Features of transformation of the natural waters’ composition with changes in the humidity of landscapes of the Valdai Hills

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Растущая с каждым днем антропогенная деятельность может привести к увеличению выбросов парниковых газов, повышению температуры воздуха, а также к изменению глобальных циркуляционных процессов, преобразованию режима выпадений атмосферных осадков с возможным увеличением засушливых периодов в некоторых районах (Varallyay, 2010). Подобные преобразования атмосферных выпадений отражаются на развитии геосистем, влияют на процессы почвообразования и изменяют свойства и функции почв.

В контексте изменения климата водный режим является одним из ключевых факторов, влияющих на изменение устойчивости почвенных агрегатов и химического состава почвенных вод (Kelishadi et al., 2018). Для пополнения запасов почвенной влаги важна не только сумма осадков, но и их распределение во времени. В условиях длительных засушливых периодов почвенный профиль иссушается и снижается эвапотранспирация (Gombos et al., 2019).

Изменение режима выпадения атмосферных осадков, вызванное изменениями климата, может иметь последствия для экосистем (изменение состава и массы микробного сообщества, соотношение бактерий и грибов и др.) вследствие того, что поступление атмосферной влаги контролирует биологические процессы в почвенном профиле и на его поверхности, влияя на биогеохимические циклы элементов (Nielsen and Ball, 2014). Так, (Johnson et. al., 2012) указывают, что удлинение засушливых периодов может вызвать нарушения в биогеохимическом круговороте углерода.

Водная фаза почв является наиболее чувствительной и быстрореагирующей средой на температурные изменения экосистем. Температура, главным образом, влияет на скорости внутрипочвенных химических реакций и на интенсивность протекания процессов сорбции и десорбции растворенных веществ, поэтому информация о температурном режиме оказывается актуальной при исследовании почвенных вод. В исследованиях (Chen et al., 2017) отмечалось, что температура почв и почвенной влаги изменяет скорость разложения и минерализации органических веществ.

В настоящее время большая часть исследований направлена на изучение гидрофизических вопросов инфильтрации атмосферной влаги в почвенные горизонты в зависимости от режима выпадения атмосферных осадков, однако исследований, направленных на выявление особенностей изменения химического состава мигрирующей влаги недостаточно, особенно на фоновых территориях (Tripolskaja and Kazlauskaite-Jadzevi, 2022).

Целью работы является выявление биогеохимических особенностей в системе атмосферные осадки—подкроновые воды—почвенные воды на Валдайской возвышенности при изменении водного режима теплого периода года.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальный участок располагался в 20 км северо-западнее г. Валдай, на водосборе оз. Гусиное (рис. 1) и был оборудован лизиметрическими установками для сбора почвенных вод и осадкосборниками. В пределах экспериментального участка распространены дерново-подзолы со следующим строением верхней части профиля: подстилка (O) мощностью до 5 см, бурая, стратифицирована, с присутствием растительных остатков разной степени разложенности; серогумусовый горизонт (AY) мощностью от 3 до 8 см, буровато-серый, супесчаный, комковатый, пронизан корнями; подзолистый горизонт (E) мощностью от 5 до 9 см белесовато-светло-серый, супесчаный, с неровной границей, комковатый. Следы оглеения отсутствуют, ввиду хорошей дренированности изучаемого участка (Классификация …, 2004). Почвы сформированы на четвертичных отложениях, которые представлены разнозернистыми желтовато-бурыми флювиогляциальными песками, галечниками и гравием. Четвертичные отложения перекрывают нижнекарбоновые образования. Водно-ледниковый аккумулятивный рельеф исследуемого участка представлен камовыми образованиями (Геоморфология …, 1969). Растительность представлена 110-летним сосняком черничным свежим, древостой характеризуется составом 5С3Е1Б1Ос, подлесок редкий состоит из Rhamnus frangula и Sоrbus aucupаria. В травяно-кустарничковом ярусе, с общим проективным покрытием 60–70%, преобладает Vaccinium myrtillus.

