CC BY
181
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2014. Вып. 4. С. 158-173 Биология
УДК 581.526.33
Динамика развития болот в карстово-суффозионных депрессиях и накопление химических элементов в торфяных залежах *
Е. М. Волкова, Л. А. Пельгунова, А. В. Кочкина
Аннотация. В статье рассматривается динамика развития болот в депрессиях карстово-суффозионного происхождения, имеющих разные подстилающие породы и гидрологический режим. Показана разная скорость торфонакопления, состав и структура торфяных отложений, а также содержание макро- и микроэлементов, включая тяжелые металлы, на разных этапах развития болотных экосистем.
Ключевые слова: болотные экосистемы, генезис, торфяная залежь, химические элементы.
Введение
Формирование болот в слабозаболоченных лесостепных и степных регионах [17] происходит в депрессиях карстово-суффозионного происхождения. Такие понижения образуются при карстовании карбонатсодержащих пород осадочного чехла, что обычно сопровождается суффозией — механическим выносом частиц грунтовыми водами [8, 10]. Интенсивность образования депрессий зависит от свойств и глубины залегания карстующихся и перекрывающих их пород, характера подстилающих пород, гидрологического режима территории, а также активности тектонических процессов [3, 5, 20]. Возникшие понижения в рельефе могут заболачиваться разными путями в зависимости от объема накапливающейся влаги [3, 4, 5, 12, 16]. Источником воды являются грунтовые, поверхностные (делювиальные) воды, реже - атмосферные осадки.
Важно отметить, что большинство болот образовалось в бореальный период голоцена (7-9 тыс. лет назад), но встречаются и более «молодые» (менее 2,5 тыс. лет) болота [4, 5, 6, 9, 13, 19]. Следовательно, время начала,
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-05-97513 -р_центр_а) и Министерства образования и науки РФ (госзадание № 5.241.2014/К).
интенсивность и стадии болотообразовательного процесса в указанных понижениях различны.
Особенности развития болот отражаются в структуре торфяных отложений, поскольку отмирающие растения формируют определенный вид торфа. Разный состав торфов обусловливает их разные химические свойства [2]. Помимо этого, в процессе разложения растений в торф переходят не только растительные остатки, но и аккумулируемые растениями из воды, воздуха и др. соединения [7, 21, 22, 23]. Следовательно, торфяная залежь представляет собой «летопись» развития не только собственно болота, но и состояния окружающей среды, одним из показателей которой является накопление в торфах различных групп химических соединений и элементов. Изучение их содержания в залежах болот разного возраста позволяет выявить особенности накопления в разные временные отрезки голоцена и оценить роль антропогенного фактора в загрязнении окружающей среды.
Материалы и методы
Исследования проводили на территории Тульской области, характеризующейся низкой заболоченностью (0,07% территории). Объектами исследования являлись карстово-суффозионные болота, расположенные на территории Белевского, Киреевского и Щекинского районов Тульской области. Болота различаются по характеру современной растительности, глубине депрессии, подстилающим породам и гидрологическому режиму.
1. Болото Клюква (Белевский район, дд. Кураково и Хутора) образовалось в понижении на склоне водораздела по правому берегу р. Ока. Понижение имеет глубину 2,7 м и подстилается флювиогляциальными песками. Болото занимает площадь 1 га. В растительном покрове сочетаются возвышенные участки (гряды и кочки) и понижения (мочажины). На грядах произрастает сосна (Pinus sylvestris) болотной формы f. uliginosa, которая имеет высоту 10-12 м. Единично встречается береза (Betula pubescens). Сомкнутость древесного полога 0.3-0.5. В травяно-кустарничковом ярусе произрастают клюква (Oxycoccus palustris) и пушица (Eriophorum vaginatum). Моховой покров формируют Sphagnum magellanicum на грядах и кочках, S. balticum редко по их склонам, S. angustifolium и S. fallax -в межкочечных понижениях и мочажинах. По характеру растительного покрова болото является олиготрофным. Это подтверждается свойствами болотных вод: рН=2,8-2,9, минерализация - 42 мг/л. Отбор образцов торфа проводили в центральной части болота, на гряде. Болото окружено участками хвойно-широколиственного леса с участием ели.
