Макроэлементный состав торфа выпуклых верховых болот средней тайги Западной Сибири (на примере болотного комплекса «Мухрино»)

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 № 10−04−93 109.
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& quot- с.ш. и 68 041'-45& quot- 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 А Н 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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой