L.P. Gashkova
Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства и торфа – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий Российской академии наук
E-mail: gashkova-lp@rambler.ru
Многие исследователи указывают на способность верховых болот фиксировать аэрозольное загрязнение [Brännvall et al., 1999, Mighall et al., 2002, Weiss et al., 2002, Shotyk et al., 2003, Le Roux et al., 2004, De Vleeschouwer et al., 2009]. Однако статей, посвященных анализу содержания Cu, Pb, Zn и Cd в торфе и растениях верховых болот Западной Сибири, очень немного [Stepanova et al., 2015, Московченко и др., 2012, Ryzhakova et al., 2017].
Исследованные участки болот располагаются на юго-востоке Западно- Сибирской равнины, в подзоне южной тайги. Болота, подверженные аэрозольному загрязнению от городских промышленных объектов, расположены в 30-км зоне от Томск-Северской городской агломерации, на террасах рек Томь и Обь (4 участка). Болота, подверженные аэрозольному загрязнению нефтегазодобывающих предприятий, расположены на террасе реки Обь и в междуречье рек Васюган и Ехомъях (5 участков).
Участки болот, выбранные в качестве фоновых, удалены от крупных дорог более чем на 2 км и от промышленных центров более чем на 200 км, находятся в междуречье рек Бакчар и Икса и на террасе реки Кеть (8 участков).
На изучаемых участках растительность представлена сосново-осоково-кустарничково- сфагновыми, сосново-кустарничково- сфагновыми и шейхцериево-осоково- сфагновыми растительными сообществами.
Исследования проводились в период с 2013 по 2017 г. и состояли из геоботанического описания участков и отбора проб растений, торфа и подстилающей породы для определения содержания тяжёлых металлов. Выбрали для анализа 7 видов растений: Chamaedaphne calyculata, Andromeda polifolia, Eriophorum vaginatum, Rhododendron tomentosum, Pinus sylvestris Pinus sibirica и Sphagnum fuscum. Пробу отбирали с 10 и более особей каждого вида из побегов текущего года на участке болота не менее 10 м2. Отбор проб торфа производили при помощи пробоотборочного бура ТБГ-1 с глубины 0–25 см,
в пределах которой сосредоточена наибольшая концентрация всасывающих корешков. На каждом участке болота формировали среднюю пробу торфа, состоящую из 10 проб, отобранных в месте сбора образцов растений. Аналогично отбиралась порода, подстилающая торф.
Определение массовых концентраций Zn, Cd, Pb и Cu в растениях и торфе проводили методом инверсионной вольтамперометрии после предварительной подготовки проб на приборе (STA, Russia). Пробоподготовка включает в себя: высушивание до абсолютно сухого веса;
измельчение до порошкообразного состояния в лабораторной мельнице; озоление в муфельной печи с предварительным добавлением азотной кислоты и пероксида водорода; растворение полученной золы в концентрированной соляной кислоте. Анализ проводился по методике МУ 31-04/04 (ФР.1.31.2004.00986). Верификацию проводили методом атомно-эмиссионной спектроскопии микроволновой плазмы.
Для оценки степени отличия биогеохимических показателей на загрязнённых болотах, по сравнению с фоновыми, геохимических особенностей накопления тяжёлых металлов применяли сравнительный анализ на основе ряда различных геохимических коэффициентов, предлагаемых разными исследователями:
Коэффициент биологического поглощения (КБП), показывающий отношение содержания элемента в золе растения к его содержанию в торфе (Перельман, Касимов, 1999).
Коэффициент концентрации (КК), отражающий отношение концентрации элемента в торфе к его концентрации в подстилающей породе.
Статистический анализ полученных данных и графическое отражение результатов проведены с использованием Statsoft Statistica for Windows 6.0. и Excel 7.0. Сравнение и значимость отличий между выборками устанавливались при помощи непараметрического критерия Манна – Уитни.
На первом этапе исследования с целью оценки влияния аэрозольного загрязнения на накопление тяжёлых металлов в растениях сравнивалась концентрация Zn, Cd, Pb и Cu в сухой массе каждого вида растений на фоновых и загрязнённых участках. Обнаружено, что у каждого из проанализированных
видов происходит увеличение концентрации исследуемых элементов на загрязнённых участках, но данное увеличение недостоверно при сравнении непараметрическими методами.
Аналогичные результаты получены при сравнении КБП (таблица).
Сравнение концентрации элементов в торфе показало значимое увеличение содержания Zn и Pb на загрязнённых участках (P<0,05). Однако сравнение КК показало
стабильное увеличение данного показателя на всех загрязнённых участках по сравнению с фоновыми (P<0,05) (рис.).
