Комплексные биогеохимические исследования окружающей среды на острове Западный Шпицберген

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 550.47

КОМПЛЕКСНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСТРОВЕ ЗАПАДНЫЙ ШПИЦБЕРГЕН

Г. М. Кашулина1, Т. И. Литвинова1, С. В. Дрогобужская2, Л. А. Баскова1

1ФГБУН Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН 2ФГБУН Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН

Аннотация

Представлены результаты комплексных (верхние слои четвертичных отложений, верхние горизонты почв, 7 видов растений, дождевая вода и поверхностные воды) биогеохимических исследований окружающей среды на юго-западных побережьях острова Западный Шпицберген. В отобранных образцах определяли от 12 (растения) до 32 (почвы) химических элементов. Ключевые слова:

почвы, растения, дождевые воды, поверхностные воды, химический состав.

COMPLEX BIOGEOCHEMICAL ENVIRONMENTAL STUDIES ON WESTERN SPITSBERGEN ISLAND

1 1 Galina M. Kashulina , Tatyana I. Litvinova ,

2 1 Svetlana V. Drogobuzhskaya , Lyudmila A. Baskova

1N. A. Avronin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of the KSC of the RAS

I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw

Materials of the KSC of the RAS

Abstract

This article presents the results of the complex biogeochemical studies on the South-Western coasts of the island of Western Spitsbergen. The following media were studied and the following parameters were determined: rain and stream waters (pH, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, SO42-, Cl- and Al, Cd, Co, Cu, Mn, Ni, Sr и Zn Cr и Fe in the filtered waters), 7 plant species (Si, Al, Fe, P, Ca, Mg, Mn, K, Na, S, Cd, Sr), upper layers of the quaternary deposits and upper soil horizons (Si, Al, Fe, P, Ca, Mg, Mn, K, Na, S, Ag, As, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Rb, Sb, Sc, Se, Sn, Sr, Te, Tl, V и Zn).

Keywords:

soils, plants, rain water, stream water, chemical composition.

Введение

Архипелаг Шпицберген характеризуется уникальным сочетанием природных факторов: географического положения, геологического сложения, климата и рельефа. Поэтому изучение химического состава основных компонентов окружающей среды этой высокоширотной и до сих пор мало изученной территории представляет большой научный интерес. Применение комплексного биогеохимического подхода с одновременным изучением всех основных компонентов окружающей среды — атмосферных осадков, растительности, почв и поверхностных вод — позволяет более успешно решать фундаментальные задачи в области сразу нескольких смежных дисциплин. С другой стороны, освоение этой арктической территории и увеличивающееся антропогенное воздействие также требует изучения природных особенностей этой арктической территории.

Данная статья представляет обзор собственных комплексных биогеохимических исследований окружающей среды на юго-западных побережьях острова Западный Шпицберген.

Материалы и методы исследований

При организации биогеохимических исследований юго-западного побережья о-ва Западный Шпицберген использовался комплексный подход с опробованием всех основных компонентов окружающей среды: атмосферных осадков, почв [1-3], растений [4] и поверхностных вод [5].

Результаты и их обсуждение

Горные породы считаются основным первичным источником элементов для остальных поверхностных компонентов окружающей среды. Нижние горизонты AYaoC (глубина 30-40 см) обследованных 35 разрезов серогумусовых грубогумусных почв, заложенных на побережьях Исфьорда, Гренфьорда, Биллефьорда в районе Конгрессдален и Колесбухты, могут дать представление об особенностях химического состава верхнего слоя четвертичных отложений обследованной территории (табл. 1, 2). В большинстве случаев верхние четвертичные отложения были представлены кислыми породами с высоким содержанием SiO2 и экстремально низким содержанием CaO и MgO. Исключением являются 3 разреза из района Биллефьорда, в которых благодаря присутствию карбонатов содержание Са и Mg значительно выше.

В процессе почвообразования содержание всех важных биогенных элементов: Ca, Mg, К, P и Mn — в верхних горизонтах О/АО и AYao значительно увеличивается относительно почвообразующего материала, обеспечивая достаточно высокое плодородие почв, несмотря на высокое широтное положение территории.

Таблица 1

Медиана, минимум и максимум валовых концентраций главных элементов (% на прокаленную навеску) в основных горизонтах серогумусовых грубогумусных почв побережий о-ва Зап. Шпицберген и кларки содержания основных элементов в литосфере [6]

Элемент Кларк ЛУаоС

мин мед макс мин мед макс мин мед макс

8Ю2 61,2 61,2 73,8 78,8 66,4 72,6 78,7 48,6 71,8 76,3

Л^ 15,2 6,6 12,5 15,4 9,5 12,8 15,9 11,7 13,6 19,7

Fe2Oз 7,6 3,5 5,9 8,8 4,5 5,6 7,7 4,2 6,0 9,4

Т1О2 0,82 0,43 0,77 1,20 0,52 0,83 1,44 0,42 0,62 1,17

СаО 5,3 0,14 0,61 11,0 0,15 0,65 3,29 1,07 1,80 11,3

MgO 3,8 0,51 1,05 7,05 0,61 1,07 2,26 1,03 1,695 3,85

Р2О5 0,23 0,12 0,22 0,79 0,16 0,27 0,74 0,35 0,55 2,54

МпО 0,12 0,012 0,066 0,94 0,00 0,074 0,97 0,01 0,075 0,60

К2О 2,6 1,68 2,49 3,39 1,66 2,32 3,08 2,09 2,32 3,03

Сравнение с кларками (табл. 2) свидетельствует о том, что по содержанию Bi, Сг, Sc, Sn, V и Zn почвообразующий материал (гор. AYaoC) или верхние слои четвертичных отложений обследуемой территории близки к средним содержаниям в литосфере. Концентрации Ag (в 16 раз), As (в 8 раз), Se (в 4 раза) и Te (в 28 раз) и менее значительно Cd, Щ, Mo, Pb и Sb повышены, а концентрации Со, Си, Mn, N1, Rb, Sr (как и Ca) и Л снижены относительно кларка. В отличие от Ca, содержание Sr оставалось низким и в случае присутствия карбонатов.

Сравнение с данными исследования других территорий, однако, дает несколько отличную картину геохимических особенностей верхних слоев четвертичных отложений обследованного нами района. Так, концентрации большинства элементов (Ag, Сг, Си, Mn, N1, Pb, Rb, Se и Л) в нижней части наших разрезов близки по медианам и диапазону варьирования, верхним слоям четвертичных отложений на северо-востоке Европы [7]. Специфическими особенностями

почвообразующего материала на обследованной территории остаются повышенные содержания Л8 и пониженные — Мп и 8г. Очень высокие концентрации Л8 (до 17 мг/кг при частичной экстракции царской водкой) были обнаружены также в осадочных породах полуостровов Варангер (Норвегия) и Рыбачий [8], т. е. высокие содержания Л8 в четвертичных отложениях являются природной особенностью обследованной территории.

Таблица 2

Медиана, минимум и максимум общих концентраций элементов в основных горизонтах серогумусовых грубогумусных почв, а также средние содержания элементов в литосфере [6], мг/кг

Элемент Кларк О/АО ^ = 15) ЛУао ^ = 17) ЛУаоС ^ = 17)

медиана мин макс медиана мин макс медиана мин макс

Ag 0,073 0,22 <0,01 0,47 1,07 0,12 3,28 1,21 0,05 4,05

Л8 1,80 8,01 1,88 13,9 11,9 4,39 18,6 13,8 4,34 28,2

Б1 0,2 0,08 0,01 0,3 0,18 0,02 0,3 0,17 0,04 0,42

Сё 0,16 0,41 0,21 0,83 0,29 0,02 0,9 0,21 0,05 0,74

Со 23,00 9,53 5,03 13,9 11,3 6,59 30,9 13 7,73 28,1

Сг 93 49,8 20,3 72,8 69,8 28,7 143,5 68,1 39,4 132,4

Си 53,0 20,8 11,75 60 26,6 16,6 53,5 25,9 17,5 76,3

^ 0,04 0,4 0,02 1,28 0,11 <0,01 1,27 0,09 <0,01 0,65

Мп 900 224 82,2 1325 180 86,7 1344 214 82,8 134

Мо 1,2 1,1 0,58 7,39 1,64 0,49 9,44 1,74 0,21 8,71

N1 56,0 26,3 13,1 48,7 29,7 16,3 42,9 27,2 18,4 44,1

РЬ 12 17,5 9,3 41,3 15,3 8,63 43,2 18,7 9,75 33,1

ЯЬ 110 16,5 3,14 24,7 63,4 17 98,6 46,4 9,94 99,5

8Ь 0,3 0,55 0,31 1,31 0,78 0,43 1,54 0,8 0,57 1,64

8с 17,0 7,59 <0,01 14,6 12,1 3,28 22,4 14,1 11,5 67,6

8е 0,083 1,5 <0,01 4,46 0,71 <0,01 3,25 0,34 <0,01 2,8

8п 2,5 2,77 1,3 42 2,74 1,74 20,9 2,64 1,82 15,9

8г 370 79,7 25,4 89,7 27,5 6,84 67,5 30,3 5,72 85,8

Те 0,005 0,12 0,08 0,17 0,14 0,04 0,41 0,14 0,04 0,39

Т1 0,9 0,24 0,04 0,71 0,53 0,2 0,66 0,47 0,2 1,0

V 190 76,9 28,3 123,6 163,2 44,4 415,9 167,8 47,3 385,8

2п 68 62,4 36,1 151,3 62,3 35,1 139 73,2 42,7 108,8

В процессе почвообразования концентрации большинства элементов (Ag, Л8, Б1, ЯЬ, 8с, Т1, V, Со, Сг, Си, Мо, 8Ь и 2п) в верхнем органогенном горизонте О/АО снижаются относительно почвообразующего материала — гор. ЛУаоС (табл. 2). В то же время содержание Сё (в 2 раза), Щ (в 4 раза), 8е (в 4 раза) и 8г (в 2,5 раза) выше, чем в почвообразующем материале. Повышение концентраций Сё и ^ в верхних органогенных горизонтах почв также не связано с загрязнением, а является природной особенностью, поскольку было отмечено в почвах фоновых условий северо-востока Европы [7]. Верхний минеральный горизонт ЛУао имеет очень незначительные отличия по содержанию элементов от почвообразующего материала.

Несмотря на высокое широтное положение и очень низкие концентрации в почвообразующем материале, растения в окрестностях пос. Баренцбург обеспечены основными элементами питания — Са, Mg, К и Р на достаточно высоком уровне. Об этом свидетельствует сравнение полученных данных по некоторым видам растений с данными по северо-востоку

Европы (табл. 3). Общей особенностью химического состава растений в окрестностях пос. Баренцбург являются повышенные концентрации 81, А1, Бе. Это обусловлено выпадением большого количества геогенной пыли из-за наличия оголенных гор и грунтов.

Единичное опробование летних атмосферных осадков на метеоплощадке гидрометеорологической обсерватории «Баренцбург» показало, что по концентрациям основных ионов дождевая вода на Шпицбергене попадает в область высоких значений, свойственных

северо-востоку Европы (табл. 4). Это характерно не только для и С1-, повышенные

концентрации которых могут быть обусловлены влиянием морских аэрозолей, но также для Са2+, и К+. По данным одного образца (Д-04), концентрации А1, Сг, Си, Бе и 8г в фильтрованной части дождя в пос. Баренцбург находятся в области высоких, а Сё, Со, Мп и РЬ — в области низких значений, свойственных осадкам северо-востока Европы (табл. 5).

Таблица 3

Концентрации зольных элементов

Местность Si Al Fe P Ca Mg Mn K Na S

Листья вороники (Empetrum hermaphroditum), N =

Шпицберген 546 127 195 1308 4447 1514 395 5486 267 960

СВ Европы 187 59 60 1090 6120 1630 510 5080 30 1260

Листья ивы (Salix ssp.) , медиана из 5 образцов

Шпицберген 1032 254 216 3401 9517 4052 255 16027 267 1280

СВ Европы 97 24 79 3600 11000 3010 310 16500 22 2930

Ожика (Luzula confusa), N = 1

Шпицберген 5838 1899 1030 3270 2789 1688 542 22908 549 484

Аулакомний вздутый (Aulacomnium turgidum), медиана из 5 образцов

Шпицберген 2769 1169 1176 1334 4333 2864 39 3992 497 1080

Ракомитрий шерстистый (Racomitrium lanuginosum), N = 1

Шпицберген 4166 2999 3995 471 2217 1333 240 1336 193 516

Sanionia uncinata (с единичной примесью других мхов), N = 1

Шпицберген 5511 1640 2805 2450 6793 1568 54 5702 453 956

"илокомий блестящий (Hylocomium splendens), N = 1

Шпицберген 3241 1439 2088 1652 4426 3998 77 2673 571 1200

СВ Европы - 168 192 1390 2420 1070 389 4905 64 834

Таблица 4

Значения рН основных ионов (мг/л) в образцах дождевой воды (Д-04 и Д-13); медиана и минимум/максимум варьирование этих показателей в реках около пос. Баренцбург, в дождевой воде и в реках 1-2-го порядка на северо-востоке Европы [6]

