Нydrochemical differentiation in bog ecosystems

Full Text

Используемые сокращения

РОУ – растворённый органический углерод [Leenheer, Croue, 2003];

РММК – рямово-мелкомочажинный комплекс [Ivanov, Novikova, 1976];

ГМК – грядово-мочажинный комплекс [Ivanov, Novikova, 1976];

ГМТК – грядово-мочажинно-топяной комплекс [Ivanov, Novikova, 1976];

Введение

Поверхностные воды бореального пояса Западной Сибири представляют собой важный гидрохимический объект, вносящий значительный вклад в связь гидрологических систем материковых вод и вод Северного Ледовитого океана. Данные территории характеризуются высокой заболоченностью водосборов крупных рек, что обусловлено низкими среднегодовыми температурами и обилием осадков. Болота, преимущественно олиготрофного (верхового) типа, играют важную роль в формировании химического состава поверхностных вод, выступая в том числе значительными источниками растворённого органического углерода (РОУ). Поступающие с болот воды обогащены органическими соединениями, которые способствуют формированию кислой среды с низким содержанием неорганических компонентов в речных системах [Zarov et al., 2022]. Подобными геохимическими условиями среды характеризуется и сам торф, поровые воды которого являются важным компонентом формирования субстрата для произрастающих в экосистеме растений.

Особенностью олиготрофных болот является доминирование сфагновых мхов, которые выступают видами-эдификаторами экосистемы. Сфагновые мхи адаптированы к условиям дефицита питательных элементов и способны активно подкислять места своего произрастания, что оказывает существенное влияние на химический состав болотных вод [Rudolph, Samland, 1985]. Данный класс макрофитов обычно покрывает всю площадь болота и образует торфяную залежь, оставляя незанятыми лишь участки с открытыми водными поверхностями. По этой причине олиготрофные болота характеризуются малым видовым разнообразием [Filippov, Lapshina, 2008], но при этом их отличительной особенностью является образование различных по видовому составу мозаичных и комплексных структур (грядово-мочажинный комплекс, грядово-мочажинно-озерковые комплексы, рямы). Образование подобных микроландшафтов связывают с внешними факторами, в основном с гидрологическим режимом [Ivanov, 1953].

Ряд исследований указывает на значительное влияние химического состава воды на формирование фитоценозов болотных экосистем [Hartsock, 2021; Tahvanainen et al., 2002]. Так, более трофные участки одного болота зачастую обладают большим видовым разнообразием в сравнении с участками, воды которых менее обогащены неорганическими веществами. Трофность таких участков выражается присутствием в составе воды Ca²⁺ и HCO₃^–, что свидетельствует о принадлежности участка к мезотрофному типу питания. В то же время для вод олиготрофных болот характерно увеличение доли содержания Na⁺ и Cl^– [Bourbonniere, 2009]. Химический состав болотных вод формируется под воздействием неравномерной обводнённости участков олиготрофных болот, где в зависимости от степени аэрации торфяной залежи варьируется эффективность биогенной аккумуляции минеральных соединений [Stepanova, Pokrovsky, 2011]: высокая аэрированность способствует высвобождению аккумулированных минеральных соединений, содержащихся в растительных остатках.

Основным источником минерального питания для растительности олиготрофных болот являются соединения и элементы, поступающие из атмосферы. В связи с высокой пресностью болотной воды повышение минерализации атмосферных выпадений способно изменять условия формирования болотных фитоценозов. По этой причине ненарушенные верховые болота являются крайне чувствительными к антропогенному загрязнению атмосферы [Potapova, Novilov, 2006; Preis et al., 2010]. Трансформация гидрогеохимических условий территории влечёт за собой изменения растительных сообществ [Savichev, 2016]. В долгосрочной перспективе результаты мониторинга ионного состава воды различных экосистем олиготрофных болот служат индикатором аэротехногенных нарушений территории на локальном и региональном уровнях [Potapova, Novilov, 2006; Preis et al., 2010]. Кроме того, установление вариабельности гидрохимических параметров в пределах эталонного участка, которым принято считать олиготрофное болото Мухрино [Dyukarev et al., 2021], позволит выявить вклад отдельных экосистем в итоговый состав речных вод. Это открывает возможности для прогнозирования транспорта растворённого вещества с заболоченного водосбора.