2. Болото Кочаки (Щекинский район, д. Ясная Поляна) сформировано в понижении глубиной 7,5 м на склоне водораздела и занимает площадь менее 1 га. Подстилающими породами являются разновозрастные глины. Следует отметить, что болото является одним объектом из 6 болот, имеющих линейное расположение, что может быть связано с
формированием трещин в осадочном чехле в результате тектонических процессов [б]. Растительный покров болота сформирован разными сообществами в центральной части и на окрайке. Центр болота представлен «ковровой» и «кочкарной» частями. «Ковровая» часть характеризуется очеретниково-осоково-сфагновым сообществом с участием Rhynchospora alba, Carex rostrata, Molinia caerulea и Sphagnum angustifolium. «Кочкарная» часть представлена кустарничково-тростниково-сфагновым сообществом с Salix myrtilloides, Chamaedaphne calyculata, Oxycoccus palustris, Phragmites australis, Rhynchospora alba, Carex rostrata, Sphagnum magellanicum и S. angustifolium. Редко встречается береза (сомкнутость 0,2). Такая растительность относится к мезотрофному типу. На эвтрофных окрайках сформированы ивово-травяные, ивово-осоковые, камышово-осоковые, осоково-травяно-сфагновые и березово-осоково-сфагновые ценозы с участием Betula pubescens, Salix cinerea, Comarum palustre, Calla palustris, Scirpus sylvaticus, Carex rostrata, C. pseudocyperus, С. lasiocarpa, Sphagnum teres, S. angustifolium и S. riparium. Отбор образцов торфа проводили в кустарничково-тростниково-сфагновом сообществе с березой, где уровень болотных вод залегает близко к поверхности (УБВ=-15 см), минерализация болотных вод низка - З2-40 мг/л. Болото окружено антропогенными ландшафтами (залежи, кладбище, автотрасса).
З. Болото Быковка (Киреевский район, д. Быковка) является частью крупного комплекса карстово-суффозионных болот (БЗ объекта) и располагается на водоразделе. Площадь болота - 0,2 га, глубина - 10 м. Подстилающими породами являются глинистые отложения. Растительность мезоолиготрофного типа и представлена осоково-сфагновым ценозом с участием Oxycoccus palustris, Carex rostrata, C. lasiocarpa, C. nigra, Rhynchospora alba, реже - Hammarbya paludosa, Carex limosa, Typha latifolia, Sphagnum fuscum, S. magellanicum, Polytrichum strictum. Единично представлены березы высотой З-Б м. Отбор образцов торфа проводили в центральной части болота, характеризующейся доминированием Sphagnum fuscum в моховом покрове. Уровень болотных вод здесь составляет -10-1Б см от поверхности болота, минерализация - 4В мг/л. Болото окружено с/х полями и залежами.
На всех указанных болотах проводили отбор образцов торфа в наиболее глубокой части при помощи торфяного бура. Образцы хранили в холодильнике. При проведении анализа определяли степень разложения торфа (%) и состав растительных остатков [1]. Определение абсолютного возраста образцов проводили в Радиоуглеродной лаборатории Института географии РАН (Москва). Полученные результаты калибровали в программе CalPal. Содержание химических элементов определяли в образцах торфа с использованием РФА (Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН). Анализ проводили на спектрометре S2 PICOFOX (производитель Bruker AXS, Германия).
Результаты и обсуждение
Изучение образцов торфа, отобранных по профилям залежей болот Клюква, Кочаки и Быковка показало, что объекты отличаются не только по глубине депрессий, характеру подстилающих пород и растительному покрову, но и времени начала болотообразовательного процесса и его интенсивности. Результаты радиоуглеродного датирования свидетельствуют о том, что наиболее «древним» является болото Клюква, поскольку календарный (калиброванный) возраст придонного слоя торфа (265-270 см) составляет 9332±117 лет. Болота Кочаки и Быковка являются более «молодыми». Так, возраст торфа на глубине 640-650 см в болоте Кочаки составляет 1205±81 лет, на глубине 630-640 см в болоте Быковка - 2235±79 лет.
Интенсивность образования торфа в процессе развития болот также сильно отличается. На начальных этапах развития болота Клюква (90919332 лет назад) скорость прироста торфа составляла 0,15-0,8 мм/год. Позже - 7508-7819 л.н. - интенсивность болотообразовательного процесса увеличилась до 1,9 мм/год. В последние 2500 лет торф прирастал со скоростью 0,2 мм/год. В среднем, в процессе развития болота скорость торфообразования составила 0,56 мм/год.
Рис. 1. Динамика торфообразования карстово-суффозионных болот: А - болото Клюква, Б - болото Кочаки, В - болото Быковка
Результаты изучения строения торфяной залежи болота Клюква показали, что заболачивание началось с формирования травянистых сообществ с участием сосны на дне понижения. В моховом покрове редко были представлены зеленые (гипновые) и сфагновые мхи (не более 20 %). Этому типу палеорастительности соответствует слой торфа на глубине 240-250 см, образованный более 9 тыс. лет назад. Такой слой травяного низинного торфа имеет степень разложения (R) 35-40%. В этот период скорость прироста торфа составила 0,8 мм/год.
Травяное сообщество с участием сфагновых мхов в обводненных условиях сформировалось около 7,8 тыс. лет назад. Сосна в таком сообществе отсутствовала, однако появилась ива и начала активно разрастаться пушица. Отмершие остатки растений образовали травяно-сфагновый торф на глубине 220-230 см, который характеризуется более низкой степенью разложения (R=25%). В дальнейшем, влажность биотопа увеличивалась, что повлияло на снижение степени разложения образовавшихся торфов до 15-20%. При этом, в растительном покрове постепенно возрастало участие гипновых мхов. В результате сформировались вахтово- и травяно-зеленомошные сообщества с участием Calliergonella cuspidata, Calliergon cordifolium.