Рис. 1. Расположение экспериментальной площадки: 1 — оз. Гусиное; 2 — г. Валдай

Лизиметры створчатого типа были установлены на нижней границе оподзоленного слоя почвы на глубине от 17 до 20 см. Пробы лизиметрических вод являлись гравитационными водами из-под ненарушенного почвенного слоя. Принимающая емкость лизиметрической установки объемом 2 л была оснащена инертным фильтром. Фильтрат почвенных вод откачивался вакуумным насосом через выводящую трубку. Емкости для сбора проб атмосферных осадков представляли собой термохимически инертные бутыли (Vitlab, Германия) объемом 5 л с прикрепленной к горловине воронкой диаметром 25 см. Осадкосборники были установлены на высоте 2 м от поверхности земли на открытых участках с минимальным количеством растительности и в лесной зоне — под кронами сосен.

Исследования проводили с 2015 по 2019 г. в период положительных температур воздуха и жидких выпадений атмосферных осадков, начиная с середины апреля и заканчивая началом ноября. Всего было отобрано 106 образцов природных вод; количество проб атмосферных осадков – 35; подкроновых вод — 28; почвенных вод — 43. Пробы атмосферных осадков и лизиметрических вод систематически отбирали весной, летом и осенью в среднем один раз в 1.5 месяца.

Увлажненность ландшафтов атмосферными осадками оценивали по гидротермическому коэффициенту увлажнения (ГТК) Селянинова (Селянинов, 1928):

$\mathrm{ГТЛ}=\frac{\text{10}R}{{\displaystyle \sum T}}$,

где R — сумма осадков в миллиметрах за период с температурами выше +10°C, Σ T — сумма среднесуточных температур (°C) за тот же период.

При проведении исследования было выделено три диапазона увлажнения, что соответствовало: а) засушливому периоду (ГТК < 1); периоду достаточного увлажнения (1 < ГТК < 1.3); периоду избыточного увлажнения (ГТК > 1.3).

Пробоотбор природных вод осуществляли согласно методике (Eaton et al., 1992). Осадкосборники и лизиметрические установки были оснащены инертными сеточками (d = 10^–5 м) и инертным фильтром (стеклярус), для предотвращения попадания крупной взвеси в приемную бутыль.

Измерение pH, Eh, электропроводности, T °C (приборы MettlerTolledo) проводили в полевых условиях на месте отбора проб. Пробы для всех аналитических работ фильтровали через фильтры “Merck (Millipore)” с размером пор 0.45 мкм. Перманганатную окисляемость определяли титриметрическим методом, данный показатель характеризует количество органических кислот в исследуемых объектах (Берникова и др., 2013). Катионно-анионный состав (Ca²⁺, Na⁺, K⁺, SO₄^2–, HCO₃^— ; Cl^— ) измерялся с помощью ионного хроматографа Dionex ICS-6000EG (ГЕОХИ РАН), а также спектрофотометрическими методами сразу после отбора проб в лаборатории Валдайского филиала Государственного гидрологического института (ГГИ). Концентрации Al, Fe, Si, Mn определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС ИСП) в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН). Для статистической обработки массива данных химического состава природных вод был применен корреляционный анализ с использованием программы Statsoft Statistica 10.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В течение периода наблюдений в 2015 г. выпало 223 мм атмосферных осадков; в 2016 г. — 426 мм; в 2017 г. — 518 мм; в 2018 г. — 282 мм; в 2019 г. — 792 мм. Количество осадков, выпадающих на территорию исследования в период между отборами проб, варьировало от 17.2 до 337.1 мм, время между отборами проб — от 26 до 90 сут, а средняя температура воздуха составляла от 6.1 до 21.5°С, значение ГТК от 0.3 до 2.6 (табл. 1). Максимальным значениям ГТК (2.4, 2.6) соответствует наименьшее количество суток без осадков. В основном, для засушливого периода и периода достаточного увлажнения между отборами проб наблюдались неинтенсивные (менее 3 мм/сут) выпадения атмосферных осадков. Для периодов избыточного увлажнения характерно сокращение числа дней без выпадения осадков. Умеренные осадки способствуют более равномерному промыванию приземного слоя атмосферы и просачиванию воды сквозь почвенный профиль.

