe, Al, Ti, Pb, Zn, V, Ni, Cu, Co, Mo, Cd) наблюдаются высокие концентрации на глубине 6–14 см, в то время как для другой группы металлов (Ca, Na, Mg, Cr) максимальное содержание выявлено на горизонтах 36–44 см.
Рис. 1. Карта отбора проб торфа
Рис. 2. Физико-химические параметры профилей торфа
Рис. 3. Концентрация металлов (мг/кг) в профиле торфа Черноозерской площади
В исследуемых профилях торфа наблюдается повышенное содержание Na, Ca и Mg в поверхностном слое (9500 мг/кг, 26000 мг/кг, 5000 мг/кг соответственно), что может быть обусловлено их миграцией к корням растений [8]. Распределения Na, Ca и Mg аналогичны друг другу, что говорит об общем источнике поставки в виде атмосферных осадков. Для торфа, отобранного у п. Рикасиха, повышенное содержание Na и Mg объясняется близостью Белого моря к месту отбора торфа.
Источником Fe и Mn в основном является атмосферная почвенная пыль. Высокое содержание данных металлов в поверхностных слоях торфа образуется за счет обогащения оксидами и их дальнейшего выщелачивания [9]. Распределение Fe для обоих разрезов схоже (скачок концентрации при 8–18 см), но для разреза 1 содержание данного металла больше. Алюминий, титан, кремний и стронций – элементы литогенной природы, и в омбротрофные болота они поставляются из атмосферной пыли за счет эрозии почвы, но антропогенное воздействие также может быть источником [10]. Торф профиля 1 характеризуется высокой максимальной концентрацией Ti, Al, Si и Fe на глубине 8–12 см (2330 мг/кг, 14200 мг/кг, 33300 мг/кг, 33700 мг/кг соответственно). Профили данных элементов схожи друг с другом, что позволяет сделать вывод о едином источнике загрязнения, вероятно связанном с периодом массового использования угольного топлива. Содержание Zn в торфе связано как с деятельностью человека, так и с накоплением растениями [11], что объясняет высокую концентрацию Zn в верхних слоях торфа у обоих профилей (41 мг/кг и 28 мг/кг соответственно). Повышенное содержание Cu в поверхностном слое торфа может быть связано с образованием сильных комплексов оксидов Cu с гуминовыми кислотами [12]. Также можно отметить, что в торфе, отобранном у п. Рикасиха, максимальная концентрация Ni в 2 раза выше по сравнению с торфом Черноозерской площади.
Источниками Cr, Cd, Co, As и V являются антропогенные выбросы в результате промышленного производства и сжигания ископаемого топлива [13]. Высокие значения концентраций данных металлов в верхней части торфа, отобранного у п. Рикасиха (6 мг/кг для Ni, 2,2 мг/кг для Со, 4,6 мг/кг для Cu, 0,111 мг/кг для Сd, 0,28 мг/кг для As и 7,6 мг/кг для V), говорит о недавнем загрязнении, вероятно, за счет промышленного производства в г. Северодвинске. Также необходимо отметить загрязнение разреза 2 хромом (150 мг/кг) и высокую концентрацию Cd (0,261 мг/кг) в верхнем горизонте торфа Черноозерской площади.
Рис. 4. Концентрация металлов (мг/кг) в профиле торфа, отобранного у п. Рикасиха
Элементы в земной коре и их максимальные концентрации в исследуемом торфе
|
Элемент |
Земная кора [14] |
Профиль 1 |
Профиль 2 |
Элемент |
Земная кора [14] |
Профиль 1 |
Профиль 2 |
||
|
мг/кг |
мг/кг |
||||||||
|
Ca |
41500 |
22430 |
30740 |
Ni |
84 |
2,54 |
6,10 |
||
|
Na |
23600 |
9460 |
17300 |
Mn |
950 |
570 |
145 |
||
|
Mg |
23300 |
4650 |
15570 |
Sr |
370 |
19,3 |
23,7 |
||
|
Al |
82300 |
9310 |
14200 |
Cu |
60 |
3,97 |
4,70 |
||
|
Si |
228000 |
18510 |
30840 |
V |
120 |
3,61 |
7,56 |
||
|
Fe |
56300 |
33680 |
27350 |
Mo |
1,2 |
0,48 |
0,32 |
||
|
Ti |
5650 |
810 |
2330 |
Co |
25 |
1,10 |
2,21 |
||
|
Cr |
102 |
28,1 |
150 |
Cd |
0,15 |
0,26 |
0,11 |
||
|
Zn |
70 |
40,7 |
36,2 |
As |
1,8 |
0,32 |
0,28 |
||
|
Pb |
14 |
7,05 |
21,0 |
– |
– |
– |
– |
||
Проведенные исследования показали схожее концентрационное распределение Pb по обоим разрезам торфа. Максимум концентрации Pb на глубине 6–16 см свидетельствует о временном антропогенном воздействии. Стоит отметить, что в торфе, отобранном у п. Рикасиха, максимальная концентрация Pb выше в 3 раза по сравнению с торфом Черноозерской площади (21,3 мг/кг и 7,1 мг/кг соответственно).
Можно предположить, что в торфе Черноозерской площади находится Mo природного происхождения (концентрация до 0,48 мг/кг). Однако максимум концентрации для торфа, отобранного у п. Рикасиха, позволяет сделать вывод о временном загрязнении данного района Mo, вероятно, за счет сжигания угля (концентрация до 0,32 мг/кг).
Для оценки степени загрязнения торфа, необходимо сравнить содержание элементов с их естественной концентрацией в земной коре (индекс экологического риска RI). Согласно Lide [14] (таблица) при величине показателя RI ниже единицы можно говорить о низкой степени загрязнения, при 1–3 – умеренном и 3–6 – сильном.
В основном содержание элементов в исследуемых образцах соответствует низкой степени загрязнения. Для торфа Черноозерской площади наблюдается умеренное современное загрязнение Cd, а для торфа, отобранного у п. Рикасиха, присутствует умеренное загрязнение Cr и Pb, происходившее в разные хронологические периоды. Однако при сравнении максимального содержания металлов и характера их распределения для двух разрезов торфа можно сделать вывод, что торф, отобранный у п. Рикасиха, значимо загрязнен Ti, Cr, Pb, Ni, V и Co, а также содержит повышенные концентрации Al, Si и Cu.
Заключение
Проведены исследования физико-химических характеристик и оценка накопления и распределения металлов в торфяных залежах западного сегмента Арктики. Согласно полученным данным исследуемые верховые болота можно отнести к малозольному типу и к кислым окислительным фациям олиготрофных торфяников. Показано, что антропогенная активность существенно влияет на накопление металлов в торфе. Обнаружены повышенные концентрации элементов, таких как Ti, Cr, Pb, Ni, V, Co, Cd, Al, Si и Cu, что свидетельствует о загрязнении атмосферы промышленными выбросами как в прошлом, так и в настоящем. Исследования показали необходимость мониторинга содержания металлов в торфяниках Архангельской области для оценки интенсивности антропогенного загрязнения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и БРФФИ в рамках научного проекта № 19-55-04001.