Групповой химический состав органического вещества торфа среднетаежной зоны Западной Сибири на примере болотного массива «Мухрино»

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Болота представляют собой особый тип экосистем, в процессе развития которых отмершие остатки растений накапливаются в виде торфяной залежи. Отлагаемый торф представляет большой научный и практический интерес, а продукция на его основе характеризуется растущим спросом на мировом рынке. Так, гранулированные смеси на основе торфа и древесных отходов часто применяются в странах Европейского Союза (ЕС) в качестве топлива, и спрос на данную продукцию ежегодно растет [Ринкевич, 2007].

Одним из важных свойств, характеризующих торф как сырье для промышленной переработки, является групповой химический состав органического вещества торфа. Соотношение групп органических веществ: битумов, водорастворимых веществ, легкогидролизуемых веществ, гуминовых кислот, фульвокислот, целлюлозы и лигнина – определяет направления его использования [Гаврильчук и др., 2010; Чаков, 2015; Жилякова, 2006].

Перспективным регионом для развития торфяной промышленности России является Западная Сибирь [Латыш, 2016]. Это обусловлено большой ресурсной базой, составляющей около 110 млрд. т (при 40% влажности) [Тюремнов, 1976; Иванов и Новикова, 1976], что составляет 59% всех запасов торфа Российской Федерации [Тюремнов, 1976]. Большая часть торфа Западной Сибири сосредоточена в таежной зоне [Иванов и Новикова, 1976] и представлена верховым типом, на долю которого приходится 62% от всех запасов, в то время как 15% запасов представлено переходным торфом, а оставшиеся 23% – низинным торфом [Нейштадт, 1971].

Верховой и низинный типы торфа существенно отличаются друг от друга по групповому химическому составу. В верховом торфе, в сравнении с низинным, содержится большее количество битумов, водорастворимых и легкогидролизуемых соединений, фульвокислот, целлюлозы и лигнина, тогда как в низинном торфе содержится большее количество гумусовых кислот [Лиштван и др., 1989; Шинкеева и др., 2009, Чухарева и др., 2013].

Так как растения  торфообразователи по своей биохимической природе характеризуются разным соотношением групп химических соединений (табл. 1), то торф одного и того же типа, сформированный растительными остатками разных видов растений, будет отличаться по групповому химическому составу (табл. 2).

Таблица 1. Групповой химический состав растений торфообразователей в % от органической массы [Скобеева и Тюремнов, 1966].

Примечание: ВР – водорастворимые вещества; ЛГ – легкогидролизуемые соединения.

Так, наиболее распространенные на территории Западной Сибири фускум торф и пушицево-сфагновый торф отличаются по количеству битумов, водорастворимых и легкогидролизуемых соединений, гумусовых кислот [Архипов и Маслов, 1998; Ларина и др., 2009; Шинкеева и др., 2009]. По данным разных авторов, в пушицево-сфагновом торфе количество битумов и гумусовых кислот больше, чем в фускум-торфе на 2,1-4,3% и 9,2-13,9% соответственно, а количество водорастворимых и легкогидролизуемых соединений меньше на 13,5-18,2% (табл. 2) [Архипов и Маслов, 1998; Шинкеева и др., 2009; Чухарева и др., 2013].

Таблица 2. Групповой химический состав верховых видов торфа южнотаежной зоны Западной Сибири в % от органической массы [Архипов и Маслов, 1998; Шинкеева и др., 2009; Чухарева и др., 2013].

Примечание: ГК – гумусовые кислоты; ФК – фульвокислоты; Ц+Л – лигнинно-целлюлозный остаток.

В связи с этим нами была поставлена задача: определить групповой химический состав наиболее распространенных видов торфа центральной части таежной зоны Западной Сибири и сравнить полученные значения с показателями для аналогичных торфов юга Томской области.

РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объекта исследований был выбран болотный массив «Мухрино», являющийся типичным для среднетаежной зоны Западной Сибири [Заров, 2013]. Болото расположено на левобережной террасе Иртыша, в 30 км к юго-западу от города Ханты-Мансийска (рис. 1). Болотная система практически полностью покрывает локальный водораздел между небольшими реками Мухрина и Большая речка, впадающими в протоку Байбалаковскую (пойма Иртыша) и протоку Ендырскую (пойма Оби) [Лапшина и Конева, 2010]. Протяженность болотного массива с запада на восток составляет 4,5 км. С юга болотный массив ограничивает полоса островков, покрытых смешанным лесом, а с севера – кромка первой террасы долины реки Оби. Протяженность болота от южной до северной границы достигает 13 км, а его площадь составляет 50 км².