Таблица 1. Гидроклиматические характеристики периодов между отборами проб

Исследуемые природные воды классифицировали по Алекину (1970). Тип вод и минерализация широко варьировали по преобладающим катионам и анионам (табл. 2, рис. 2). В период избыточного увлажнения средние значения минерализации увеличивались в ряду атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды. Однако по сравнению с менее обводненными периодами, при избыточном увлажнении регистрируются наиболее низкие средние значения минерализации — в диапазоне от 6.2 до 10.6 мг/л в атмосферных осадках и почвенных водах соответственно. Для засушливого периода и периода достаточного увлажнения максимальные средние значения минерализации характерны для подкроновых вод (25.6 и 15.0 мг/л соответственно). При этом средние значения минерализации в засушливый период в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды значительно выше, чем в период достаточного увлажнения, и изменяются в диапазоне от 7.6 до 11.8 мг/л. Несмотря на значительное различие минерализации по периодам, полученные результаты не превышают фоновых значений (30 мг/л), характерных для региональных станций наблюдений в европейской части России (Еремина, 2019; Котова, 2012). При смене засушливого периода более влажным наблюдается резкое снижение минерализации атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод. Наибольший скачок снижения минерализации характерен для подкроновых вод, а наименьший — для почвенных вод. Выявленные изменения минерализации в атмосферных осадках и подкроновых водах обусловлена накоплением пыли в приземном слое атмосферы и на кронах деревьев в засушливый период. Подкроновые воды обогащаются основными ионами не только за счет смыва пыли, но и вследствие более активной жизнедеятельности биоты, а также при насыщении растений и других организмов продуктами метаболизма (Демаков, Исаев, 2015; Учватов, 2009; Vadassery et al., 2012). Поскольку в условиях засушливого режима накапливается значительное количество пыли на кронах деревьев, а согласно исследованиям (Turner and van Broekhuizen, 1992) вымывание элементов растет при увеличении времени взаимодействия осадков с хвоей, можно предположить, что в условиях засушливого периода среди процессов, определяющих поступление элементов с атмосферными осадками, преобладает смыв пыли с крон.

Таблица 2. Тип и средние значения минерализации атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод

Источник: (Алекин, 1970).

Рис. 2. Минерализация атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод в периоды с разным гидротермическим коэффициентом увлажнения.

Примечание. Крестик — средние значения. На оси абсцисс расположены изучаемые объекты в соответствующий период увлажненности; на оси ординат отображено значение минерализации (мг/л).

Снижение минерализации почвенных вод в засушливый период и период достаточного увлажнения по сравнению с периодом избыточного увлажнения указывает на преобладающие процессы сорбции и активного потребления элементов микроорганизмами и корнями растений. При смене засушливого периода избыточно увлажненным наблюдается не только резкое снижение минерализации, но и смена преобладающего катиона (калия на кальций), что вероятно, обусловлено преобладанием растворимых форм кальция в обменно-поглощающем комплексе почв. Для увлажненного периода характерно более интенсивное вымывание кальция из почвы (Шильников и др., 1989; Neilsen and Stevenson, 1983). Стоит отметить, что тип вод атмосферных осадков и подкроновых вод остается неизменным (гидрокарбонатным I-го типа) при смене степени увлажненности. Различие по преобладающему катиону обусловлено более высокой биофильностью калия в лесном ландшафте (Орлов, Безуглова, 2000).

Изменение основных параметров атмосферных, подкроновых и почвенных вод рассматривалось относительно количества выпадающих дождей. На состав атмосферных осадков первостепенное влияние оказывает частота выпадений, чем длиннее будет период засухи, тем больше пыли может накопиться в приземном слое атмосферы, которая может существенно обогатить дождевые воды открытых участков (Duce and Hoffman, 1976). При контакте атмосферных осадков с пологом леса, в первую очередь происходит задержка влаги, при слабом испарении влага взаимодействует с кронами деревьев и может попасть на поверхность и вглубь почвы, тем самым трансформируясь в почвенные воды (Петров и др., 1988; Учватов, 1985). От режима выпадения осадков и температуры зависит время взаимодействия атмосферных осадков с кронами деревьев, интенсивность испарения или конденсации влаги, что в конечном счете влияет на состав почвенных вод, который, главным образом, зависит от времени взаимодействия атмосферных осадков и почвенного субстрата. Содержание основных катионов, анионов и значений pH, Eh сильно варьируют в атмосферных осадках, подкроновых и почвенных водах.