Элемент Дождевые воды Поверхностные воды

Д-04 Д-13 СВ Европы

медиана мин-макс медиана мин-макс медиана мин-макс

pH - - 4,70 4,3-5,9 5,7 4,8-7,3 7,3 4,2-9,9

Ca2+ 1,5 2,8 0,5 0,05-3,6 22,0 9,3-64,7 7,8 0,4-418

Mg2+ 0,16 0,24 0,11 0,02-2,0 10,2 4,9-31,0 2,4 0,05-99,4

Na+ 1,2 2,3 0,3 0,1-1,6 10,5 6,2-73,0 2,7 0,2-81,7

K+ 0,32 0,83 0,12 0,05-3,3 1,8 0,94-3,1 1,0 < 0,02-42,3

so4_ 7,7 6,2 4,7 1,9-13,7 83,0 40,2-319,4 2,5 0,05-1140,0

Cl" 1,9 5,8 0,3 0,1-53,5 4,2 0,76-42,6 1,2 0,2-83,8

При этом концентрации основных ионов во всех обследованных поверхностных водах около пос. Баренцбург выше медианы из набора данных, представляющих реки 1-2-го порядка на северо-востоке Европы. Концентрации А1, Сё, Со, Си, Мп, N1, 8г и 2п в фильтрованной воде всех водотоков около пос. Баренцбург выше, а Сг и Бе значительно ниже медианы того же набора данных. Такие особенности химического состава поверхностных вод около пос. Баренцбург не согласуются с особенностями верхних слоев четвертичных отложений, которые, наоборот, значительно обеднены Са, М§, 8г и Мп, а уровни концентраций Сг и Бе не являются экстремально низкими.

Таблица 5

Концентрации элементов (мкг/л) в фильтрованной воде летних атмосферных осадков (Д-04); медианы и минимум/максимум варьирование концентраций в реках около пос. Баренцбург, в дождевой воде и реках 1-2-го порядка на северо-востоке Европы [7]

Элемент Дождевая вода Поверхностные воды

пос. Баренцбург = 1) СВ Европы

Д-04 медиана мин-макс медиана мин-макс медиана мин-макс

А1 312 34,2 3,8-659 71 18-644 49,1 0,8-2950

Сё 0,07 0,10 0,02-1,3 0,16 0,03-1,0 0,01 0,002-0,5

Со 0,03 0,08 0,03-10 1,79 0,01-14 0,1 0,025-20

Сг 0,9 0,2 0,05-6,7 0,09 0,07-0,2 0,4 0,03-7,8

Си 4,5 1,13 0,4-421 1,9 0,7-2,8 0,5 0,03-14

Бе 90 33 3,5-544 13 5-24 501 12-360

Мп 4 7 1,1-47 94 1-610 30,5 0,1-1390

N1 1,5 0,45 0,1-227 43 1-96 0,5 0,1-185

РЬ 0,9 2,1 0,5-28 0,06 0,05-0,2 0,13 0,01-9,4

8г 137 2,5 0,37-86 147 107-1290 352 2,0-11100

Поверхностные воды представлены 8 образцами, отобранными в окрестностях пос. Баренцбург: 4 образца представляют водотоки со смешанным питанием — за счет ледника, поверхностного и грунтового стока (в т. ч. река Грёндален и ручей Улаф) и 4 образца — небольшие ручьи, питающиеся за счет грунтовых вод. Несмотря на то, что эти образцы представляют относительно небольшую территорию, обследованные водотоки значительно отличаются между собой по концентрации основных ионов (табл. 4) и микроэлементов (табл. 5).