Исходя из различных экологических условий в пределах болотных микроландшафтов, предполагается наличие дифференциации экосистем относительно гидрохимических характеристик.

Целью данного исследования было изучение основных гидрохимических параметров и их микроландшафтное распределение относительно фитоценозов, сформированных на участке олиготрофного болотного массива Мухрино. В качестве измеряемых показателей выступили растворённый органический углерод, коэффициент его ароматичности (SUVA₂₅₄) и ионный состав воды.

Объекты и методы

Территория исследования относится к подзоне средней тайги Западной Сибири и расположена в 20 километрах к юго-западу от г. Ханты-Мансийска. Рассматриваемый участок представлен ненарушенным верховым болотом, где организован международный полевой стационар Мухрино (кафедра ЮНЕСКО «Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата», Югорский государственный университет). В структуре болотного массива выделяются грядово-мочажинный комплекс с кустарничково-сфагновыми грядами и сфагновыми мочажинами, открытое болото с кустарничками, пушицей и редкими низкими соснами, а также осоко-сфагновые экосистемы. Наиболее обводнённые участки представлены олиготрофными шейхцериево-сфагновыми и мезоолиготрофными осоково-сфагновыми топями. Периферийные участки болота представлены типичными рослыми рямами – древесно-кустарничково-сфагновыми биоценозами с небольшими сфагново-травянистыми мочажинами. Лесные фитоценозы вблизи болотного массива относятся к мелколиственным, темнохвойным и смешанным лесам [Dyukarev et al., 2021; Ivanov, 1953].

Климат исследуемой территории характеризуется продолжительной, суровой зимой с устойчивым снежным покровом и коротким теплым летом. Среднемесячная температура января составляет –19.2±0.8 °C, среднемесячная температура июля составляет 17.1±0.28 °C. Суммарное годовое количество осадков в среднем составляет 470±68 мм с максимумом, приходящимся на август-сентябрь (72-84 мм) [Dyukarev et al., 2021].

В период с конца июня и до начала августа 2023 года сотрудниками Югорского государственного университета было заложено 12 пробных площадей, охватывающих все типы болотных экосистем, где было отобрано 95 образцов воды. Каждая пробная площадь апробировалась однократно в течение указанного полевого сезона. Период отбора образцов соответствовал сезону межени. На каждой пробной площади закладывались точки отбора проб воды с учетом неоднородности микрорельефа (Рис. 1, Табл. 1, Appendix). Для определения гидрохимических особенностей экосистем олиготрофного болота, помимо показателей кислотности среды (pH) и электропроводности, были измерены концентрации растворённых ионов (Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, NO₃^–, PO₄^3–, SO₄^2–), растворённого органического углерода и коэффициент его ароматичности (SUVA₂₅₄). Исходя из показателя кислотности среды (pH ≈ 3,5), определение концентраций HCO₃^– и CO₃^2– не проводилось.

 На основе результатов выполненного ботанического описания были выделены следующие типы растительных сообществ: типичный рям, грядово-мочажинный комплекс, грядово-мочажинно-топяной комплекс, открытое болото, рямово-мелкомочажинный комплекс (Табл. 1). Относительно обводнённости рассматриваемые экосистемы образуют ряд: открытое болото – ГМТК – ГМК – РММК – типичный рям.

Отбор проб воды производился путем вырезания лунок размером 15х15 см и глубиной до 50 см в участке болота, которые наполнялись болотной водой. Образцы воды отбирались в предварительно промытые емкости из тёмного стекла (объём 60 мл) и хранились в холодильнике не более трех дней при температуре +4 °С в период транспортировки. Непосредственно в лаборатории перед началом аналитических работ образцы воды были отфильтрованы через шприцевой фильтр (размер пор 0.45 µм, Whatman) и анализировались.

 

Рис. 1. Территория и точки исследования.

Fig. 1. Study site location.

 

Гидрохимические показатели воды (pH, электропроводность и температура воды) были измерены при помощи портативного полевого прибора Combo (Hanna, HI98129). Уровни болотных вод в каждой лунке были зафиксированы при помощи гидрогеологической рулетки после ее заполнения водой (20-30 минут).

