Biogeochemical Features of Landscapes of the Nadym Region of YANAO

Full Text

Введение. Надымский район ЯНАО является одним из главных газодобывающих регионов России. Добыча углеводородного сырья оказывает негативное воздействие на природные комплексы региона и приводит к возникновению большого числа экологических проблем [1-3]. Постоянно увеличивается площадь почв, нарушенных антропогенными воздействиями [4]. Функционирования объектов нефте- и газодобычи приводит к выбросу многочисленных загрязнителей. Избыточное поступление химических элементов и их соединений может оказывать ингибирующее действие на биоту. Проблема антропогенного воздействия на малоустойчивые полярные и приполярные экосистемы многократно описана в научной литературе [5; 6]. Поэтому важна оценка современного экологического состояния этой территории. Определение валового содержания химических элементов в почвах и растениях – одна из основных задач геоэкологии, поскольку дает основу для проведения эколого-геохимического мониторинга.

В настоящее время на севере Западной Сибири под влиянием повышения температуры воздуха происходит увеличение мощности сезонноталого слоя, повышение температуры пород, смена видового состава растительности [7]. Современная климатогенная динамика может изменить биогеохимические процессы и вызвать изменения в химическом составе компонентов ландшафта. Определено, что увеличение сезонного протаивания изменяет состав почв за счет усиления миграции органического углерода и микроэлементов, в особенности щелочных и щелочноземельных металлов [8-10]. Известно, что даже минимальное поступление элементов в почвенный покров тундровых экосистем может привести к значительным изменениям в биогеохимическом круговороте [11-14]. При дальнейшем потеплении климата, способствующего таянию многолетнемерзлых пород, процессы аккумуляции и транслокации химических элементов в ландшафтах будут меняться. Все это углубляет интерес исследователей к изучению биогеохимии полярных и приполярных регионов [15; 16].

Актуальность проблемы современной природной и антропогенной динамики состава почв севера Западной Сибири и определила повышенный интерес исследователей к этой теме. Выявлены основные закономерности геохимии почв, определены валовые содержания основных тяжелых металлов и металлоидов [17-19]. Обозначено, что особый характер геохимических потоков вещества в ландшафтах Надымского района складывается из-за высокой литолого-геоморфологической неоднородности территории в сочетании с суровыми климатическими условиями [20]. Типологическое разнообразие почв Надымского района, обусловленное его значительной площадью и расположением в разных природных зонах, литологическая неоднородность почвообразующих пород, современная климатогенная динамика и разнообразие форм техногенного воздействия определяют необходимость дальнейшего исследования биогеохимических особенностей почв. Знание биогеохимических особенностей региона необходимо для разработки программ рекультивации нарушенных участков, расчете показателей геоэкологического риска и определения приемов управления этим риском [21]. Цель данного исследования – выявить биогеохимические особенности почв и доминантов растительного покрова Надымского района ЯНАО.

Материалы и методы исследования. Север Надымского района относится к подзоне субарктических тундр, центральная часть – к подзоне редколесий, южная – к подзоне северной тайги [22]. В подзоне субарктических тундр в плакорных местообитаниях распространены моховые и кустарниковые тундровые сообщества. В южной тундре они образуют сомкнутые заросли, сначала низкорослые и полегающие, так называемые низкокустарниковые тундры, а затем к югу переходящие в собственно кустарниковые тундры – ерниковые, ивняковые, ольховниковые [23; 24]. В подзоне предтундровых редколесий доминирующими типами сообществ являются елово-лиственничные лишайниковые и зеленомошно-кустарничковые редколесья, которые сочетаются с кустарниковыми тундрами и плоскобугристыми болотами. В напочвенном покрове преобладают гипоарктические кустарники и кустарнички (Salix pulchra, Betula nana, Empetrum nigrum, Ledum decumbens, Vaccinium uniginosum,), которые сочетаются с арктоальпийскими видами (Arctous alpina). В северотаежной подзоне широко распространены редкостойные леса с доминированием сосны и лиственницы. Вследствие разреженности древесного яруса его эдификаторная роль невелика, поэтому напочвенный покров формируется главным образом под влиянием общих природных условий [25].

