Основными биоценозами материковых территорий западного сегмента Арктики являются торфяно-болотные экосистемы, а именно бедные питательными веществами верховые сфагновые болота. Торфяники являются эффективным осадочным барьером для микроэлементов. Основные пути поступления металлов в торфяную массу омбротрофных болот представляют собой атмосферные осадки, аэрозоли и воздушную пыль [1]. По этой причине залежи верхового торфа являются геохимически автономными ландшафтами [2] и лучше всего подходят для регистрации природных и антропогенных частиц в воздухе [1]. Основной вклад в изобилие тяжелых металлов в окружающей среде вносят антропогенные источники, а именно сжигание ископаемого топлива, промышленное производство, добыча и переработка руды и сжигание городских и промышленных отходов.

В настоящей работе проводилось исследование двух районов Архангельской области: Черноозерская площадь, представляющая собой удаленный от антропогенных воздействий участок, и участок у поселка Рикасиха, подверженный значительному антропогенному загрязнению как со стороны п. Рикасиха, так и приносимыми атмосферными потоками от г. Северодвинска. Цель исследования: изучение физико-химических параметров и оценка накопления и распределения металлов в торфяных залежах западного сегмента Арктики.

Материалы и методы исследования

Образцы торфа были взяты в районе Черноозерской площади (профиль 1: шифр ТВ-1, 31 глубинный горизонт, глубина до 66 см, N 64.5189 °, E 40.0623 °, дата отбора 24.05.2018) и в районе п. Рикасиха (профиль 2: шифр Тd-1, 30 глубинных горизонтов, глубина до 60 см, N 65.6441 °, E 41.3580 °, дата отбора 1.10.2018) (Архангельская обл.) (рис. 1). Колонки торфа извлекались с помощью ПВХ трубы. Торф высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 °C.

Оценку активной и обменной кислотности торфа осуществляли согласно ГОСТу [3] путем потенциометрического измерения pH суспензии на анализаторе жидкостей Эксперт 001-3 (Эконикс, Россия) с применением комбинированного стеклянного электрода.

Определение содержания водорастворимых солей проводили на анализаторе жидкостей АНИОН 4100 (Инфраспак-Аналит, Россия) с использованием кондуктометрического датчика согласно ГОСТ [4].

Определение массовой доли карбонатов проводили следующим образом. Навеску торфа (msample) помещали в тигель, доведенный до постоянной массы при 900 °С. Далее последовательно прокаливали тигель с пробой при 525 °С и 900 °С до постоянной массы. Расчет ППП (LOI), % и ω (CO₃^2- ), % проводили по формулам

где m525 – масса тигля с пробой после прокаливания при 525 °С; m900 – масса тигля с пробой после прокаливания при 900 °С; ma.d.m. – масса сухой пробы, рассчитанная по формуле

Коэффициент пересчета =

=

где W – влажность пробы торфа в %, LOI – потери при прокаливании в %.

Определение массовой доли металлов Na, Mg, Al, Si, Fe, Ti и Cr проводили методом рентгенофлуоресцентного анализа на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-8000 (Shimadzu, Япония).

Определение массовой доли металлов Zn, Pb, Ni, Mn, Sr, Cu, V, Mo, Co, Cd и As проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на атомно-абсорбционном спектрометре AA-7000 (Shimadzu, Япония) согласно методике [5].

Результаты исследования и их обсуждение

Согласно полученным данным (рис. 2), исследуемый торф можно отнести к малозольному типу, поскольку величина зольности в основном не превышает 5 %. Тенденция снижения зольности при движении вниз по профилю объясняется атмосферным типом питания. В слое 6–18 см зафиксированы повышенные значения зольности (до 4,1 % и 7,8 % для профилей 1 и 2 соответственно), вероятно, обусловленные вымыванием элементов с поверхности или же временным антропогенным воздействием [6].

Величина показателя активной кислотности несущественно отличается для различных горизонтов и находится в интервале pH 3,17–3,89. Обменная кислотность находится в области пониженного значения pH (2,40–3,05 ед.). Исследуемый торф можно отнести к сильнокислой группе, поскольку значения рН ниже 4,5 единиц. Содержание водорастворимых солей в торфе находится в интервале 0,8–3,0 мг/г и 1,5–4,1 мг/г. Профиль 1 характеризуется более однородным распределением солей, но имеет максимумы содержания в поверхностном и придонном горизонтах, что, по-видимому, связано с поступлением солей из атмосферы и от минерального дна болота. Значения pH и минерализации позволяют отнести данные залежи к кислой окислительной фации олиготрофных торфяников, характерной для таежных ландшафтов [7]. Массовая доля карбонатов в торфе незначительна и находится в интервале 0,06–0,30 %. Для обоих разрезов характерно снижение содержания карбонатов по профилю, обусловленное их поступлением из атмосферы.