Определение концентрации ионов в воде было выполнено на ионном хроматографе Metrohm 882 IC compact plus (Швейцария), оснащённом кондуктометрическим детектором. В качестве подвижной фазы использовались растворы азотной кислоты (4 ммоль) для определения катионов и смесь карбоната и гидрокарбоната натрия (339.2 и 84 мг), соответственно, для определения анионов. Для анализа использовались хроматографические колонки Metrosep C4-150/4.0 и Metrosep Supp 19-250/4.0 (Швейцария). В целях предотвращения загрязнения колонок использовались предколонки соответствующих моделей. Перед проведением анализа хроматографические колонки промывались два часа. Для калибровки прибора были использованы стандартные образцы ионов аммония, калия, кальция, магния, натрия, нитрата, сульфата, фосфата и хлорида (1 г/л, «ЦСОВВ», Россия). Результаты измерений интерпретированы в виде процента от суммы эквивалентных содержаний катионов и анионов.

Определение концентрации растворённого органического углерода проводилось на элементном анализаторе Thermo Scientific Flash-2000 (Германия), откалиброванном по стандарту мочевины. Определение индекса SUVA₂₅₄ проходило на UV-спектрофотометре PERESEE T8DCS (Китай) как отношение интенсивности поглощения света при длине волны 254 нм к концентрации РОУ [Weishaar et al., 2003].

Статистические методы и визуализация данных

В качестве инструмента статистической обработки был использован метод главных компонент (PCA) – способ уменьшения размерности с применением эвклидовых расстояний и матрицы корреляций при помощи выявления принципиальных (главных) направлений, охватывающих максимальную дисперсию данных [Maćkiewicz et al., 1993]. В качестве исходных переменных были выбраны концентрации всех определяемых ионов, содержание растворённого органического углерода и индекс SUVA₂₅₄.

Статистические расчеты и визуализация графиков были выполнены на языке программирования R [R Core Team, 2020] с применением пакета ‘ggplot2’ [Wickham, 2016] для визуализации данных, ‘dplyr’ [Hadley, 2014].

Результаты

Сумма ионов в болотных водах рассматриваемых экосистем увеличивается в ряду: рямово-мелкомочажинные комплексы (РММК) – открытое болото – грядово-мочажинно-топяной комплекс (ГМТК) – грядово-мочажинный комплекс (ГМК) – типичный рям. Болотные воды обогащены органическим веществом (концентрация РОУ более 90% суммы измеряемых веществ по массе). Средние значения pH и электропроводности равны 3,45±0,14 и 79,6±21,9 соответственно. Катионный состав воды преимущественно представлен соединениями Na⁺ и K⁺ (до 70% и 56% соответственно) (Рис. 2, Табл. 2). Концентрации фосфатов изменяются в диапазоне 0,01-0,015 мг/л. Преобладающими неорганическими анионами являются сульфаты и хлориды, где содержание Cl^– изменяется от 29% в наиболее сухих участках до 100% в обводнённых. Доля сульфатов увеличивается в болотных водах более сухих экосистем (до 70%). Исключением являются РММК, где при глубоком залегании болотных вод содержание сульфатов варьируется в пределах 1-15% от массы анионов.

 

Рис. 2. Распределение ионного состав болотных вод в исследованных экосистемах на диаграмме Пайпера.

Fig. 2. Distribution of the ion composition of bog waters in the studied ecosystems on the Piper diagram.

 

Измеряемые ионы имеют наименьший вклад в гидрохимическую систему РММК, где их общее содержание варьируется в пределах 1,75-3,38 мг/л при высокой электропроводности (98,15±16,0 μSm/cm) и содержании РОУ (85,5±17,4 мг/л) (Рис. 3). Ионный состав данной экосистемы представлен наименьшим разбросом значений. В катионном составе в большей степени представлены подвижные Na⁺ и K⁺ (0,7 мг/л и 0,58 мг/л соответственно). Растворённый минерализованный азот экосистемы чаще представлен аммонийными соединениями (0,22 мг/л NH₄⁺ против 0,004 мг/л NO₃^–). Наименьший вклад вносят катионы Ca²⁺ и Mg²⁺, составляя лишь 22% от доли эквивалентных катионов. В неорганическом анионном составе превалируют хлорид-ионы (не менее 90%).

 

Рис. 3. Соотношение ионов в различных экосистемах.

Fig. 3. The ratio of ions in different ecosystems.

 

Противоположная ситуация наблюдалась на участках типичного ряма, для которых характерен наибольший вклад измеряемых неорганических соединений (в среднем 6%, или 4.92 мг/л от общей суммы растворенного вещества) в химический состав вод экосистемы. Отмечено высокое содержание ионов SO₄^2– (со средней концентрацией 0.48 мг/л и максимальным значением 1.1 мг/л) при полном отсутствии анионов - PO₄^3– и NO₃^–. Содержание хлоридов в пробах варьирует в пределах 0,27-7,39 мг/л. Катионный состав вод отличается повышенными концентрациями Na⁺ (в среднем 0,97 мг/л, или 73% от доли эквивалентных катионов) в сравнении с другими экосистемами. Схожими характеристиками обладают участки ГМК и ГМТК. Основной гидрохимической особенностью данных фитоценозов является низкая концентрация РОУ (67,53±14,76 и 63,86±5,13 мг/л соответственно). Химический состав вод экосистем также различен – для ГМТК характерно растворение SO₄^2–, тогда как гидрохимическая особенность ГМК заключается в повышенном содержании фосфатов (0,16 мг/л в сравнении с 0,019 мг/л в рямах).

Для экосистем открытого болота характерно образование катионного состава преимущественно за счёт K⁺ и NH₄⁺. Содержание данных ионов имеет среднюю концентрацию 1,25±0,61 мг/л (45% от суммы катионов) для К⁺ и 0,32±0,12 мг/л для NH₄⁺, что на 30-40% превышает средние значения данных ионов для всего болота (0,858±0,63 мг/л и 0,25±0,18 мг/л соответственно). При этом доля Na⁺ (19% от суммы катионов), Cl^– (81 % от суммы анионов) и SO₄^2– (9% от суммы катионов) уменьшается. Также отмечено повышение концентрации Ca²⁺ на 4% (до уровня 16% от суммы катионов) относительно среднего содержания в болотных водах. Концентрации остальных компонентов находятся в пределах средних значений, обнаруженных в болотной воде.

Обсуждение

Полученные результаты частично соотносятся с деятельным горизонтом (акротелмом) торфяной залежи, однако для торфов рассматриваемого болота свойственно накопление Ca, в то время как в болотных водах чаще характерны его низкие концентрации с частым преобладанием одновалентных катионов Na и K [Stepanova, Pokrovsky, 2011]. Это может быть связано как с большей растворимостью Na и K по сравнению с Ca, так и с взаимодействием Ca с гуминовыми веществами, уменьшающими его подвижность.

В результате проведённой статистической обработки гидрохимических показателей был создан график, полученный с применением метода главных компонент (Рис. 4).

 

Рис. 4. Распределение точек наблюдений в пространстве главных компонент.

Fig. 4. Distribution of sample points in the principal component space.

 

Полученное облако точек относительно первой главной компоненты делится на группы, сонаправленные с показателями кислотности, EC и содержанием РОУ. Для болотных экосистем с низким УБВ характерны наиболее кислые и минерализованные воды с высоким содержанием РОУ, тогда как для участков с высоким УБВ характерно уменьшение этих показателей.

Отмечается высокая сонаправленность переменных EC, РОУ, SO₄^2–, NO₃^–. По данным переменным разошлись участки типичных рямов и гряд. Ось индекса ароматичности органических соединений (SUVA₂₅₄) описывается второй компонентой и расположена под прямым углом относительно оси РОУ и имеет обратную корреляцию с ионным составом в гидрохимической системе.

Группа ионов, за исключением SO₄^2–, NO₃^–, выделяется в отдельный кластер. Вдоль осей данных переменных исследованные экосистемы ориентированы от увеличения концентрации ионов к их уменьшению. Наибольшее количество обозначенных ионов обнаруживается в водах типичного ряма и открытого болота, а также в мочажинах в ГМТК, и наименьшее – в РММК и грядах.

Группировка точек происходит относительно увлажнённости экосистем. На это указывает нагрузка на переменные pH, EC и РОУ, где относительно них формируются две крупные группы скопления точек – ГМК и типичный рям. Внутри данных групп относительно расположения вдоль первой компоненты выделяются три кластера – РММК, ГМТК и открытое болото.