По почвенно-географическому районированию [26], северная часть территории относится к полярному поясу, южная часть – к бореальному. Почвообразующие породы представлены морскими, аллювиально-морскими отложениями, современным полюстрием [26; 27]. Обедненность почвенно-геохимического фона возникает в результате широкого распространения песчаных пород [28]. Преобладающими типами почв являются иллювиально-железистые подзолы, торфяно-подзолы, криоземы, глееземы, торфяно-глееземы, торфяные олиготрофные почвы.

Отбор проб почв и растительности выполнен на территории Надымского района в летний период 2020 года (рис. 1). В ходе исследования были отобраны пробы из почв, преобладающих в структуре почвенного покрова южных субарктических тундр и предтундровых редколесий: иллювиально-железистые подзолы (Albic Podzols согласно WRB, набор генетических горизонтов O-E- BF-BC-C); криоземы (Folic Cryosols, O–CR–C); торфяные олиготрофные мерзлые почвы (Hemic Cryic Histosols, O–TO–TT⊥).

 

Рис. 1. Район исследования

 

Также изучены интразональные аллювиальные серогумусовые и озерно-аллювиальные почвы. Отбор проб выполнен из генетических горизонтов почв в пределах сезонноталого слоя.

На участках опробования почв были отобраны доминирующие виды растений: кустарниковые породы – карликовая береза Betula nana L.; мирт болотный обыкновенный Chamaedaphne calyculata (L.) Moench; кустарнички – голубика болотная Vaccinium uliginosum L., багульник болотный Ledum palustre L.; сфагновые мхи Sphagnum sp L. У кустарничков исследовался состав вегетирующих зеленых надземных частей, у кустарников – ветви с листьями.

В лабораторных условиях образцы проб просушивались до воздушно-сухого состояния, просеивались через сито для удаления корней растений и измельчались до пудры. Анализ проб выполнен в Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Определение валового содержания элементов проведено на рентгенофлуоресцентном спектрометре последовательного типа S6 JAGUAR по методике определений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах. Благодаря тому, что метод РФА имеет низкую стоимость, прост в применении и определяет широкий круг микро- и макроэлементов, ряд авторов активно применяют его в определении элементного состава почв и растений [29-31].

Калибровки прибора производились с помощью комплекта Государственных стандартных образцов состава почв. При подсчетах учитывалась массовая доля элементов, входящих в область аккредитации метода РФА (Al₂O₃, CaO, Fe₂O₃, K₂O, MgO, MnO, P₂O₅, S, TiO₂, Cr, Co, Cu, Ni, Pb Rb, Sr, V, Zn). Элементы, не входящие в область аккредитации, не учитывались. Для каждой пробы проводили два параллельных определения элементов. Результаты, полученные в двух повторениях, проверялись на предмет расхождений с допусками (Р=0,95), рассчитанными для каждого измеряемого элемента отдельно. При удовлетворительном результате в качестве конечного результата измерения принималось среднее арифметическое.

В исследовании М.Г. Опекуновой и др. [17] выявлена необходимость определения регионального геохимического фона отдельно для органогенных горизонтов, минеральных (срединных) горизонтов почв и торфяников на основе статистического анализа и метода ранжированных геохимических спектров. Поэтому полученные данные мы разделили на три указанные группы, для каждой из которых подсчитаны статистические показатели – среднеарифметическое значение (М), медианное значение (Me) и среднеквадратичное отклонение (SD), коэффициент вариации (V). Для оценки биогеохимических особенностей обследованной территории подсчитывались кларки концентрации КК – отношение содержания элементов в почвенных горизонтах к кларку верхней части континентальной земной коры по [32], коэффициенты биологического накопления Кб – отношение содержания элемента в золе растений к кларку и коэффициенты радиальной дифференциации R – отношение содержания элемента в генетических горизонтах почв к содержанию в породе. Обработка проводилась с помощью программы Microsoft Excel.