На глубине 175-200 см доля пушицы увеличивается, появляется береза, снижается представленность эвтрофных видов трав и гипновых мхов, что приводит к образованию травяно-сфагнового переходного торфа. Это означает, что 7,5 тыс. лет назад происходит обеднение питающих вод, снижается их минерализация в результате частичного использования атмосферных осадков, что приводит к формированию мезотрофной растительности и увеличению скорости торфонакопления (до 1,9 мм/год). На протяжении последующего периода (5-6 тыс. лет назад) структура растительного покрова менялась незначительно: увлажнение оставалось прежним (степень разложения торфов сохраняется 15-20%), в видовом составе изменений не отмечено, варьировало только обилие видов. Это отражает состав торфов на глубине 130-175 см, представленный пушицево-, осоково- и травяно-сфагновым переходными видами.
В дальнейшем, на болото вселяются береза и ива, снижается доля сфагновых мхов, что свидетельствует об уменьшении влажности субстрата, улучшении аэрации и коррелирует с увеличением степени разложения (25-35%). Другой причиной облесения болота могло явиться увеличение минерализации болотных вод, связанное с эрозией в результате вырубки лесов на прилегающих территориях [14]. В любом случае, максимальное расселения древесных пород на болото произошло 2,5 тыс.лет назад, чему соответствует древесно-травяной торф на глубине 60-70 см. В таких условиях скорость разложения растительных остатков увеличивается, а скорость прироста торфа снижается до 0,2 мм/год. На глубине 50-60 см участие сфагновых мхов повышается до 30%, а также отмечено появление кустарничков (Oxycoccus palustris). В таком древесно-сфагновом переходном торфе (R=20%) постепенно снижается доля березы, появляется сосна.
Появление верхового торфа отмечено на глубине 40-50 см. В его составе высоко участие Eriophorum vaginatum (45%) и Б. magellanicum (40%). Такой пушицево-сфагновый верховой торф характеризуется бедным видовым составом и низкой степенью разложения (И=10-20%). В торфе встречаются остатки сосны и березы (не более 15%). Сопоставление с данными радиоуглеродного датирования свидетельствует о том, что переход в олиготрофную стадию развития произошел менее тысячи лет назад. Непосредственно корнеобитаемый горизонт болота образован сфагновым верховым торфом (И=5-15%). Доля олиготрофных сфагновых мхов (Б. magellanicum, Б. angustifolium) достигает 65-80%. Скорость прироста торфа при изменении характера растительного покрова не изменилась - 0,2 мм/год.
Таким образом, развитие болота началось в бореальном периоде голоцена и сопровождалось формированием эвтрофных сообществ. В атлантический и суббореальный периоды наблюдается частичный переход к атмосферному питанию, что сопровождается мезофитизацией растительности. Появление олиготрофной растительности произошло в субатлантике. На всех этапах развития болота, за исключением кратковременного увеличение увлажнения и активного торфонакопления в атлантический период, скорость прироста торфа оставалась невысокой.
Более «молодые» болота Кочаки и Быковка образовались в субатлантический период голоцена и характеризовались интенсивным приростом торфа. Например, болото Кочаки на протяжении фактически всего периода развития характеризовалось скоростью торфообразования от 2,7 до 9,0 мм/год. Наиболее активный прирост отмечен 550 лет назад. Болото Быковка «прирастало» со скоростью от 0,9 до 7,8 мм/год, максимальный прирост показан для периода 370-560 лет назад. В последние 200 лет вертикальный рост болота составил 3,0 мм/год. В среднем, интенсивность торфообразовательного процесса на исследуемых болотах составляет: Быковка - 3,6 мм/год, Кочаки - 4,6 мм/год. Изучение ботанического состава торфа позволило проследить последовательность смен растительных сообществ в ходе столь быстрого развития болот.
Болото Кочаки образовалось в депрессии глубиной 7,5 м. В составе образца торфа (И=55-60%) на глубине 685-750 см гипновые мхи составляют 85%, присутствуют сфагновые мхи и остатки листьев древесных растений (дуб). Это означает, что на первых этапах образования болота на дне депрессии образовалась небольшая «лужа», которую заселили гипновые мхи. Кроме того, на поверхности болота накапливался листовой опад с деревьев окружающих территорий (наличие листьев дуба в торфе означает, что болото было окружено широколиственным лесом). В последующем, обводнение депрессии сохранилось, стекающие и выклинивающиеся воды накапливались, что обеспечило доминирование Drepanocladus 8р. и Calliergon cordifolлum. Такой гипновый торф имеет степень разложения 15-25% и залегает со дна понижения до глубины 6 м. В его составе отмечены остатки
Рис. 2. Ботанический состав торфяных залежей болот: А Б - Кочаки, В - Быковка
Клюква,
Sphagnum teres, S. girgensohnii, Sphagnum секции Palustre, Carex rostrata, Scirpus, древесина лиственных. Торф образовался примерно 1200 лет назад.