Распределение всех точек относительно химического состава воды происходит за счет нагрузки на переменные Na⁺, Cl^–, K⁺. Для РММК свойственно образование облака в условиях низких концентраций ионов относительно всей гидрохимической системы. Участки открытого болота характеризуются высокими концентрациями ионов при низком значении РОУ.

В качестве характерных гидрохимических особенностей экосистем выступает ряд растворённых соединений. Типичные рямы характеризуются относительно большим количеством SO₄^2–-ионов, что объясняется как окислительной средой в торфах, так и способностью к усваиванию меньшей доли SO₄^2– в процессе деятельности сульфатредуцирующих микроорганизмов ввиду увеличения аэробного слоя торфяной залежи. Это обусловлено обилием сосудистых растений с развитой ризосферой и глубоким залеганием болотных вод. Наиболее схожими характеристиками обладают грядово-мочажинные комплексы, но при детальном сравнении становится очевидной тенденция к уменьшению выноса сульфатов при увеличении выноса фосфатов, что является их отличительной гидрохимической особенностью.

Несмотря на ботаническое сходство типичных рямов и РММК, для последних характерна низкая доля неорганической фракции в составе болотных вод, при этом отмечается возрастание содержания ионов NH₄⁺ и PO₄^3–. Это делает экосистему более схожей с обводнёнными территориями болот, но в рассматриваемом случае для неё свойственна повышенная концентрация органического углерода.

Наиболее увлажнёнными участками олиготрофного болота являются проточные открытые болота, для которых характерны низкие концентрации растворенного органического вещества относительно других экосистем. Гидрохимической особенностью экосистемы является относительно повышенное содержание K⁺, что может объясняться низкими темпами биологического потребления в анаэробных условиях [Stepanova, Pokrovsky, 2011].

Взаимосвязь РОУ и электропроводности объясняется значительным превышением концентрации РОУ по отношению к неорганическим компонентам в гидрохимической системе болот. Учитывая длительные засушливые периоды и высокие температуры во время отбора проб (средняя температура июля +19,7 °С), высокая сходимость компонентов SO₄^2– и NO₃^– с РОУ может быть объяснена повышенными темпами минерализации амино- и сульфатсодержащих органических соединений [Updegraff et al., 1995]. Однако нахождение оси иона аммония на отдалении относительно рассматриваемых компонент противоречит процессу минерализации органических соединений, содержащих азот [van der Perk, 2006]. Допускается внесение рассматриваемых ионов из атмосферы [Smolyakov, 2000].

Противоположное направление осей индекса SUVA₂₅₄ и ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ объясняется меньшей степенью гумификации РОУ и снижением его сорбционной ёмкости по отношению к упомянутым ионам в условиях повышенного pH относительно других участков болота [Volkov, 2016].

Заключение

В данной работе были исследованы гидрохимические характеристики болотных вод, отобранных в типичных фитоценозах верхового болота. Основной целью работы являлось выявление особенностей формирования химического состава воды в пределах различных болотных экосистем. Обнаруженные особенности состава болотных вод чаще связаны с глубиной залегания вод.

Характерной особенностью вод экосистем с низким УБВ (типичный рям, РММК) является высокая концентрация РОУ относительно других участков. Внутригрупповое разделение более сухих участков происходит относительно высоких или низких концентраций неорганических соединений. Так, РММК отличается переходным статусом между участками типичного ряма и ГМК – содержание РОУ имеет высокие значения, в то время как ионный состав схож с более обводненными участками. Наиболее обводнённые участки (открытое болото, ГМК) чаще характеризуются низким содержанием неорганических соединений. При этом в водах открытого болота характерно значительное растворение соединений K⁺ из отмерших растительных остатков.

Показатель содержания РОУ взаимосвязан с pH и EC, что объясняется его преобладанием в гидрохимической системе и формированием основных условий среды. Выраженным отличием более сухих экосистем является высокий индекс SUVA₂₅₄, что вызвано ускоренными темпами разложения высокомолекулярных соединений в условиях повышенной аэрации торфа.

