Нydrochemical differentiation in bog ecosystems

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностные воды бореальной зоны Западной Сибири представляют собой важный гидрогеохимический объект, находящийся на стыке взаимодействия материковых вод и вод Северного Ледовитого океана. Эта территория характеризуется высокой заболоченностью, что обусловлено низкими среднегодовыми температурами и обилием осадков, вкупе образующих гумидные условия климата. Болота, преимущественно олиготрофного (верхового) типа, играют важную роль в формировании гидрохимического состава поверхностных вод, выступая в том числе 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 характеризуются 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 свои места произрастания, что оказывает существенное влияние на гидрохимический состав болотных вод [Rudolph, H. and Samland, J., 1985]. Данный класс макрофитов обычно покрывает всю площадь территории болота и образует торфяную залежь, оставляя незанятыми лишь участки с открытыми водными поверхностями. По этой причине олиготрофные болота характеризуются малым видовым разнообразием [Filippov I. V., Lapshina E. D., 2008], но при этом, их свойственным отличием 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 K. E., 1953].

Ряд исследований указывает на значительное влияние химического состава воды на формирование фитоценозов болотных экосистем [Hartsock J. A., 2021, Tahvanainen T. et al., 2002]. Так, более трофные участки одного болота зачастую обладают большим видовым разнообразием в сравнении с участками меньшей доступности микроэлементов. 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 обилие Na⁺ и Cl^– [Bourbonniere R. A., 2009]. Концентрации соединений в болотных водах формируются под воздействием неравномерной обводнённости участков верховых торфяников, где в зависимости от степени аэрации торфяной залежи варьируется эффективность биогенной аккумуляции минеральных соединений [Stepanova V. A., Pokrovsky O. S., 2011], где высокая аэрированность способствует высвобождению аккумулированных минеральных соединений, содержащихся в растительных остатках.

Основным источником минерального питания для болотной растительности являются соединения и элементы, поступающие из атмосферы. По этой причине ненарушенные олиготрофные торфяники являются крайне чувствительными к антропогенному загрязнению атмосферы [Potapova T. M., Novilov S. M., 2006, Preis U. I., Bobrov V. A., Sorokovenko O. R., 2010]. Трансформация гидрогеохимических условий территории влечёт за собой изменения растительных сообществ [Savichev O. G., 2016]. В долгосрочной перспективе, результаты мониторинга ионного состава воды различных экосистем олиготрофных болот служат индикатором аэротехногенных нарушений территории на локальном и региональном уровнях [Potapova T. M., Novilov S. M., 2006, Preis U. I., Bobrov V. A., Sorokovenko O. R., 2010]. Кроме того, установление вариабельности гидрохимических параметров в пределах эталонного участка позволит выявить вклад отдельных участков в итоговый состав вод территории заболоченного водосбора. Это открывает возможности для прогнозирования транспорта растворённого вещества в пределах заболоченного водосбора.

  Целью данного исследования было изучение гидрохимических характеристик основных болотных экосистем и выявление характерных гидрохимических паттернов. В качестве измеряемых показателей выступили растворённый органический углерод, коэффициент его ароматичности (SUVA₂₅₄) и ионный состав воды.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Территория исследования относится к подзоне средней тайги Западной Сибири и расположена в 20 километрах к юго-западу от г. Ханты-Мансийск. 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-сфагновыми экосистема. 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 относятся к мелколиственными, темнохвойным и смешанным лесам [Dyukarev E. et al., 2021].

Климат исследуемой территории характеризуется продолжительной, суровой зимой с устойчивым снежным покровом и коротким теплым летом. Среднемесячная температура января составят –19.16±0.8°C, среднемесячная температур 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 E. et al., 2021].

В июне-августе 2023 года сотрудниками Югорского государственного университета было заложено 12 пробных площадей, охватывающих все типы болотных экосистем, где было отобрано 95 образцов воды. На каждой пробной площади закладывались точки отбора проб воды с учетом неоднородности микрорельефа (Рис. 1, Табл. 1, Appendix). В каждой точке были измерены показатели кислотности среды, электропроводности и температуры воды, после чего были отобраны образцы воды. 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).