На глубине 520-590 см торф остается гипновым, но в его составе появляются Salix cinerea, Carex rostrata, Equisetum sp., Comarum palustre и Molinia caerulea. Это свидетельствует о том, что накопившиеся остатки мхов (скорость прироста - 2,7-3,1 мм/год) стали субстратом для произрастания указанных растений. Возраст торфа на этой глубине - 850-1000 лет.
Далее в структуре залежи имеется разрыв, что следует объяснять резким и сильным обводнением этого понижения, затопившим уже сформировавшиеся торфяные отложения. Повторно болотообразовательный процесс начался 600 лет назад - именно этот возраст имеет торф на глубине 290-300 см. Субстратом вторичного заболачивания мог быть оторвавшийся и всплывший торф. В его составе содержание зеленых мхов составляет 8%, увеличивается доля сфагновых мхов (Sphagnum girgensohnii, S. teres, S. fimbriatum), имеются остатки Salix cinerea, Alnus, Menyanthes trifoliata, Equisetum sp., Comarum palustre, Eriophorum sp., Scheuchzeria palustris. Такой травяно-сфагновый низинный торф свидетельствует о богатом водно-минеральном питании в указанный период. При высоком обводнении разложение растительных остатков происходит медленно (R=10%), поэтому скорость прироста торфа достигает 9 мм/год.
В дальнейшем, в образцах увеличивается доля сфагновых мхов, которые образуют сфагновый низинный торф (Sphagnum girgensohnii -10%, S. секции Palustre - 33%). Этот торф характеризуется активным вертикальным приростом (3,8-4,5 мм/год) и формирует сфагновую сплавину. Он образовался менее 200 лет назад.
На глубине 25-75 см сфагновые мхи сменились зелеными мхами (Paludella, Drepanocladus, Plagiomnium, Calliergon), которые образовали гипновый торф. Это свидетельствует о временном обводнении и формировании озерка-лужи на поверхности болота, которое заселили зеленые мхи. Такая смена торфов свидетельствует о том, что в питании болота увеличилась доля вод, богатых минеральными солями.
Самый верхний образец, расположенный на глубине 0-25 см, представлен осоково-сфагновым переходным торфом, степень разложения которого менее 5%. В данном образце торфа обнаружены остатки Betula, Salix cinerea, Oxycoccus palustris, Carex rostrata, Equisetum, Phragmites australis, Molinia caerulea, Menyanthes trifoliata, Calliergon cordifoloum, Drepanocladus sp., Sphagnum russowii, S. nemoreum, S. angustifolium, S. teres. На этом этапе болото характеризуется частичным переходом на атмосферное питание и появлением в растительном покрове сфагнума узколистного - индикатора обедненных условий. Сочетание в составе торфов остатков эвтрофных и олиготрофных видов растений позволяет рассматривать этот этап как мезотрофный в развитии болота. Незначительная толщина торфа и его залегание в верхних горизонтах залежи свидетельствуют о недавнем переходе болота в эту стадию развития.
Начальные этапы формирования болота Быковка сопровождались поселением древесных пород (ива) на дне карстово-суффозионного провала, что подтверждается обнаружением остатков древесины в придонном (8-9 м) слое торфа. В дальнейшем, обводнение понижения увеличилось. Это способствовало выпадению древесных пород и разрастанию влаголюбивых трав. Такой травяной низинный торф образовался на глубине 640-650 см примерно 2,2 тыс. лет назад. Степень разложения торфа - 35%, что свидетельствует о периодическом снижении обводнения в депрессии и улучшении воздушного режима. В составе торфа обнаружены остатки Calamagrostis sp., Scheuchzeria palustris, Comarum palustre, Calla palustre и др. Помимо трав, найдены остатки сфагновых мхов (секции Palustre), Sphagnum teres, S. subsecundum, а также Meesia.
По мере накопления торфяных отложений увеличивается обилие гипновых мхов (до 45%), состав трав остается прежним, среди сфагновых мхов появляется S. obtusum. Образовавшийся травяно-гипновый низинный торф залегает до глубины 6 м.
На глубине 580-600 см в составе торфа наблюдается явное доминирование сфагновых мхов, включая представителей секции Palustre, Sphagnum teres, S. obtusum. В таких условиях скорость прироста торфа снижается до 1,5 мм/год. В дальнейшем, на глубине 535-570 см отмечено появление травяного низинного торфа (R=25%). Такое изменение характера растительности произошло 1800 лет назад и сопровождалось приростом торфа до 3-4,3 мм/год.