Атмосферные осадки. Засушливый период характеризуется нейтральными и слабощелочными значениями рН атмосферных осадков, что связано с достаточно малым поступлением органических кислот (коэффициент корреляции Спирмена между значением рН и содержанием органических кислот r = 0.8). По мере увеличения количества атмосферных осадков их рН снижается, а количество органических кислот возрастает, что, вероятно, происходит из-за более интенсивного удаления углекислого газа атмосферными осадками. Однонаправленная динамика наблюдается для содержания основных катионов и анионов: при переходе от засушливого периода к периоду достаточного увлажнения средние концентрации Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Cl ^— , SO₄^{2 —} , HCO₃^– резко снижаются. По мере возрастания количества атмосферных осадков значения Eh увеличиваются. Вероятно, рост значения редокс-потенциала происходит из-за увеличения содержания растворенного кислорода в атмосферных осадках, вследствие этого доля окисленных и малорастворимых соединений элементов возрастает.

Подкроновые воды. Так же как в атмосферных осадках, средние концентрации Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Cl ^— , SO₄^{2 —} , Al³⁺, Fe³⁺, Mn²⁺ резко снижаются при смене засушливого периода увлажненным (табл. 3). Исключение — изменение содержания гидрокарбонат-ионов, вероятно, это наблюдается из-за того, что в условиях задержки атмосферных осадков кронами деревьев и умеренного распределения влаги биотический привнос анионов преобладает над геохимическим (Vanguelova, 2009). Максимальные средние значения показателей в период достаточного увлажнения отмечаются для гидрокарбонат-ионов, а минимальные — для содержания органических кислот и значений Eh.

Таблица 3. Катионно-анионный состав атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод при изменении водного режима

Примечание. В числителе — средние значения, в знаменателе — диапазон от минимального значения концентрации до максимального; COD Mn — перманганатная окисляемость.

Почвенные воды. Минимальные средние значения рН, Eh, содержания Na, органических кислот и SO₄^2– наблюдаются в период достаточного увлажнения, что подтверждается исследованиями Кравченко (2016). Максимальные средние концентрации наблюдаются для HCO₃^– , Mn²⁺, Fe²⁺ и Al³⁺. Если максимальные содержания гидрокарбонат-ионов, вероятно, унаследованы от подкроновых вод, то максимальным концентрациям Mn²⁺, Fe²⁺ соответствуют минимальные значения окислительно-восстановительного потенциала. Похожее поведение элементов рассматривается в (Popenda, 2014), где основное воздействие на скорость миграции катионов оказывает показатель редокс-потенциала.

Постепенное снижение среднего содержания при смене засушливого периода избыточно увлажненным характерно для Са²⁺, K⁺, Cl ^— . В условиях засушливого периода средние концентрации Al³⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ увеличиваются в ряду атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды, что, вероятно, связано с возрастающим содержанием органических кислот в системе (Starr et al., 1985). Независимо от смены условий влагообеспеченности значения рН снижаются в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды, а содержание органических кислот увеличивается, связь этих параметров подтверждается значимым обратным коэффициентом корреляции (r = –0.71), что типично для природных вод южнотаежных ландшафтов хвойной бореальной зоны (Первова, Евдокимова, 1984).

Максимальные средние концентрации хлорид-ионов в атмосферных осадках и подкроновых водах в засушливый период, вероятно, являются следствием более интенсивного испарения влаги. Содержание Cl^– независимо от водного режима увеличивается в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды, что связано с высокой миграционной способностью элемента в водной среде (Лукина, Никонов, 2004). При контакте атмосферных осадков и подкроновых вод с поверхностью почвы происходит кардинальное изменение условий для формирования почвенных вод. В табл. 4 отражены результаты корреляционного анализа, который использовался для связи каждой из исследованных переменных в химическом составе атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод.

Таблица 4. Коэффициент корреляции между компонентами химического состава в атмосферных осадках, подкроновых и почвенных водах

Согласно данным корреляционного анализа выявлялись достоверные сходства химического состава атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод относительно периодов увлажненности.

Засушливый период. Значимая корреляционная связь (p ≤ 0.05) ионов натрия, хлора и сульфатов сохраняется во всей исследуемой системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды, что может быть связано с единым (атмосферным) источником поступления ионов (см. табл. 4). Значимой корреляции содержания ионов калия и кальция в подкроновых водах и атмосферных осадках выявлено не было, а в подсистеме подкроновые воды — почвенными воды отмечается высокая корреляция (r > 0.88), что может указывать на преимущественно биогенное поступление катионов.