Рисунок 1. Территория и точки исследования

Отбор проб воды производился при помощи вырезания лунок в участке болота, наполнявшимися болотной водой, размером 15х15 см и глубиной до 50 см.  Образцы воды отбирались в предварительно промытые емкости из тёмного стекла (объём 60 мл) и хранились в холодильнике не более 3-х дней при температуре +4 °С при транспортировке в лабораторию. В лаборатории образцы воды были отфильтрованы через шприцевую насадку (размером пор 0.45 µм, Whatman) и анализировались.

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

Определение концентрации ионов в воде было выполнено на ионном хроматографе Metrohm 882 IC compact plus (Швейцария), оснащённым 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 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, лития, магния, натрия, бромида, нитрата, нитрита, сульфата, фосфата, фторида и хлорида (1 г/л, «ЦСОВВ», Россия).

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 компонентов (PCA) - способ уменьшения размерности с применением эвклидовых расстояний и матрицы корреляций при помощи выявления принципиальных (главных) направлений, охватывающих максимальную дисперсию данных [Maćkiewicz, Andrzej, Waldemar Ratajczak, 1993]. В качестве исходных переменных были выбраны концентрации всех определяемых ионов, содержание растворённого органического углерода и индекс SUVA₂₅₄.

Статистические расчеты и визуализация графиков была выполнена 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 (РМК) – 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). Средний pH и EC равны 3,45 и 79,6, соответственно. Катионный состав воды преимущественно представлен соединениями Na⁺ и K⁺ (до 70% и 56% от суммарной массы катионов, соответственно) (Рис. 2, Табл. 2). Концентрации фосфатов суммируются 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. Частота встречаемости cульфатных групп в анализируемых образцах увеличивается при снижении уровня болотных вод (УБВ), т.е. анионы вод более сухих экосистем чаще представлены соединениями сульфатов нежели другие экосистемы (до 70% от массы анионов). Исключением являются РМК, где при глубоком залегании болотных вод содержание сульфатов варьируется в пределах 1-15% от массы анионов.

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

Измеряемые ионы имеют наименьший вклад в гидрохимическую систему РМК, где их общее содержание варьируется в пределах 1.75-3.38 мг/л при высокой электропроводимости (98.15±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 мл/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 12% от суммы ионов. В неорганическом анионном составе превалируют хлорид-ионы (не менее 90% от суммы анионов).

 

Рисунок 3. Соотношение ионов в различных экосистемах.

Противоположная ситуация наблюдалась на участках типичного ряма, для которых характерен наибольший вклад измеряемых неорганических соединений (6% или 4.92 мг/л от общей суммы растворенного вещества) в гидрохимический состав экосистемы. Отмечено высокое содержание ионов SO₄^2– (со средней концентрацией 0.48 мл/л и максимальными значениями 1.1 мг/л) при полном отсутствии органогенных анионов - PO₄^3– и NO₃^–. Среднее содержание хлоридов в пробах варьируется в пределах 0.27-7.39 мг/л. Катионный состав вод отличается повышенными концентрациями Na⁺ (0.97 мг/л) в с сравнении с другими экосистемами. Схожими характеристиками обладают участки ГМК и ГМТК. Основной гидрохимической особенностью данных фитоценозов является недостаток РОУ. Минеральный состав экосистем также различен – для ГМТК характерен вынос SO₄^2–, когда 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 среднее значение 1.25 мг/л (31% от суммы ионов) для К⁺ и 0.32 мг/л для NH₄⁺, что на 30-40% превышает средние значения данных ионов для всего болота (0.858 мг/л и 0.25 мг/л, соответственно). При этом доля Na⁺ (11% от суммы ионов при 19% для всего болота), Cl^– (24 % от суммы ионов при 29% для всего болота) и SO₄^2– (2% от суммы ионов при 5% для всего болота) уменьшается. Также, отмечено повышение концентрации Ca²⁺ на 4% (до уровня 13% от суммы ионов) относительно среднего содержания в болотных водах. Концентрации остальных компонентов находятся в пределах средних значений, обнаруженных в болотной воде.