Для оценки условий почвообразования и степени выветрелости минеральной основы почв были подсчитаны следующие коэффициенты:

Индекс химического изменения CIA=100×Al₂O₃/(Al₂O₃+CaO+Na₂O+K₂O). Данный индекс характеризует процесс выщелачивания и показывает соотношение первичных и вторичных минералов [33]. Индекс используют как показатель климатических условий формирования почв [34].

Индекс потенциального почвенного плодородия FI [35] FI=(CaO+MgO+10P₂O₅)/SiO₂.

Отношение Ba/Sr, которое показывает гидротермические условия осадконакопления, в частности, процесс выщелачивания [36].

Для дифференциации поступления микроэлементов между антропогенными и природными источниками широко используется коэффициент обогащения (EF), который показывает обогащение исследуемых образцов конкретными элементами по отношению к природному фону:

EF=(C_i/C_n)/(K_i/K_n)

где C_i и C_n – среднее содержание i-го и эталонного элементов в органогенном горизонте, K_i и K_n – кларки i-го и эталонного элементов в верхней части континентальной земной коры [32].

Результаты и их обсуждение. Результаты определения элементного состава почв Надымского района представлены в таблице 1. В макрокомпонентом составе минеральных горизонтов почв преобладают окислы кремния. Затем, в порядке убывания, расположены Al₂O₃, Fe₂O₃, K₂O, Na₂O, Ca₂O. Доминирование песчаных почвообразующих пород приводит к абсолютному доминированию кремния в элементном составе, доля которого в среднем составляет 79%, а в отдельных пробах – более 90%. Доминирование кремнезема свидетельствует о том, что территория исследования подвергалась выветриванию горных пород и длительной криогенной трансформации [37]. В холодных и сухих условиях происходит рост относительного содержания кремния [38; 39]. Суммарное содержание преобладающих в составе SiO₂ и Al₂O₃, составляет в среднем 84,1%, что в целом характерно для арктических почв, в которых сумма SiO₂ и Al₂O₃ составляет 80-90% от вещества мелкозема [37].

 

Таблица 1. Элементный состав почв Надымского района

Образцы	Минеральные горизонты		Поверхностные горизонты		Торф		Кларк [32]	Почвы севера Западной Сибири
	М	SD	М	SD	М	SD
SiO2 (%)	79	17	67	19	16	20	66.62	-
Al2O3 (%)	5,1	4,0	4,7	2,9	1,2	1,5	15,4	-
Fe2O3 (%)	1,51	1,14	1,63	0,79	1,40	1,45	5,04	1,0/-/0,81 1
MgO (%)	0,21	0,32	0,14	0,21	0,08	0,09	2,48	-
CaO (%)	0,30	0,29	0,55	0,20	0,70	0,43	3,59	-
K2O (%)	1,16	0,50	1,24	0,62	0,40	0,39	2,8	-
Na2O (%)	0,66	0,41	0,80	0,59	0,16	0,18	3,27	-
P2O5 (%)	0,07	0,08	0,27	0,28	0,40	0,55	0,15	-
S (%)	0,013	0,027	0,088	0,090	0,135	0,076	0,0621	-
Ti мг/ кг	3483	1402	3610	1238	1343	1704	3837	-
Mn мг/ кг	194	148	<ПО	48	219	169	775	160/-/248 1
Ba мг/ кг	381	150	492	104	327	233	624	460/257/77 2
Co мг/ кг	23,5	5,3	23,5	4,8	16,2	10,9	17,3	8,4/5,8//2,44 2
Cr мг/ кг	67,2	25,6	155	85,7	116	145,0	92	42/20,6/10,4 2
Cu мг/ кг	7,7	4,4	19,7	11,2	25,5	11,2	28	8,7/8,68/7,25 2
Ni мг/ кг	21,1	9,1	47,2	27,3	35,7	38,6	47	13/12/7,19 2
Pb мг/ кг	19,9	18,3	27,4	34,3	78,2	35,4	17	9,9/13,4/5,48 2
Rb мг/ кг	39,6	18,5	33,3	26,7	10,3	17,9	84	-
Sr мг/ кг	84,8	49,6	105,8	50,2	86,7	31,2	320	-
V мг/ кг	49,8	43,1	58,3	29,5	78,0	13,9	97	60/25/10,4 2
Zn мг/ кг	17,0	26,2	37,0	57,2	95,2	86,4	67	31/35,6/19,9 2