Рис. Сравнение коэффициентов концентрации КК (торф/подстилающая порода) на фоновых (1) и загрязнённых (2) участках болот
Вид Загряз-
нение Zn, мг/кг КБП (Zn) Cd, мг/кг КБП (Cd) Pb, мг/кг КБП
(Pb) Cu, мг/
кг КБП
(Cu) Andromeda
polifolia
1 27,6 9,7 0,005 4,7 24,4 1,1 1,2 21,6
2 67,9 25,1 0,008 51,2 37,4 4,2 2,0 39,3
Chamaedaphne calyculata
1 15,8 6,6 0,003 5,8 0,5 3,2 0,6 3,2
2 21,5 8,0 0,006 40,6 0,6 4,1 0,9 4,1
Rhododendron tomentosum
1 16,8 9,2 0,01 28,2 0,5 3,2 0,5 7,5
2 38,9 9,4 0,02 38,8 1,3 3,6 2,4 31,7
Eriophorum vaginatum
1 33,3 16,3 0,005 4,9 0,2 2,9 0,1 6,5
2 52,6 20,3 0,005 53,6 0,7 2,6 0,2 9,8
Pinus sibirica 1 30,9 5,2 0,005 3,8 0,6 4,1 0,8 14,4
2 32,2 12,4 0,123 41,6 1,1 3,6 0,8 16,0
Pinus sylvestris 1 35,1 15,9 0,006 5,7 0,4 3,1 0,5 6,6
2 42,9 21,3 0,042 41,6 0,5 3,4 0,5 7,1
Sphagnum fuscum
1 30,8 13,1 0,02 22,6 2,1 22,6 0,6 22,1
2 35,2 33,8 0,04 58,4 2,4 30,6 2,2 27,4
Торф 1 77,1 0,005 3,5 3,0
2 90,0 0,005 5,9 2,5
Таблица. Медианные значения содержания элементов в сухой массе растений и торфа и коэффициентов биологического поглощения (КБП) на фоновых (1) и загрязнённых (2) участках болот
1. Гашкова Л.П. Распределение микроэлементов в растениях верховых болот различного геоморфологического положения // Современное ландшафтно-экологическое состояние и проблемы оптимизации природной среды регионов : материалы XIII Международной ландшафтной конференции, Воронеж, 14–17 мая 2018 года : в 2 томах / редактор В. Б. Михно. Воронеж : Истоки, 2018. 2 т. C. 311–312.
2. Гашкова Л.П., Чудиновская Л.А. Латеральное распределение элементов в ряду сопряжённых ландшафтов Бакчарского болота // Международная конференция и школа молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS–2018.
Томск, 2018. С. 167–170.
3. Московченко Д.В., Моисеева И.Н., Хозяинова Н.В. Элементный состав растений уренгойских тундр //
Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. 2012. № 12. С. 130−136.
4. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. Москва : МГУ, 1999. 610 с.
5. Brännvall M.L., Bindler R., Renberg I. [et al.] The Medieval metal industry was the cradle of modern large-scale atmospheric lead pollution in northern // Europe Env Sci Tech. 1999. № 33. P. 4391–4395.
6. De Vleeschouwer F., Fagel N., Cheburkin A. [et al.] Anthropogenic impacts in North Poland over the last 1300years – A record of Pb, Zn, Cu, Ni and S in an ombrotrophic peat bog // Science of The Total Environment.
2009. Vol. 407. P. 5674–5684.
7. Le Roux G., Weiss D., Grattan J. [et al.] Identifying the sources and timing of ancient and medieval atmospheric lead pollution in England using a peat profile from Lindow bog, Manchester // J. Environ. Monit. 2004. № 6. Р.
502–510.
8. Mighall T.M., Abrahams P.W., Grattan J.P. [et al.] Geochemical evidence of atmospheric pollution derived from prehistoric copper mining at Copa Hill, Cwmystwyth, mid-Wales, UK // Science of The Total Environment. 2002.
№ 292. Р. 69–80.
9. Ryzhakova N.K., Babeshina L.G., Kondratyeva A.G. [et al.] Contents of macro-, microelements and long- lived radionuclides in the medicinal plants belonging to the wetland community of Siberian region, Russia //
Phytochemistry Letters. 2017. № 22. Р. 280–286.
10. Shotyk W., Goodsite M.E., Roos-Barraclough F. [et al.] Anthropogenic contributions to atmospheric Hg, Pb and As accumulation recorded by peat cores from southern Greenland and Denmark dated using the 14C “bomb pulse curve” // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2000. № 67. Р. 3991–4011.
11. Stepanova V.A., Pokrovsky O.S., Viers J. [et al.] Elemental composition of peat profiles in western Siberia:
Effect of the micro-landscape, latitude position and permafrost coverage // Applied Geochemistry. 2015. № 53.
Р. 53–70.
12. Weiss D., Shotyk W., Rieley J. [et al.] The geochemistry of major and selected trace elements in a forested peat bog, Kalimantan, SE Asia, and its implications for past atmospheric dust deposition // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2002. № 66. Р. 2307–2323.
В результате анализа полученных данных выяснилось, что для выявления влияния аэрозольного загрязнения недостаточно сравнивать содержание элементов в растениях и торфе. Наиболее стабильным показателем, отражающим влияние загрязнения, оказался КК, значение которого значимо ниже на фоновых участках. Дело в том, что особенностью аэрозольного загрязнения является возможность распределения загрязняющих веществ на большие расстояния. Поэтому возникает проблема подбора фоновых участков, которые должны быть отдалены на расстояние не менее 100 км от источников загрязнения и находятся уже в других условиях.
Даже максимально идентичные по составу растительности и микрорельефу ненарушенные болота, расположенные в различных геоморфологических и геохимических условиях,
различаются по соотношению элементов [Гашкова, 2018, Гашкова, Чудиновская, 2018]. Различия геохимического состава могут маскировать влияние аэрозольного загрязнения на некоторых участках. Возникает необходимость учитывать элементный состав подстилающей породы при сравнении фоновых и загрязнённых участков болот. КК позволяет нивелировать воздействие местных геохимических особенностей.
Таким образом, для индикации аэрозольного загрязнения болот в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины наиболее перспективно использовать не только данные по содержанию элементов в растениях или торфе, как при других видах воздействия на болото, но и коэффициент концентрации, отражающий отношение содержания элемента в торфе к его содержанию в подстилающей породе.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Научно-исследовательского проекта № 0533-2021-0004.