Период достаточного увлажнения. Высокая корреляционная связь, выявленная для ионов кальция и железа в подсистеме атмосферные осадки — подкроновые воды, сменяется незначимой в подсистеме подкроновые воды — почвенные воды, что указывает на различный источник поступления элементов в почвенных водах и атмосферных осадках. Если поступление ионов кальция и железа в атмосферные осадки и подкроновые воды, вероятно, связано с глобальным и региональным переносом аэрозолей, происхождение которых обусловлено выветриванием почвенных минералов (Ganor et al., 1991; Migliavacca et al., 2005), то в почвенные воды поступление катионов обусловлено, главным образом, выщелачиванием из почвенных горизонтов. Значимая положительная корреляция выявлена среди анионов подкроновых и почвенных вод.

Период избыточного увлажнения. Между атмосферными осадками и подкроновыми водами выявлена обратная значимая корреляция для марганца и железа, что, вероятно, связано со сменой источника поступления элементов: если в атмосферные осадки привнос металлов обусловлен выветриванием почвенных минералов, то в подкроновые воды более значимым становится влияние биотического фактора (Eludoyin and Ibitoye, 2018). Как и для засушливого периода высокая положительная корреляция сохраняется для ионов натрия и кальция в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды, что указывает на схожесть поведения элементов при различных водных режимах.

Таким образом, можно предположить, что поступление кальция в почвенные воды в период достаточного увлажнения, в основном, обусловлено выщелачиванием из почвенных минералов за счет более длительного взаимодействия атмосферных осадков с почвами. Тогда как в другие периоды (избыточного и засушливого увлажнения) определяющую роль в поступлении кальция в почвенные воды играет биотический фактор. Также поведение калия сходно в засушливый период и период избыточного увлажнения. В подсистеме атмосферные осадки — подкроновые воды для калия не было выявлено значимой корреляции, в подсистеме подкроновые воды — почвенные воды отмечалась высокая положительная корреляция, что говорит о преимущественно биогенном генезисе катиона.

ВЫВОДЫ

В течение засушливого периода наблюдаются максимальные значения минерализации в атмосферных осадках и подкроновых водах (20.5 и 25.6 мг/л соответственно), вследствие вымывания накопленной пыли из приземного слоя атмосферы и с крон деревьев. Смена преобладающего катиона (кальция на калий) отражает смену преобладания геохимических условий на биотические. Максимальные значения минерализации в рассматриваемой системе природных вод характерны для подкроновых вод, что происходит не только за счет смыва пыли, но и вследствие более активного влияния биоты. Смена гидрокарбонатного типа почвенных вод на гидрокарбонатно-сульфатный в засушливых условиях указывает на преобладающие процессы сорбции, потребления элементов микроорганизмами и корнями растений в почвенных водах.

Кислотность природных вод не зависит от условий влагообеспеченности и, главным образом, определяется содержанием органических кислот в системе атмосферные осадки — подкроновые воды — почвенные воды (r = 0.8). Содержание основных ионов резко снижается при смене засушливого периода избыточно увлажненным. В условиях засушливого периода миграционные свойства железа и марганца определяет изменение окислительно-восстановительной обстановки, которое меняет валентность элемента при трансформации атмосферных осадков в почвенные воды. Период избыточной увлажненности характеризуется резкой сменой кислотно-щелочного состояния (значения рН варьируют от 4.3 до 7.3), в которой наиболее контрастные изменения концентраций выявлены для Al.

На основе корреляционного анализа, который определяет связь каждой переменной химического состава атмосферных осадков, подкроновых и почвенных вод, установлено, что на поступление ионов кальция в почвенные воды в период избыточного увлажнения и в засушливый, ключевую роль оказывает биогенный фактор. В период достаточного увлажнения поступление ионов кальция и железа в атмосферные осадки и подкроновые воды, вероятно, связано с глобальным и региональным переносом аэрозолей, происхождение которых обусловлено выветриванием почвенных минералов, а в почвенные воды поступление катионов обусловлено, главным образом, выщелачиванием из почвенных горизонтов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22-17-00061.

FUNDING

The work was carried out with financial support from the Russian Science Foundation grant no. 22-17-00061.

About the authors

D. Yu. Baranov

Author for correspondence.
Email: dmitrybaranovjob@gmail.com
Russian Federation, Moscow

T. I. Moiseenko

Email: dmitrybaranovjob@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Location of the experimental site: 1 - Lake Gusinoe; 2 - Valdai

Download (378KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Mineralization of atmospheric precipitation, under-crown and soil waters during periods with different hydrothermal coefficient of moisture.

Download (17KB)

Indexing metadata