Примечание: ¹ – [40]; ² – [17]; указаны значения для минеральных / поверхностных органогенных / торфяных горизонтов; <ПО – содержание элемента было ниже предела обнаружения более чем в 50% проб

 

Содержание остальных макроэлементов меньше кларка верхней части континентальной земной коры в 2-11 раз. Обращает на себя внимание низкое содержание кальция, «главного металла живого вещества» [41], которое на порядок меньше кларка. В предыдущих исследованиях в Надымском районе также было зафиксировано низкое содержание CaO в подзолах, составляющее 0,21% [42]. Связано это с низким содержанием элемента в бескарбонатных почвообразующих породах и активным элювиированием в почвах, с чем связано выщелачиванием элемента [43]. Максимальное накопление кальция отмечается в горизонте А озерно-аллювиальной почвы.

Наблюдается отчетливо выраженный градиент уменьшения содержания валового фосфора с глубиной. Содержание валового фосфора максимально в торфяных горизонтах, где составляет 0,4%, в то время как в минеральных горизонтах – 0,07%. Низкие температуры и подавляют микробиологическую активность и минерализацию фосфора [44].

Величины индекса химического изменения CIA для минеральных горизонтов почв изменяются от 58 (озерно-аллювиальная почва) до 77 (мерзлая торфянисто-глеевая) (рис. 2). Как правило, значения CIA изменяются в диапазоне 65-75 единиц. Известно, что невыветрелые породы характеризуются значениями CIA около 50, в сильновыветрелых разновидностях CIA достигает 100 единиц [45]. Осадочные отложения гумидных территорий характеризуются интенсивным выносом кальция, натрия и калия из полевых шпатов, это, в свою очередь, приводит к аккумуляции соотношения алюминия и щелочей в продуктах выветривания [46], и росту значений CIA.

Обследованные почвы характеризуются средней степенью выветривания, наименее выветрелыми являются горизонты озерно-аллювиальных почв, что свидетельствует об их эволюционной молодости. В криогенных почвах степень выветрелости повышается. Вероятно, криогенез, который проявляется в регулярных фазовых переходах воды в надмерзлотных почвенных горизонтах, усиливает процессы выветривания.

 

Рис. 2. Почвенно-геохимические коэффициенты:

1 – озерно-аллювиальная почва; 2 – криозем; 3 – подзол иллювиально-железистый; 4 – торфянисто-глеевая мерзлая почва; 5 – аллювиальная серогумусовая почва

 

Отношение Ba/Sr, которое индицирует режим увлажнения, повышено в озерно-аллювиальных почвах и подзолах что свидетельствует о переувлажнении и промывном режиме. Минимально отношение Ba/Sr в криоземах. Индекс потенциального почвенного плодородия, определяемый преимущественно количеством фосфора, максимален в криоземах и торфянисто-глеевых почвах, наименее плодородными являются песчаные подзолы и озерно-аллювиальные почвы.

По отношению к кларку верхней части континентальной земной коры, в минеральных горизонтах исследованных почв слабо накапливается Co (кларк концентрации КК=1,4), околокларковые концентрации характерны для Pb и Ti. Повышенное содержание Co в почвообразующих породах Пур-Тазовского междуречья было ранее отмечено Сорокиной с соавторами [27]. Остальные элементы деконцентрируются, кларки рассеяния изменяются от 1,4 (Cr) до 4,0 (Mn). Низкое содержание элементов неоднократно описано в предшествующих исследованиях [2, 47]. Отмечалось, что в почвах севера Западной Сибири концентрации большинства тяжелых металлов в 3-9 раз меньше среднемировых значений [17]. Причины низкого содержания металлов состоят в преобладании песчаных почвообразующих пород и активом выщелачивании элементов. Таргульян В.О. [48] связывает интенсивный вынос элементов с климатическими особенностями территории, поскольку холодно-влажные области характеризуются избыточным переувлажнением.