Заключение

Рекогносцировочные комплексные биогеохимические исследования на побережьях в юго-западной части о-ва Зап. Шпицберген показали, что верхние четвертичные отложения (один из основных первичных источников элементов для остальных поверхностных компонентов окружающей среды) характеризуются очень высоким содержанием 81 и Аб и экстремально низким — Са, М§, 8г и Мп. Несмотря на высокое широтное положение и низкие концентрации в почвообразующем материале, содержания большинства элементов в верхних горизонтах почв, растениях, атмосферных осадках и поверхностных водах не выходят за пределы диапазона варьирования, выявленного для этих сред на северо-востоке Европы. Высокие концентрации Аб, Сё, Н£ и 8е в верхних горизонтах почв, часто используемых в экологических целях, имеют естественное происхождение: повышенные концентрации в почвообразующем материале для Аб, и обогащение в процессе почвообразования для Сё и Н§.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кашулина Г. М. Геохимические особенности почв окрестностей Баренцбурга, Шпицберген // Комплексные исследования природы Шпицбергена. Апатиты: КНЦ РАН, 2006. Вып. 6. С. 321-330. 2. Переверзев В. Н. Почвы побережий фьордов острова Западный Шпицберген. Апатиты: КНЦ РАН, 2012. 122 с. 3. Биогеохимические особенности почв юго-западного побережья острова Западный Шпицберген / Г. М. Кашулина [и др.] // Труды XIV Всерос. (с междунар. участием) Ферсмановской научной сессии, посвященной 100-летию со дня рождения акад. АН СССР А. В. Сидоренко и д. г.-м. н. И. В. Белькова. Апатиты: КНЦ РАН, 2017. С. 426-428. 4. Кашулина Г. М., Баскова Л. А., Лихачев А. Ю. Химический состав растений окрестностей Баренцбурга, Шпицберген // Комплексные исследования природы Шпицбергена. Апатиты: КНЦ РАН, 2007. Вып. 7. С. 254-265. 5. Кашулина Г. М., Кашулин Н. А. Химический состав поверхностных вод окрестностей Баренцбурга, Шпицберген // Комплексные исследования природы Шпицбергена. Апатиты: КНЦ РАН, 2005. Вып. 5. С. 308-314. 6. Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов: справ.: в 6 кн. М.: Недра, 1994-1997. 7. Geochemical atlas of eastern Barents region / R. Salminen [et al.] // J. Geochemical Exploration. 2004. Vol. 83, No. 1-3. 530 p. 8. Environmental Geochemical Atlas of the Central Barents Region. NGU-GTK-CKE special publication / C. Reimann [et al.] // Geological Survey of Norway, Trondheim. 1998. 745 p. 9. Comparison of the element composition in several plant species and their substrate from a 1,500,000 km2 — area in Northern Europe / C. Reimann [et al.] // The Sci. of the Total Environment. 2001. Vol. 278. P. 87-112.

Сведения об авторах

Кашулина Галина Михайловна — доктор биологических наук, заведующий лабораторией почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: galina. kashulina@gmail .com

Литвинова Татьяна Ивановна — младший научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: lita_0409@mail.ru

Дрогобужская Светлана Витальевна — кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН E-mail: Drogo_sv@chemy. kolasc.net.ru

Баскова Людмила Алексеевна — младший научный сотрудник лаборатории почвоведения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН

Author Affiliation

Galina M. Kashulina — Doctor of Sciences (Bio), Head of Laboratory of Soil Science at the N. A. Avronin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of the KSC of the RAS E-mail: galina.kashulina@gmail.com

Tatyana I. Litvinova — Junior Researcher of Laboratory of Soil Science at the N. A. Avronin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of the KSC of the RAS E-mail: lita_0409@mail.ru

Svetlana V. Drogobuzhskaya — PhD (Chemistry), Associate Professor, Senior Researcher at the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS

E-mail: Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru

Baskova Lyudmila A. — Junior Researcher of Laboratory of Soil Science at the N. A. Avronin Polar-Alpine Botanical Garden-Institute of the KSC of the RAS

Библиографическое описание статьи

Кашулина, Г. М. Комплексные биогеохимические исследования окружающей среды на острове Западный Шпицберген / Г. М. Кашулина [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 4 (9). — С. 75-80.

Reference

Kashulina Galina M., Litvinova Tatyana I., Drogobuzhskaya Svetlana V., Baskova Lyudmila A. Complex Biogeochemical Environmental Studies on Western Spitsbergen Island. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 4 (9), pp. 75-80. (In Russ.).