Использование минерализованных вод (как грунтовых, так и делювиальных) обеспечило разрастание Scheuchzeria, а также Equisetum, Scirpus, Carex cespitosa, Calamagrostis, Calla, Comarum Sphagnum teres, S.obtusum, S. nemoreum, S. girgensohnii. Накопление остатков этих растений сформировало шейхцериевый или шейхцериево-сфагновый торфа, которые залегают в залежи с 535 до 400 см.
Продолжающееся увеличение обилия сфагновых мхов способствовало смене шейхцериево-сфагнового торфа сфагновым низинным на глубине 370-390 см (возраст торфа 1069-1395 лет). Чередование сфагнового и шейхцериево-сфагнового торфов в залеже наблюдается до глубины 250 см (R=25-30%).
На глубине 100-250 см представлен травяно-сфагновый низинный торф, который характеризуется наличием Carex lasiocarpa, Carex riparia, Poaceae, Comarum, Scheuchzeria, Scirpus, Typha, Menyanthes, Equisetum, сфагновые мхи секции Palustre, Sphagnum teres, S. subsecundum и S. obtusum. Такой видовой состав торфа свидетельствует о стабильных гидрологических условиях на болоте 300-500 лет назад.
Примерно 280 лет назад (глубина 90 см) в растительном покрове болота увеличивается покрытие Carex lasiocarpa, но при этом сохраняется видовой состав сфагнового яруса, поэтому торф на этой глубине - осоково-сфагновый низинный. Позже (глубина 60-70 см) в сообществах появляются Oxycoccus
palustris, Eriophorum sp., Sphagnum angustifolium, S. fallax - виды, менее требовательные к трофности питающих вод. Это свидетельствует о частичном использовании атмосферного питания. Однако выявленная тенденция нарушается выклиниванием минерализованных вод, что приводит к резкому увеличению обилия Calliergon cordifolium (до 25% в составе торфа) на глубине 50-60 см. Тем не менее, переход к мезотрофной стадии сохраняется и постепенно на болото внедряется Sphagnum magellanicum.
Верхние горизонты торфяной залежи (0-40 см) представлены сфагновым верховым торфом со степенью разложения 5-10%. В составе торфа, помимо уже указанных видов, обильно встречается S. fuscum. Как видно, в олиготрофную стадию развития, характеризующуюся переходом на атмосферное питание, болото перешло недавно, т.е. этот тип растительности является для болота «молодым». Продолжительное время болото находилось в эвтрофной стадии благодаря богатому водно-минеральному питанию.
Проведенные исследования позволили выявить отличия в возникновении и развитии карстово-суффозионных болот в разных геолого-гидрологических условиях. Так, при перекрытии карбонатсодержащих горных пород зандровыми песками и в условиях умеренного увлажнения (преимущественно делювиальными водами) образование торфа происходит с низкой скоростью. Бедность питающих вод способствует постепенной смене эвтрофной растительности мезо- и олиготрофной.
Активные неотектонические процессы обеспечивают формирование глубоких карстовых депрессий. Их заболачивание началось при высоком обводнении, что обусловило интенсивный прирост торфа. Важно отметить, что в ходе развития болот режим увлажнения и трофность питающих вод практически не менялись. Это явилось причиной длительного сохранения эвтрофного характера растительности. Переход к мезо- и олиготрофной стадиям произошел недавно (менее 200 лет назад).
Известно, что в ходе развития болотные экосистемы используют стекающие в понижения воды и содержащиеся в водах элементы аккумулируются в растениях, а затем накапливаются в торфе. При этом, содержание элементов в низинных торфах отражает минерализацию питающих грунтовых и делювиальных вод, а в верховых - состав атмосферных осадков [11]. Последнее можно использовать в качестве индикации состояния атмосферы и уровня антропогенного загрязнения [21]. Предыдущими исследованиями [7] показана возможность использования торфов для оценки состояния окружающей среды. Изучение содержания элементов на разных глубинах торфяных залежей позволит оценить интенсивность их накопления в разные периоды развития болот.
Для оценки состояния атмосферы и питающих болота вод в торфяных залежах определяли содержание следующих элементов: K, Ca, Fe, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Co, Pb, Ni, Cu, Cd, Rb. Полученные результаты отражены в таблицах 1-3.