Территория целиком расположена в пределах подзоны средней тайги. Среднегодовая температура воздуха составляет 1,3°C. Средняя температура самого холодного месяца (январь) – минус 19,8°С, самого теплого (июль) плюс 18°С. Среднегодовое усредненное количество осадков за последние 29 лет – 553 мм [Трясцин, 2007].

Рис. 1. Граница болотного массива Мухрино.

Примечание: пунктиром обозначена граница болотного массива Мухрино; белые точки с черной обводкой – места отбора проб (1 – рослый рям; 2- рям; 3 – мочажина).

Ландшафтная структура болотного массива характеризуется наличием в периферийной части широкой полосы сосново-кустарничково-сфагновых сообществ, представленных рослыми и типичными рямами. Центральная часть занята обширными грядово-мочажинными, грядово-топяными и грядово-озерковыми комплексами. Средняя глубина торфяной залежи составляет 3,3 м, максимальная – 5,5 м, минеральное дно сложено глинами и тяжелыми суглинками [Заров, 2013]. Для данного болотного массива наиболее характерными видами торфа являются: верховой фускум-торф, отлагаемый сообществами рямов и гряд; сфагновый топяной и пушицево-сфагновый торф, характерный для мочажинных растительных сообществ; низинный травяной и древесно-травяной торф, слагающие придонные слои торфяной залежи [Заров, 2013].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отбор образцов торфа производился из трех наиболее характерных для данного болотного массива типов экосистем – рослого ряма, ряма и мочажины в грядово-топяном комплексе (ГМК). Образцы отбирались вручную с глубины 20-30 см. Всего было отобрано 9 образцов, по три для каждого типа экосистем.

Определение ботанического состава и степени разложения проводились с использованием светового микроскопа. Для определения ботанического состава торфа образцы предварительно промывались под струей воды через сито с ячеей 0,25 мм. Степень разложения определялась глазомерно под микроскопом [ГОСТ 28245-89].

Для проведения химического анализа образцы торфа были высушены до постоянной массы при температуре 80°C и гомогенизированы до однородного состояния. В виду того, что в торфе из рослого ряма присутствовали корешки сосны и остатки кустарничков, которые не удалось полностью измельчить, в анализируемых образцах могли присутствовать крупные остатки данных растений (до 5 мм). Просеивание через сито не проводилось, так как в результате крупные остатки растений, являющиеся неотъемлемой частью торфа, были бы отсеяны.

Групповой химический состав определялся по методу Инсторфа с использованием в качестве органического растворителя хлороформа [Лиштван и др., 1989]. Метод состоит из последовательной экстракции битумов горячим хлороформом в аппаратах Сокслета, экстракции водорастворимых и легкогидролизуемых соединений 4% HCl, выделении гумусовых веществ 0,1 н NaOH с последующим подкислением раствора, с пришедшими в него гумусовыми веществами, 10%-ной HCl и осаждением гумусовых кислот (рис. 2).

Рис. 2. Схема определения группового химического состава торфа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Ботанический состав и степень разложения торфа могут быть описаны следующим образом. Образцы из рослого ряма представлены верховым сфагновым торфом (Sphagnum fuscum – 50%, Sphagnum capillifolium – 25%, Polytrichum strictum – 5%, корешки сосны – 15 %, кустарнички – 5%) и имеют низкую степень разложения (5%) (табл. 3).

Образцы из ряма образованы фускум-торфом (Sphagnum fuscum – 100 %) и имеют нулевую степень разложения (табл. 3).

Образцы торфа из мочажины сложены пушицево-сфагновым торфом со степенью разложения 10% (Sphagnum papillosum – 50%, Eriophorum vaginatum – 40%, Carex limosa – 10%) (табл. 3).

В результате определения группового химического состава торфа установлено, что торф с минимальной степенью разложения (0%) и состоящий на 100% из Sphagnum fuscum имеет наибольшее количество водорастворимых и легкогидролизуемых соединений, которых в среднем на 16% больше по сравнению с другими видами торфа (табл. 3). Это хорошо согласуется с ранее опубликованными данными (табл. 2) массы [Архипов и Маслов, 1998; Шинкеева и др., 2009; Чухарева и др., 2013].