ДИСКУССИЯ

В результате проведённой обработки гидрохимических показателей была создана двумерная проекция пространственной детерминации точек с применением метода главных компонент (Рис. 4).

Рисунок 4. Распределение точек наблюдений в пространстве главных компонент

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

Отмечается высокая сонаправленность переменных EC, DOC, 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 DOC (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 РМК и грядах

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

Распределение всех точек относительного химического состава воды происходит за счет нагрузки на переменные Na⁺, Cl^–, K⁺. Для РМК 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 паттернов экосистем выступает ряд растворённых соединений. Типичные рямы характеризуются обилием SO₄^2–-ионов, что объясняется как окислительной средой в торфах, так и меньшими затратами SO₄^2– в процессе деятельности организмов относительно других экосистем и, как следствие, ускоренными темпами разложения органического вещества. 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 отличительной их гидрохимической особенностью.

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

  Наиболее увлажнёнными участками торфяника являются проточные открытые болота для которых характерен дефицит содержания растворенного органического вещества относительно других экосистем. Гидрохимическим паттерном экосистемы является превалирование K⁺, что может объясняться низкими темпами биологического потребления в анаэробных условиях [Stepanova V. A., Pokrovsky O. S., 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 компонент SO₄^2– и NO₃^– с РОУ может быть объяснена повышенными темпами минерализации амино- и сульфасодержащих органических соединений [Updegraff, Karen, et al., 1995]. Однако нахождение оси иона аммония на отдалении относительно рассматриваемых компонент противоречит процессу минерализации органических соединений, содержащих азот [Marcel van der Perk, 2006]. Допускается внесение рассматриваемых ионов из атмосферы [Smolyakov B. S., 2000].

Противоположное направление оси индекса SUVA₂₅₄ и ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ объясняется уменьшением скорости разложения торфа в более обводнённых участках болота, для которых характерно уменьшения ароматичности растворенного органического углерода. Нахождение кластера точек группы открытого болота в области влияния компонент Ca²⁺ и Mg²⁺ объясняется как положением заложенного участка на периферии болота с непротяжённым экотоном между лесом и точками отбора проб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

Характерными особенностями вод экосистем с низким УБВ (типичный рям, РМК) является обилие РОУ. Внутригрупповое разделение более сухих участков происходит относительно обилия или недостатка неорганических соединений. Так, РМК отличается переходным статусом между участками типичного ряма и ГМК – содержание РОУ имеет высокие значения, когда как ионный состав схож с более обводненными участками. Наиболее обводнённые участки (открытое болото, ГМК) чаще характеризуются малым обилием 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 части рассматриваемых экосистем преимущественно к изменению соотношений в неорганическом 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».

About the authors

Leonid Vladimirovich Litvinov

Yugra state university

Email: l.l.v.86@icloud.com
ORCID iD: 0009-0004-2024-4288

UNESCO Chair Research and Education Center "Environmental Dynamics and Global Climate Change"\Carbon Data Center\Laboratory Assistant

Russian Federation

Evgenii Andreevich Zarov

Yugra state university

Email: zarov.evgen@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2871-2731
Scopus Author ID: 57057793300
ResearcherId: GZM-4792-2022

UNESCO Chair "Environmental Dynamics and Global Climate Change"\Carbon Data Center\Senior Researcher

Russian Federation

Irina Sergeevna Ivanova

Yugra state university

Author for correspondence.
Email: ivanovais_1986@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6240-2724
Scopus Author ID: 56047900709
ResearcherId: E-5905-2017

UNESCO Chair "Environmental Dynamics and Global Climate Change"\Carbon Data Center\Senior Researcher

Russian Federation

References

Supplementary files