На территории России находится свыше 40% мировых запасов торфа, а Архангельская область относится к одним из наиболее богатых торфяными ресурсами регионов Северо-Запада РФ [1]. Кроме того, территория Архангельской области частично входит в Арктическую зону России [2], которая на государственном уровне напрямую связана с планами интенсивного освоения Северных территорий страны. Вместе с тем торф – уникальный возобновляемый природный ресурс, который может быть использован не только в таких широко распространенных направлениях, как сельское хозяйство и энергетика, но и как источник ценных биологически активных соединений [3].
Известно, что процесс торфообразования зависит от комплекса природных факторов: климата, строения земной коры, почвенных условий, рельефа и характера растительности. При этом разные природные условия приводят к образованию торфа с различными свойствами, которые могут быть целенаправленно использованы в определенных отраслях народного хозяйства [4]. Таким образом, изучение химического состава торфа Архангельской области позволит оценить особенности торфяного сырья региона и предложить возможные варианты переработки торфа с учетом требований рационального природопользования.
Цель исследования: анализ особенностей группового химического состава органической части торфа, сформированного в различных районах Архангельской области (в пределах Арктической зоны РФ).
Материал и методы исследования
В качестве объектов исследования были выбраны три торфяных болота, расположенные в различных районах Архангельской области в пределах Арктической зоны РФ: Иласское болото в Приморском районе, болото Большой Мох в Онежском районе и Трофимовское болото в Мезенском районе (рисунок). Выбор объектов исследования обусловлен различиями в климатических характеристиках (средние годовые температуры, количество осадков, преобладающие направления ветров), геологических условиях (наличие водонепроницаемых пород), особенностях рельефа и характере растительности. Например, анализ климатических характеристик показал, что на исследуемых территориях с востока на запад происходит снижение среднемноголетних температур и увеличение количества выпадающих осадков. Также в исследуемых районах отличаются направления ветров и их скорость. Подробные описания объектов исследования и их характеристик приведены в [5].
Отбор проб торфа проводили в летние полевые сезоны 2019-2022 гг. методом послойного бурения торфяным буром P 04.09 (EIJKELKAMP, Нидерланды). Подготовка торфа к дальнейшим анализам включала в себя сушку до воздушно-сухого состояния, а затем фракционирование на сите с диаметром ячеек 2 мм. Для отбора проб выбирали типичные для каждого болота элементы микрорельефа, расположенные ближе к центру болотной фации. На каждом болоте в соответствии с [6] было отобрано по 3 колонки торфа, каждую из которых визуально разделяли на однородные слои (торф одинакового цвета, структуры и консистенции составляет один слой). Анализ проводили для каждого слоя отдельно, полученные данные усредняли математически.
Объекты исследования в пределах Архангельской области: 1 – болото Большой Мох (Онежский район); 2 – Иласское болото (Приморский район); 3 – Трофимовское болото (Мезенский район)
Определение группового химического состава проводили по аттестованной методике [7], основанной на последовательном выделении из торфа отдельных групп веществ экстракцией различными растворителями и их количественном определении гравиметрическим методом. Подробное описание методики приведено в работе [8]. Определение влажности и зольности торфа проводили по стандартным методикам. Влажность – путем высушивания навески торфа в сушильном шкафу при температуре 105 ± 5 °С до постоянной массы, а зольность – при прокаливании навески торфа в муфельной печи при температуре 800 °С. Статистическую обработку полученных результатов проводили средствами Microsoft Excel и Statistica 13.5. Для подтверждения достоверности различий в групповом химическом составе торфа трех болот рассчитывали критерий Краскела-Уоллеса – непараметрический тест, который является аналогом однофакторного дисперсионного анализа для независимых выборок и служит для определения достоверности различий между несколькими выборками. Различия считаются достоверными, если значение уровня значимости критерия не превышает принятого порога 0,05 [9].
Результаты исследования и их обсуждение
Исследуемые торфяные болота относятся к верховому типу. На территории Иласского и Трофимовского болот верховой торф располагается по всей глубине залежи и имеет достаточно однородный ботанический состав, сложенный в основном из сфагновых мхов с различными примесями. В Онежском районе верхние слои залежи сложены верховым сфагновым торфом с низкой степенью разложения, а нижние – переходным торфом с заметным присутствием осоковых и древесных остатков. При этом наблюдаются характерные для переходного торфа черты: увеличение степени разложения (до 50%), зольности (более 20%) и значений рН [5].
Торф каждого из трех болот имеет примерно одинаковую естественную влажность, которая несколько снижается с глубиной. В верхних горизонтах влажность изменяется в пределах 90-93%, а в нижних – 85-89%. Средние значения зольности в верхней части залежи для всех площадок примерно равны 1%. Для Трофимовского болота зольность торфа практически не меняется и составляет 1,1-1,2% по всей глубине залежи. На Иласском болоте, по сравнению с верхним слоем залежи (0,9%), содержание золы увеличивается примерно в 2 раза на глубине около 3 м (1,8%). В торфе, отобранном на болоте Большой Мох, происходит значительное увеличение зольности по всему торфяному профилю от 1,1% в верхнем слое до 21,9% на глубине 3 м.