Таблица 1
Содержание химических элементов по профилю торфяной залежи болота Клюква (мг/кг воздушно-сухой массы)
глубина (см) K Ca Fe Mg Al Mn Zn Cr Co Pb Ni Cu Cd Rb Sb
3040 1370 1958 4099 0,7 0,2 41 925 0,02 0,06 14 0,7 32 0.0008 0.0008
6070 326 2109 3612 0,3 0,2 37 29 0,16 0,46 5 0,3 9 0.0002 0.0005
130140 508 3056 2813 0,4 1,3 25 47 0,01 0,65 2 0,02 2 0.0006
160170 746 1672 3076 0,5 2,4 25 36 0,48 0,5 2 0.0007
220230 198 1621 3873 0,7 1,9 9 30 0,12 0,1 1 0.0001
Из табл. 1 видно, что воды, питающие болото Клюква, на всех этапах своего развития характеризовалось низким содержанием изученных элементов - по всем элементам показатели ниже на профиле залежи по сравнению с болотами Кочаки и Быковка. Исключение составляют цинк и медь - их содержание выше в поверхностном горизонте залежи. В целом, увеличение концентрации от придонных образцов к поверхностным показано, помимо Zn и Си, для калия, марганца, свинца и никеля. Снижение показателей в этом торфе выявлено для кальция, алюминия и кобальта. Для этих элементов граница изменчивости проходит на глубине 30-40, реже - 60-70 см, что соответствует переходу болота в мезо- и олиготрофную стадии развития, сопровождающиеся частичным или полным переходом на атмосферное питание (1-2,5 тыс.лет назад). Нет четкой тенденции изменчивости по профилю залежи для железа, магния, хрома, кадмия, рубидия и сурьмы.
Для болота Кочаки, торфяная залежь которого развивалась в течение последних 1200 лет, характер распределения элементов по профилю не столь выражен (табл. 2). Это связано с тем, что болото на протяжении своего развития находилось под влиянием минерализованных грунтовых и поверхностных вод, т.е. гидрологический режим относительно стабилен. Тем не менее, тенденция к увеличению содержания элементов в верхних горизонтах залежи (0-40 см) отмечена для магния, марганца, хрома, свинца, меди, рубидия и сурьмы. Возраст торфа (менее 100 лет) объясняет накопление этих элементов антропогенным загрязнением. Некоторое снижение концентрации от придонных горизонтов к поверхностным показано для калия и железа, что коррелирует с «отрывом» от богатого грунтового питания. Распределение алюминия показало резкое увеличение содержания в слое 50-90 см (менее 180 лет назад) и снижение в поверхностных образцах. Для цинка, кобальта, никеля и кадмия динамика изменчивости не определена.
Таблица 2
Содержание химических элементов по профилю торфяной залежи болота Кочаки (мг/кг воздушно-сухой массы)
глубина (см) К Са Ре Mg А1 Мп 2п Сг Со РЬ N1 Си са ЯЬ ЯЬ
010 1779 3733 7713 22,1 60 649 69 42 117 20 7,1 18 2,1 0,02 0,01
1020 1506 3843 5884 1,4 93 396 61 19 83 16 2,2 13 1,8 0,01 0,02
2030 2487 2246 8832 13,4 285 227 129 69 141 57 12 23 3,5 0,02 0,01
3040 1687 1300 6466 52,7 284 103 101 42 109 25 5,7 16 2,3 0,02 0,006
4050 1573 3699 4778 1,3 146 112 61 29 66 24 4,8 17 2,0 0,01 0,002
5060 1292 4839 4887 1,4 607 232 76 25 62 10 3,4 15 1,2 0,01 0,002
6070 1683 4335 5219 1,5 752 207 43 21 79 10 2,3 9 2,0 0,01 0,002
7080 1875 2789 5663 2,2 687 205 29 20 81 11 2,1 10 2,4 0,01 0,001
8090 2286 3296 5823 1,3 692 275 68 15 76 10 2,5 12 2,7 0,02 0,001
90100 3772 3692 6296 2,8 389 178 25 13 102 11 2,4 9 0,5 0,005 0,0002
140150 3291 5993 2448 1,1 231 228 16 5 37 5 2,3 4 0,005 0,0003
190200 2467 5741 2476 2,2 140 189 25 3 35 4 0,6 7 0,003
240250 2836 4105 2206 6,1 198 225 21 4 28 5 1,5 5 0,006
290300 2811 5122 2870 2,5 144 279 23 2 37 6 1,7 6 0,006
540550 1683 5034 12126 2,5 104 178 105 5 205 12 8,7 14 0,02
590600 1419 5234 10969 10,1 100 148 175 5 170 11 15 15 0,01
640650 9690 2217 18264 5,7 160 147 54 6 169 16 9,5 14 0,008
Болото Быковка (табл. 3), как и предыдущий объект, на протяжении более 2 тыс. лет находилось под преимущественным влиянием минерализованных вод и только верхние горизонты залежи перешли на «атмосферное питание». По этой причине для этих горизонтов переходного и верхового торфов показано снижение содержания кальция, магния и алюминия. Наиболее высокое содержание указанных элементов выявлено на глубине 65-500 (до 640) см. Для калия, железа, марганца, хрома, никеля, кобальта, свинца и меди показано увеличение концентрации элементов к
Таблица 3