Исследования Сорокиной с соавторами [47] выявили, что территория севера Западной Сибири относится к области рассеяния. КК в различных ландшафтных провинциях севера по данным Сорокиной составляет 0,34-0,74. Согласно полученным нами данным, для минеральных горизонтов почв среднее значение KK=0,7, что подтверждает преобладание рассеяния на исследуемой территории.

По сравнению со среднерегиональными значениями [17; 40], в минеральных горизонтах обследованных почв повышено содержание Сo, Cr, Ni. Ранее отмечалось, что аллювиально-морские отложения третьей и четвертой террас имеют повышенное содержание V, Cr, Co, Ni [17]. Вероятно, повышенное содержание этих элементов связано с литогенным фактором. Близки к среднерегиональным значениям концентрации Mn, V, Cu, снижено содержание Zn.

В органогенных горизонтах литогенных почв и торфяниках происходит накопление Ca, P, S, Cu, Pb. Содержание этих элементов увеличивается по мере роста количества органического вещества и достигает максимума в торфе. Содержание валового фосфора в торфе возрастает по сравнению с минеральными горизонтами почв в 5,7 раза, серы – в 10 раз, содержание Zn, Pb и Cu возрастает соответственно в 5,6, 3,4 и 3,9 раза. Согласно А.И. Перельману [41], сера относится к элементам энергичного интенсивного биологического накопления (Кб>100), фосфор и цинк – интенсивного и среднего накопления, (Кб=10-100), что соответствует максимальному росту их концентрации в торфяных горизонтах.

Для уточнения особенностей элювиально-иллювиальной дифференциации в почвах были подсчитаны коэффициенты радиальной дифференциации (рис. 3).

 

Рис. 3. Распределение элементов в профилях почв

1 – озерно-аллювиальная почва; 2 – криозем; 3 – подзол иллювиально-железистый; 4 – торфянисто-глеевая мерзлая почва; 5 – аллювиальная серогумусовая почва

 

Радиальная почвенно-геохимическая структура криоземов совмещает черты элювиально-иллювиальной дифференциации и биогенной аккумуляции. Содержание халькофильных Pb и Cu имеет ярко выраженный поверхностно аккумулятивный характер, в то время как Fe, Ni, Cr имеют слабоконтрастное элювиально-иллювиальное распределение. В подзолах распределение всех элементов элювиально-иллювиальное, с минимумом в горизонте E. Для озерно-аллювиальной почвы основным процессом является осаждение илистых частиц на поверхности при весеннем повышении уровня воды в озере, что приводит к росту содержания в поверхностном горизонте Ni, Cr, Cu, Sr. Распределение Ni очень контрастное (0,2<R<23).

Таким образом, биогеохимические особенности почв в значительной степени определяются аккумуляцией халькофильных металлов в органогенных горизонтах. Для тундровых и лесотундровых ландшафтов свойственна аккумуляция халькофильных элементов в растениях различных таксономических групп. Данный вывод подтверждается исследованием [49], который выявил активное накопление халькофильных элементов в багульнике и пушице Уренгойских тундр и, напротив, малые концентрации сидерофильных элементов: Fe в 3,2 раза ниже среднемировых значений, Co – в 1,8 раз. Поэтому накопление на биогеохимическом барьере является важнейшим фактором, формирующим геохимическую структуру почвенного покрова.

Результаты определения элементного состава доминирующих растений представлены в таблице 2.