Пространственный анализ описывает 44% детерминации состава проб в первых двух поколениях. Первая компонента описывает основные гидрохимические характеристики олиготрофных болот (pH, EC, РОУ). Нагрузка ионов SO₄^2– и NO₃^– на данную ось объясняется влиянием осадков на состав болотной воды. Вторая компонента описывает предрасположенность рассматриваемых экосистем к изменениям в ионном составе воды. Наибольшей сходимостью с данной группой обладают рямы и открытые болота. В первом случае это объясняется наличием менее устойчивых к деструкции высших автотрофов и ускоренными темпами деструкции отмерших растительных остатков в условиях высокой аэрации торфа. Предрасположенность участков открытых болот к осям минеральных соединений объясняется низким биологическим потреблением микроэлементов в анаэробных условиях.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ, проект № 25-27-00272 «Вынос растворенного органического вещества и сопряженных с ним микроэлементов из верхового болота, его трансформация в гидрологическом континууме».

Appendix

 

Таблица П1. Типы растительных сообществ.

Table П1. Types of vegetation communities.

ГМК		Открытое болото		Типичный рям		РММК
№ ПП	Участок	№ ПП	Участок	№ ПП	Участок	№ ПП	Участок
1.1-1.4, 3.1–3.6, 6.6-6.10	Мочажина	4.1, 4.3, 4.6, 5.3, 5.4, 5.6	Межкочье (небольшая мочажина)	7.1-7.4, 7.6, 7.8, 8.2, 8.4, 8.5, 8.7, 8.8, 9.2-9.4, 9.6-9.8	Кочка (повышение)	10.1-10.5, 11.1-11.5, 12.6-12.10	Мочажина
2.7, 3.4, 3.9, 3.13, 6.4, 6.12	Межкочье	4.2, 4.4, 4.5, 4.7, 4.8, 5.1, 5.2, 5.5, 5.7, 5.8	Кочка	7.5, 7.7, 8.1, 8.3, 8.6, 9.1, 9.5	Межкочье (понижение)	12.5, 12.11, 12.13	Межкочье
2.2, 2.4, 2.5, 2.6, 3.7, 3.8, 3.10-3.12, 6.1, 6.2, 6.5, 6.11, 6.13	Кочка	-	-	-	-	12.1-12.4, 12.12	Кочка

Таблица П2. Гидрохимические характеристики болотных экосистем, мг/л.

Table П2. Hydrochemical characteristics of bog ecosystems, mg/l.

Экосистема		ГМК	ГМТК	Открытое болото	РММК	Типичный рям
pH	max	3,7	3,71	3,64	3,58	3,55
	min	3,3	3,28	3,47	3,19	3,11
EC	max	80	83	76	123	141
	min	47	67	42	63	74
DOC	max	105,5	106,09	86,56	134,02	103,68
	min	50,95	55,69	53,74	68,83	59,0
Na	max	2,11	2,02	1,26	1,15	3,74
	min	0,26	0,35	0,14	0,22	0,32
NH4	max	0,67	0,66	0,46	0,42	0,77
	min	0,04	0,06	0,09	0,03	0,01
K	max	2,2	2,48	2,21	1,24	2,38
	min	0,21	0,25	0,39	0,12	0,51
Mg	max	0,42	0,49	0,45	0,48	0,43
	min	0,09	0,08	0	0,11	0,08
Ca	max	0,66	0,21	0,94	0,79	0,18
	min	0,17	0,12	0,17	0,15	0,76
Cl	max	4,89	4,5	2,26	1,77	7,39
	min	0,27	0,1	0,28	0,27	0,27
NO3	max	0,02	0,04	0,01	0,03	0,06
	min	0	0	0	0	0
PO4	max	0,71	0,82	0,77	0,77	0,7
	min	0	0	0	0	0
SO4	max	0,29	0,98	0,29	0,14	1,1
	min	0	0	0	0	0,1

About the authors

L. V. Litvinov

Yugra state university

Author for correspondence.
Email: l.l.v.86@icloud.com
Russian Federation, Khanty-Mansiysk

E. A. Zarov

Yugra state university

Email: l.l.v.86@icloud.com
Russian Federation, Khanty-Mansiysk

I. S. Ivanova

Yugra state university

Email: l.l.v.86@icloud.com
Russian Federation, Khanty-Mansiysk

References

Supplementary files