Содержание химических элементов по профилю торфяной залежи болота Быковка (мг/кг воздушно-сухой массы)
глубина (см) К Са Ре Mg А1 Мп 2п Сг Со РЬ N1 Си са ЯЬ ЯЬ
015 2024 2595 11250 0,3 11 164 82 66 183 27 7,4 18 0,3 0,014
1535 1667 2993 5863 1,8 9 100 55 35 80 16 6,9 10 0,2 0,016
3550 3114 5309 8923 2,4 16 154 51 118 37 18 2,9 12 0,01 0,017
5065 1198 5540 4325 1,5 69 96 40 46 55 9 14,5 9 1,4 0,25
6580 654 6112 2333 3,2 141 56 22 27 35 4 7,4 5 1,4 0,31
8095 437 6767 1897 4,8 133 45 17 9 29 3 3,5 6 0,4 0,28
140150 537 10610 1456 7,3 330 61 72 13 20 2 3,1 7 0,4 0,038 0,38
190200 429 9296 1210 9,7 227 56 13 7 16 2 2,7 6 0,01 0,027 0,003
290300 303 7768 1372 6,1 333 51 102 4 12 2 1,3 7 0,023
390400 796 3734 4002 1,2 587 67 37 4 13 2 1,5 7 0,008
490500 762 10595 1446 1,1 355 78 43 4 20 2 1,3 7 0,004
570580 429 7488 1511 1,1 96 67 27 36 20 2 7,1 6 0,003
630640 393 9530 1605 1,2 73 66 52 38 24 2 8,1 6 0,003
690700 289 7602 1138 1,8 64 56 24 4 16 1,5 2,0 7 0,002
790800 323 5651 1198 1,7 20 39 28 3 15 1 1,6 5 0,002
890900 355 7131 2502 1,1 9 36 64 3 13 1,5 1,2 6
поверхностным горизонтам. Важно отметить, что для К, Ре, Мп, Сг, РЬ и Си резкое увеличение содержания отмечено с глубины 50 см, а для Со -с 15 см, что соответствует современному (менее 100 лет) этапу, который характеризуется развитием промышленности. Накопление в торфяной залежи цинка, кадмия, рубидия и сурьмы не имеет выраженной динамики.
Проведенный анализ накопления и распределения химических элементов по профилям торфяных залежей болот Клюква, Кочаки и Быковка подтверждает их отличия по водно-минеральному питанию, что обеспечило формирование разных растительных сообществ и, соответственно, разных видов и типов торфа. Наиболее существенные отличия показаны по
содержанию кальция. Полученные результаты коррелируют с характером современной растительности. В целом, концентрация элементов в болоте Клюква наиболее низкая (исключения описаны выше), что свидетельствует о бедном водно-минеральном питании в ходе развития болота.
Анализ содержания элементов в торфах болот Кочаки и Быковка подтверждает их более «минерализованное» питание. Однако, разнонаправ-ленность динамики многих элементов по профилям залежей свидетельствует о разном составе и, возможно, происхождении этих вод. Поскольку в питании принимают участие не только грунтовые, но и поверхностные (делювиальные) воды, то на состав последних оказывает влияние и состояние окружающих ландшафтов.
Верхние горизонты залежей, представленные переходным или верховым торфами, частично или полностью перешедшие на использование атмосферных осадков, могут быть использованы для оценки экологического состояния атмосферы. Сравнение концентраций элементов в торфах с ПДК позволило охарактеризовать уровень атмосферного загрязнения [15, 18]. Так, территории Киреевского и Щекинского районов характеризуются интенсивным промышленным загрязнением и превышением ПДК по цинку, хрому, кобальту, свинцу, никелю, меди и кадмию (только Щекинский р-н). В Белевском районе экологическая обстановка более благоприятная, поскольку превышение норм загрязнения отмечено только для цинка и меди. Содержание свинца находится на верхней границе ПДК.
Проведенные исследования свидетельствуют о разном генезисе карстово-суффозионных болот. На этот процесс оказывают влияние геологическое строение территории, происхождение и свойства питающих вод. От сочетания этих факторов зависит интенсивность обводнения понижений, характер формирующейся растительности, скорость разложения отмерших растительных остатков и прирост торфа. Торфяные отложения могут быть использованы в качестве индикаторов водно-минерального питания на разных этапах развития болота, а верховые торфа также являются «маркером» промышленного загрязнения региона.
Список литературы
1. Атлас растительных остатков, встречаемых в торфе / С.Н. Тюремнова [и др.]. М.: Калининский торфяной институт. Л.: Госэнергоиздат, 1959. 230 с.
2. Бойкова О.И., Волкова Е.М. Химические и биологические свойства торфов Тульской области // Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2013. Вып. 3. С. 253-264.
3. Волкова Е.М. Редкие болота северо-востока Среднерусской возвышенности: растительность и генезис // Ботан. журнал. 2012. Т. 96. № 12. С. 1575-1590.