Из торфа были выделены и количественно определены такие группы веществ, как водорастворимые (ВРВ) вещества, битумы (Б), гуминовые (ГК) и фульвовые кислоты (ФК), легко- и трудногидролизуемые вещества (ЛГВ и ТГВ), а также лигнин (Л) – негидролизуемый остаток. Средние (арифметические) значения содержания этих групп веществ в % на абсолютно сухую массу торфа со среднеквадратичным отклонением приведены в таблице 1.
Таблица 1
Групповой химический состав органической части торфа
|
Глубина, см |
ВРВ, % |
Б, % |
ГК, % |
ФК, % |
ЛГВ, % |
ТГВ, % |
Л, % |
|
Болото Большой Мох (Онежский район) |
|||||||
|
0-110 |
1,2 ± 0,1 |
2,3 ± 0,4 |
11,4 ± 0,2 |
6,3 ± 0,5 |
50,3 ± 1,3 |
11,8 ± 0,8 |
17,9 ± 0,7 |
|
110-180 |
1,1 ± 0,1 |
7,9 ± 1,8 |
30,0 ± 2,1 |
3,3 ± 0,3 |
19,6 ± 1,8 |
3,9 ± 0,1 |
35,3 ± 1,6 |
|
180-300 |
1,1 ± 0,1 |
3,3 ± 1,2 |
27,7 ± 2,2 |
3,5 ± 0,3 |
23,8 ± 3,3 |
3,7 ± 0,6 |
38,0 ± 3,3 |
|
Трофимовское болото (Мезенский район) |
|||||||
|
0-100 |
1,4 ± 0,1 |
2,5 ± 0,2 |
14,5 ± 1,0 |
5,5 ± 0,3 |
48,4 ± 1,1 |
10,5 ± 1,8 |
18,6 ± 1,3 |
|
100-150 |
2,0 ± 0,3 |
4,4 ± 0,5 |
24,6 ± 1,0 |
3,3 ± 0,8 |
37,1 ± 1,1 |
8,5 ± 0,7 |
22,1 ± 0,5 |
|
Иласское болото (Приморский район) |
|||||||
|
0-270 |
1,9 ± 0,3 |
4,5 ± 0,8 |
13,2 ± 1,8 |
5,7 ± 0,7 |
45,5 ± 3,3 |
12,8 ± 0,3 |
18,2 ± 0,6 |
|
270-350 |
0,9 ± 0,2 |
6,1 ± 0,2 |
22,4 ± 0,9 |
6,2 ± 0,3 |
27,0 ± 2,6 |
8,6 ± 1,2 |
29,8 ± 1,3 |
Таблица 2
Значения критерия Краскела-Уоллеса
|
Группа веществ |
Значение критерия при уровне значимости 0,05 |
|
Верхние горизонты (0-110, 0-100, 0-260 см) |
|
|
Битумы |
0,0033 |
|
Гуминовые кислоты |
0,0338 |
|
Легкогидролизуемые вещества |
0,1034 |
|
Лигнин |
0,6449 |
|
Нижние горизонты (180-300, 100-150, 260-350 см) |
|
|
Битумы |
0,0023 |
|
Гуминовые кислоты |
0,0013 |
|
Легкогидролизуемые вещества |
0,0015 |
|
Лигнин |
0,0005 |
ВРВ (в нашем случае это вещества, растворимые в горячей воде) состоят в основном из низкомолекулярных соединений фенольной природы и полисахаридов. Доля этих соединений в торфе, особенно верховом, как правило, невелика. Количество ВРВ в торфе незначительно отличается для трех болот и в среднем варьируется в пределах от 0,9 до 2%. Содержание этой группы веществ не меняется по глубине залежи на болоте Большой Мох, снижается на Иласском болоте, а на Трофимовском болоте – возрастает.
Значительные различия отмечаются в содержании битумной (липидной) части торфа. Битумы представляют собой вещества, извлекаемые органическими растворителями (спиртом, эфиром, бензином, ацетоном и пр.). С химической точки зрения в состав битумов входят сложные эфиры (жиры и растительные масла), смеси высокомолекулярных одноатомных спиртов (воски) и высокомолекулярных кислот и эфиров этих спиртов. Содержание битумов варьируется в пределах от 2,3 до 7,9% в торфе Онежского района, от 2,5 до 4,4% в торфе Мезенского района и от 4,5 до 6,1% в торфе Приморского района. Причем для Иласского и Трофимовского болот с увеличением глубины залегания увеличивается содержания битумов. В торфе болота Большой Мох содержания битумов достигает максимума (7,9%) в горизонте 110-180 см, а затем вновь снижается.