Таким образом, динамика изменения физико-химических показателей по глубине профилей залежей имеет как общие, так и некоторые отличительные черты, связанные с особенностями формирования и функционирования залежей (геохимическими и геоклиматическими параметрами) и уровнем антропогенного воздействия.

Исследование содержания металлов в торфе позволило выявить некоторые особенности их накопления. Так в верхних слоях торфа Черноозерской площади наблюдаются повышенные концентрации Ca, Mn, Mg, Zn и Cr (рис. 3), вероятно, связанные с поступлением частиц кимберлита, источниками которого выступают разработки месторождения алмазов имени М.В. Ломоносова и трубки В. Гриба. Для распределения металлов в торфе с района п. Рикасиха (рис. 4) можно отметить некоторые тенденции: для ряда элементов (Si, Fe, Al, Ti, Pb, Zn, V, Ni, Cu, Co, Mo, Cd) наблюдаются высокие концентрации на глубине 6–14 см, в то время как для другой группы металлов (Ca, Na, Mg, Cr) максимальное содержание выявлено на горизонтах 36–44 см.

Рис. 1. Карта отбора проб торфа

Рис. 2. Физико-химические параметры профилей торфа

Рис. 3. Концентрация металлов (мг/кг) в профиле торфа Черноозерской площади

В исследуемых профилях торфа наблюдается повышенное содержание Na, Ca и Mg в поверхностном слое (9500 мг/кг, 26000 мг/кг, 5000 мг/кг соответственно), что может быть обусловлено их миграцией к корням растений [8]. Распределения Na, Ca и Mg аналогичны друг другу, что говорит об общем источнике поставки в виде атмосферных осадков. Для торфа, отобранного у п. Рикасиха, повышенное содержание Na и Mg объясняется близостью Белого моря к месту отбора торфа.

Источником Fe и Mn в основном является атмосферная почвенная пыль. Высокое содержание данных металлов в поверхностных слоях торфа образуется за счет обогащения оксидами и их дальнейшего выщелачивания [9]. Распределение Fe для обоих разрезов схоже (скачок концентрации при 8–18 см), но для разреза 1 содержание данного металла больше. Алюминий, титан, кремний и стронций – элементы литогенной природы, и в омбротрофные болота они поставляются из атмосферной пыли за счет эрозии почвы, но антропогенное воздействие также может быть источником [10]. Торф профиля 1 характеризуется высокой максимальной концентрацией Ti, Al, Si и Fe на глубине 8–12 см (2330 мг/кг, 14200 мг/кг, 33300 мг/кг, 33700 мг/кг соответственно). Профили данных элементов схожи друг с другом, что позволяет сделать вывод о едином источнике загрязнения, вероятно связанном с периодом массового использования угольного топлива. Содержание Zn в торфе связано как с деятельностью человека, так и с накоплением растениями [11], что объясняет высокую концентрацию Zn в верхних слоях торфа у обоих профилей (41 мг/кг и 28 мг/кг соответственно). Повышенное содержание Cu в поверхностном слое торфа может быть связано с образованием сильных комплексов оксидов Cu с гуминовыми кислотами [12]. Также можно отметить, что в торфе, отобранном у п. Рикасиха, максимальная концентрация Ni в 2 раза выше по сравнению с торфом Черноозерской площади.

Источниками Cr, Cd, Co, As и V являются антропогенные выбросы в результате промышленного производства и сжигания ископаемого топлива [13]. Высокие значения концентраций данных металлов в верхней части торфа, отобранного у п. Рикасиха (6 мг/кг для Ni, 2,2 мг/кг для Со, 4,6 мг/кг для Cu, 0,111 мг/кг для Сd, 0,28 мг/кг для As и 7,6 мг/кг для V), говорит о недавнем загрязнении, вероятно, за счет промышленного производства в г. Северодвинске. Также необходимо отметить загрязнение разреза 2 хромом (150 мг/кг) и высокую концентрацию Cd (0,261 мг/кг) в верхнем горизонте торфа Черноозерской площади.

Рис. 4. Концентрация металлов (мг/кг) в профиле торфа, отобранного у п. Рикасиха