В целом доля содержания ВРВ и ЛГВ соединений уменьшается в ряду: фускум торф (рям) > сфагновый верховой торф (рослый рям) > пушицево-сфагновый торф (мочажина в ГМК), хотя различия между последними двумя незначительны.

Данный факт обусловлен тем, что углеводный комплекс, наиболее подверженный воздействию микроорганизмов [Раковский, 1978], при нулевой степени разложения не был ими разрушен.

Мочажинный торф с участием остатков пушицы характеризуется максимальным количеством гумусовых кислот (25,9%), содержание которых в среднем на 14% больше, чем в других видах торфа (табл. 3). Данные показатели также сопоставимы с литературными данными (табл. 2) [Архипов и Маслов, 1998; Шинкеева и др., 2009; Чухарева и др., 2013].

Таблица 3. Групповой химический состав торфа болота Мухрино.

Примечание: ВРВ+ЛГВ – водорастворимые и легкогидролизуемые соединения; ГК – гумусовые кислоты; ФК – фульвокислоты; Ц+Л – лигнинно-леллюлозный остаток.

Сфагновый верховой торф, отлагаемый в рослом ряме, выделяется среди других наибольшим содержанием в составе органического вещества битумов –  в среднем 7,4%, что в 3 раза выше, чем в фускум торфе и пушицево-сфагновом торфе; среднее количество лигнинно-целлюлозного остатка – 28,2%, содержание которого на 7,1% выше, чем в других видах торфа. Такое количество битумов и лигнинно-целлюлозного остатка можно объяснить присутствием в торфе корешков сосны (до 15 %) и остатков кустарничков (до 5%) [Скобеева и Тюремнов, 1966]. В среднем количество битумов и лигнинно-целлюлозного остатка в данном виде торфа больше на 4,6 и 8 % соответственно, чем в остальных видах (табл. 3) Также между отдельными образцами данного вида торфа наблюдается вариация количества битумов, водорастворимых и легкогидролизуемых соединений, фульвокислот и лигниноцеллюлозного остатка. Это может быть обусловлено присутствием в образцах крупных остатков отдельных растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, показатели, характеризующие групповой химический состав отдельных видов торфа среднетаежной зоны Западной Сибири, сопоставимы с показателями для аналогичных видов торфа южнотаежной зоны Западной Сибири, но имеют некоторые отличия. Так, в фускум торфе среднетаежной зоны содержится большее количество битумов – на 1,9-2,1%, фульвокислот – на 5,4-5,7% и Ц+Л – на 1,8-4,6%, меньшее количество ВРВ+ЛГВ – на 1,4-6,1% и ГК – на 0,7-4,8%. В пушицево-сфагновом торфе содержится меньшее количество битумов и ВРВ+ЛГВ на 3,7-5,9%, 1,4-6,1% соответственно, большее количество ГК – на 4,6-0,1%, фульвокислот – на 3,4-5,4% и Ц+Л – на 3-8%.

Анализ полученных результатов показал, что групповой химический состав верховых видов торфа претерпевает большие изменения по мере роста степени разложения. В данном случае наблюдалось увеличение количества гумусовых кислот и уменьшение количества водорастворимых и легкогидролизуемых соединений.

Еще более существенное влияние на групповой химический состав органического вещества торфа оказывает ботанический состав. Так, образцы торфа разного ботанического состава с близкой степенью разложения (сфагновый верховой и фускум – торф) значительно различаются по количеству битумов, водорастворимых и легкогидролизуемых соединений, лигнина и целлюлозы.

В виду того, что групповой химический состав растений-торфообразователей изучен слабо и существующих данных не достаточно для качественной оценки вклада отдельных видов растений в показатели группового химического состава, необходимо детальное изучение группового химического состава наиболее распространенных растений-торфообразователей и его изменение в процессе разложения. Это позволит производить экспертную оценку количественных характеристик отдельных групп веществ разных видов торфа, не прибегая к дорогостоящему и трудоемкому химическому анализу.

Об авторах

Илья Михайлович Латыш

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilia_rus_86@mail.ru
Россия

Список литературы

Дополнительные файлы