Гуминовые вещества – специфические соединения, которые образуются в процессе торфообразования. Они обладают способностью растворяться в щелочи и осаждаться кислотами. Обычно увеличение в торфе гуминовых веществ сопровождается снижением ЛГВ и ТГВ. Поскольку формирование торфа – это длительный процесс с постоянно изменяющимися условиями окружающей среды, содержание ГК и ФК значительно изменяется с глубиной залегания торфа. Наибольшее количество ГК отмечается в торфе Онежского района – 30%. По глубине залегания торфа содержание этой группы веществ находится в пределах 11,4-30,0% для болота Большой Мох, 14,5-24,6% для Трофимовского болота и 13,2-22,4% для Иласского болота. ФК, в отличие от ГК, неравномерно распределены по глубине торфяной залежи трех болот. Снижение содержания ФК с глубиной происходит в торфе Онежского и Мезенского районов, а в торфе Приморского района – наоборот. По показателю глубины гумификации (СГК:СФК) все исследуемые торфы, кроме самого верхнего горизонта торфа Онежского района, относятся к гуматному типу – СГК:СФК > 2. Горизонт торфа 0-110 см болота Большой Мох относится к фульватно-гуматному типу – СГК:СФК = 1,8 [10].
К легкогидролизуемым соединениям относятся вещества, растворимые в воде только после гидролиза слабыми кислотами: пентозы, гексозы, уроновые кислоты, азотсодержащие вещества белковой природы. К трудногидролизуемым веществам относят целлюлозу, которая подвергается гидролизу под действием концентрированных кислот. Доля ЛГВ и ТГВ в целом снижается в торфе каждого болота с увеличением глубины залегания, что свидетельствует о протекании гумификации растительных остатков и образовании гуминовых веществ за счет распада биодоступных соединений. Количество ЛГВ в торфе Онежского района варьируется от 19,6 до 50,3%, от 37,1 до 48,4% – в торфе Мезенского района и от 27,0 до 45,5% – в торфе Приморского района. Закономерно, снижение доли ЛГВ и ТГВ в торфе с глубиной приводит к увеличению негидролизуемого остатка (лигнина). Причем в данном случае отличий по содержанию лигнина в торфе трех болот не отмечается.
Таким образом, при сравнении средних значений содержания групп веществ было выявлено, что химический состав органической части торфа исследуемых болот различается (в том числе и с глубиной залегания торфа) по содержанию практически всех компонентов. Для подтверждения достоверности этих различий был применен непараметрический критерий Краскела-Уоллеса (табл. 2).
Результаты расчета показали, что значение критерия не превышает уровня значимости 0,05 для гуминовых кислот и битумов верхних горизонтов торфа, а для нижних горизонтов – для всех проанализированных групп веществ (битумы, гуминовые кислоты, легкогидролизуемые вещества, лигнин). Это свидетельствует о существовании статистически значимых отличий в содержании этих компонентов [9].
Таким образом, проведенные исследования показали, что торф, сформированный в различных районах Архангельской области, различается по химическому составу органической части. При этом в ранее проведенных исследованиях было отмечено, что верховой торф Приморского и Мезенского районов отличается однородностью ботанического состава и низкой степенью разложения, в то время как торф Онежского района представлен как верховым сфагновым торфом, обладающим такими же свойствами, так и переходным торфом средней и высокой степени разложения [5]. В данной работе были выявлены также отличия в содержании таких важных компонентов, как битумы и гуминовые кислоты – наибольшее количество этих групп веществ выявлено в торфе Онежского района.
Вместе с тем известно, что верховой сфагновый торф обладает высокой степенью пористости, влагоудерживающей и поглотительной способностью. Это позволяет рассматривать его как перспективный ресурс для получения сорбентов различного назначения [11-13]. Помимо сорбентов, специфические свойства торфа востребованы при культивировании овощных и цветочных культур, при этом полезны не только его поглотительные способности, но и антисептические свойства [14]. Переходный торф наиболее выгодно применять в сельском хозяйстве, так как он обладает меньшей кислотностью, содержит большее количество питательных элементов и, соответственно, требует меньших затрат на его улучшение (известкование, насыщение минеральными компонентами). Повышенное содержание битумов и гуминовых кислот делает переходный торф более выгодным ресурсом для целенаправленного выделения этих компонентов.
Заключение
В работе проанализирован групповой химический состав органической части торфа болот, сформированных в различных районах Архангельской области. Из торфа были выделены и количественно определены такие компоненты, как водорастворимые вещества, битумы, гуминовые и фульвовые кислоты, легко- и трудногидролизуемые вещества, лигнин. Статистическая обработка полученных результатов показала, что существуют достоверные отличия в содержании практически всех групп веществ, что свидетельствует о влиянии природных условий на свойства торфа. При этом наибольшие отличия характерны для болота Большой Мох в Онежском районе области.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-35-90037 «Влияние геоэкологических факторов на свойства торфяных отложений Архангельской области (в пределах Арктической зоны)».