 

Таблица 2. Содержание химических элементов в растениях Надымского района ЯНАО, мг/кг абс. сухого вещества

Элементы	Растения
	Vaccinium uliginosum L. n=5		Sphagnum sp. L. n=5		Ledum palustre L. n=5		Betula nana L. n=7
	Me±SD	V,%	Me±SD	V,%	Me±SD	V,%	Me±SD	V,%
Ca	3100±601	18.1	1200±311	26,39	3800±867	24,4	4200±349	8,2
K	2500±439	16,6	1900±665	37,82	2900±583	20,8	3000±614	19,9
P	1200±370	31,4	400±181	39,49	800±376	42,8	1300±495	36,1
Si	1600±320	22,3	1700±3425	110,50	1400±724	45,3	1600±587	32,9
Mg	1300±167	13,3	600±270	42,22	900±212	23,6	1500±270	18,1
Na	400±531	120,9	200±286	130,16	300±216	51,6	400±325	73,6
S	1200±300	23,1	500±89,4	15,97	700±167	22,6	800±111	13,4
Zn	46,7±9,97	21,7	15,9±4,44	29,75	29,9±71,7	121,9	181±59,2	36,8
Cu	26,2±6,07	22,9	14,1±4,87	32,40	23,1±4,60	19,6	24,2±2,1	8,9
Ni	14,3±2,02	14,2	10,9±6,49	49,12	13±2,33	16,6	15,3±2,5	15,9
Co	8,6±6,84	58,7	8,7±3,86	38,09	8,9±2,74	27,1	8,3±0,6	7,0
Fe	55,4±7,62	12,9	225±270	90,88	113±119	87,0	149±80	48,8
Mn	340±194	48,9	303±186	66,95	785±208	27,1	690±485	61,3
Cr	20,8±3,36	16,4	18,3±18,7	68,16	24,9±6,48	27,4	26,6±5,5	21,2
Ti	7,1±0,589	8,6	5,9±18,9	132,27	7,3±6,21	62,1	7,4±0,387	5,2
Al	968±539	46,0	1055±421	33,83	1029±155	14,2	1122±141	12,4
Pb	24,1±4,32	18,4	22,9±13,2	47,54	40,8±32,6	70,1	32,2±42,3	71,8
Cd	43,1±13,7	34,6	30±22,4	58,55	45,2±22,8	48,3	46,6±25,7	45,7

 

Наиболее активным накоплением большинства элементов отличается карликовая березка (Betula nana L.), в которой отмечено максимальное содержание Ca, K, P, Mg, Zn, Ni. Интенсивное накопление элементов кустарниками (карликовой березкой и ивой) было ранее отмечено для тундр Ямала [49; 50]. Рассчитанный коэффициент биологического накопления Кб (рис. 4) показал, что к элементам энергичного и сильного накопления (Кб=n-100n) относятся свинец, молибден, кадмий, хлор, сера, что в целом соответствует рядам биологического поглощения по А.И. Перельману. У карликовой березы помимо вышеперечисленных элементов к элементам накопления относятся фосфор и цинк. Остальные элементы являются элементами захвата. По содержанию элементов слабого и очень слабого захвата, к которым относятся Co, Cr, Ti, Al [41], исследуемые растения различаются незначительно. Сфагновые мхи отличаются слабым накоплением катионогенных щелочных и щелочноземельные элементы, мигрирующие в основном в виде простых катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺).

 

Рис. 4. Значения коэффициентов биологического накопления

 

Выводы. Почвы Надым-Пуровского междуречья сформировались в результате длительной криогенной трансформации и выветривания, приведшей к абсолютному преобладанию до кремнезема в составе минеральных горизонтов. Отмечен дефицит большинства элементов по сравнению с кларком земной коры, кроме Co, Pb и Ti. Остальные элементы деконцентрируются, кларки рассеяния изменяются от 1,4 (Cr) до 4,0 (Mn). Процессы биологического накопления приводят к аккумулированию в поверхностных органогенных горизонтах литогенных почв и торфяниках халькофильных элементов (S, Cu, Pb, Zn), а также кальция и фосфора. Наиболее активно накапливает элементы карликовая березка, в которой отмечено максимальное содержание Ca, K, P, Mg, Zn, Ni.

About the authors

Dmitriy V. Moskovchenko

Tyumen Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: moskovchenko1965@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6338-7669

Dr. habil.

Russian Federation, Tyumen

Elizaveta A. Romanenko

Tyumen Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: leta-92@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-2964-1226
Russian Federation, Tyumen

References

Supplementary files