4. Волкова Е.М. Заболачивание карсовых и карстово-суффозионнных депрессий на территории Тульской области // Направления исследований в современном болотоведении России. Санкт-Петербург-Тула, 2010. С. 146-163.
5. Волкова Е.М. Особенности болотообразовательного процесса на северо-востоке Среднерусской возвышенности // Фундаментальные проблемы ботаники в
начале XXI века: матер. XII съезда Русского ботанического общества и Всероссийской конференции. Петрозаводск, 2008. С. 49-51.
6. Волкова Е.М., Бурдыкина Е.С. Возникновение, развитие и современное состояние карстовых болот у д. Кочаки (Щекинский район, Тульская область) // Природа Тульской области: сб. науч. трудов. Тула, 2006. Вып. 1. С. 88-105.
7. Волкова Е.М., Горелова С.В., Музафаров Е.Н. Биомониторинг антропогенного загрязнения Тульской области на основе анализа накопления тяжелых металлов в торфяных залежах болот // Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2012. Вып. 2. С. 253-263.
8. Гвоздецкий Н.А. Карст. M.: Mbiorn, 1981. 216 с.
9. Гребенщикова А.А. К вопросу о развитии болот в карстовых воронках Ивановской области // Советская ботаника. 1939. № 1. С. 117-120.
10. Недра Тульской области / В.С. Дымов [и др.]. Тула: Гриф и К, 2000. 124 с.
11. Ермакова Е.М., Фронтасьева М.В., Стейнесс Э. Изучение атмосферных выпадений тяжелых металлов и других элементов на территории Тульской области с помощью метода мхов-биомониторов // Экологическая химия. 2004. Т. 13. № 3. С. 167-180.
12. Зацаринная Д.В., Волкова Е.М. Экологические особенности растительных сообществ сплавинных карстовых болот Тульской области // Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2011. Вып. 1. С. 227-236.
13. Зацаринная Д.В., Волкова Е.М., Сирин А.А. Растительность и факторы среды карстовых болот зоны широколиственных лесов: методические подходы // Ботан. журнал. 2012. Т. 97. № 4. С. 524-537.
14. Динамика ландшафтов и климата на северо-западе Среднерусской возвышенности в голоцене / Е.Ю. Новенко [и др.] // Вестник MГУ. Сер. 5: География (в печати).
15. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. M.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзара, 2006. 15 с.
16. Смагин В.А., Волкова Е.М. Растительность болот северо-востока Среднерусской возвышенности (России) // Изв. Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 1(4). С. 1121-1124.
17. Торфяные болота России: к анализу отраслевой информации / А.А. Сирина [и др.]. M.: ГЕОС, 2001. 190 с.
18. Тульская область. Mедико-экологический атлас / Л.И. Шишкина [и др.]. Тула: Тульский полиграфист, 2000. 156 с.
19. Хмелев К.Ф. Торфяные болота Центрального Черноземья: автореф. дис. .. .доктора биол. наук. Воронеж. 1975. 38 с.
20. Чикишев А.Г. Карст Русской равнины. M.: Наука, 1978. 192 с.
21. Atmospheric Supply of Trace Elements Studied by Peat Samples from Ombrotrophic Bogs / E. Steinnes [et al.] // Journal of Enviromental Quality. 2005. N. 34. P. 192-197.
22. Ruhling Е. Atmospheric Heavy Metal Deposition in Europe // Estimation Based on Moss Analysis. Nordic Council of Ministers. Nord, 1994. P. 9.
23. Steinnes E. Trace element profiles in ombrogenous peat cores from Norway: evidence of long range atmospheric transport // Water, Air and Soil Pollution. 1997. N. 100. P. 405-413.
Волкова Елена Михайловна ([email protected]), к.б.н., доцент, кафедра биологии, Тульский государственный университет.
Пельгунова Любовь Андреевна ([email protected]), научный сотрудник, лаборатория экологического мониторинга регионов АЭС и биоиндикации, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Москва.
Кочкина Ангелина Владимировна ([email protected]), аспирант, кафедра биотехнологии, Тульский государственный университет.
The dynamic of development of mires in karst depressions and accumulation of chemical elements in peat deposits
E. M. Volkova, L. A. Pelgunova, A. V. Kochkina
Abstract. The article shows the differences of karst-hole mires by development dynamic, hydrological regime, structure of peat deposits, intensity of peat formation, accumulation of chemical elements.
Keywords : mire ecosystems, genesis, peat deposits, chemical elements.
Volkova Elena ([email protected]), candidate of biological sciences, associate professor, department of biology, Tula State University.
Pelgunova Lubov' ([email protected]), researcher, laboratory of ecological monitoring and bioindication, A.N. Severtsov Institute of Ecology and Evolution of RAS, Moscow.
Kochkina Angelina ([email protected]), postgraduate student, department of biotechnology, Tula State University.
Поступила 08.11.2014
