Почвоведение, 2019, № 4, стр. 422-439

ВВЕДЕНИЕ

Север Западной Сибири относится к числу активно развивающихся регионов. Наряду с традиционными видами землепользования (оленеводством, охотой и рыболовством), в последние годы здесь интенсивно разрабатываются нефтегазоконденсатные месторождения, создается развернутая инфраструктура по их обустройству, строятся дороги, возводятся магистральные трубопроводы и линии электропередач, разрастаются города и поселки.

На территории Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) сосредоточено более 70% российских и 18% мировых запасов газа. В округе открыто 236 месторождений углеводородного сырья, из которых 77 находятся в промышленной разработке, 19 месторождений подготовлены к эксплуатации. На 140 месторождениях ведутся разведочные работы. Общая протяженность магистральных трубопроводов в округе составляет около 9 тыс. км, а суммарная проектная пропускная способность – около 600 млрд м³ газа в год. В настоящее время основная добыча углеводородного сырья осуществляется в Надым-Пур-Тазовской нефтегазоносной области, здесь действуют 6 предприятий нефтегазоперерабатывающей отрасли. При этом ЯНАО относится к числу высокоурбанизированных регионов России, где доля городского населения составляет около 84% [14]. Все это определяет заметный уровень техногенного воздействия на компоненты ландшафта. Доля выбросов загрязняющих веществ предприятиями, непосредственно относящимися к топливно-энергетическому комплексу (добыча горючих полезных ископаемых, производство нефтепродуктов, транспортировка по трубопроводам нефти, нефтепродуктов, газа и продуктов его переработки), в 2015 г. составила 573.535 тыс. т (2014 г. – 543.284 тыс. т) или 91% от всех выбросов округа.

В условиях загрязнения окружающей среды большое внимание уделяется изучению процессов естественной геохимической дифференциации и оценке природного фона содержания микроэлементов в почвах. Широко обсуждается вопрос о недостатках использования существующих нормативов валового содержания и подвижных форм тяжелых металлов (ТМ) [18, 19, 24, 44], но все же установленные ПДК и ОДК остаются основными критериями оценки уровня техногенного загрязнения почв. При этом важным показателем трансформации химического состава, а также нормирования содержания микроэлементов в почвах служит определение их регионального и локального геохимического фона. Оценке фоновых содержаний ТМ в почвах и донных отложениях посвящены крупные международные и национальные проекты (Barents Region, GEMAS, DEQ, Envirolink, NGSA и др.), материалы исследований представлены в отечественных [15–18, 21, 38, 40 ] и зарубежных публикациях [50, 54, 57, 65–68, 73, 74]. Однако установленные для севера Западной Сибири и сопряженных регионов данные либо малочисленны [15], либо расчеты проведены по результатам приближенно-количественного эмиссионного спектрального анализа [21, 40] и требуют уточнения современными методами. При исследовании донных осадков водных объектов, для которых в нашей стране отсутствует разработанная система ПДК, это единственный способ объективной оценки уровня их химического загрязнения [25, 62, 69].

Обосновывая необходимость совместного рассмотрения почв и донных осадков, необходимо указать, что тундровые системы часто позиционируют как водно-болотные угодья, в которых отмечается тесная взаимосвязь наземных и водных объектов [33]. Большинство озер имеет термокарстовое происхождение, размеры и форма которых крайне изменчивы в пространственно-временном измерении. В этих условиях наблюдается тесная взаимосвязь компонентов водных и наземных ландшафтов. Почвы тундр зачастую оказываются затопленными в половодье и паводки, и, наоборот, водная взвесь покрывает пойму и оказывается на дневной поверхности при спаде уровня воды. В этих условиях отчетливо прослеживается генетическая взаимосвязь химического состава почв и донных отложений.

ЯНАО относится к региону с зонально-провинциальными гидрохимическими особенностями поверхностных и подземных вод, выраженными в высоких концентрациях железа и марганца. Наряду с этим, ежегодно в поверхностные водные объекты автономного округа сбрасывается около 38 млн м³ сточных вод, из которых 70–90% недостаточно очищенные. В некоторых водных объектах автономного округа в результате хозяйственной деятельности в пределах водосборной площади отмечаются повышенные концентрации нефтепродуктов, фенолов, ионов ТМ, органических и биогенных веществ, а также высокие значения биохимического потребления кислорода за пять суток (БПК₅). К числу наиболее распространенных загрязняющих веществ, сопровождающих нарастающую техногенную нагрузку, относятся ТМ [14, 25, 37, 48, 71]. В этих условиях особое значение приобретает установление их региональных кларков в почвах и донных отложениях.

Цель работы – определение средних содержаний микроэлементов в донных отложениях и почвах (регионального геохимического фона) для изучения ландшафтно-геохимических условий севера Западной Сибири и использования в системе локального и производственного экологического мониторинга. В связи с этим были решены следующие задачи:

1) выявлена роль природных факторов в формировании химического состава почв и донных отложений тундровых и лесотундровых ландшафтов;

2) установлена связь содержания микроэлементов в почвах и донных отложениях с почвообразующими породами в зависимости от их генезиса и гранулометрического состава;

3) показана необходимость расчета региональных фоновых показателей отдельно для почв автономных и подчиненных геохимических позиций.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ

Район исследований располагается в пределах молодой эпигерцинской Западно-Сибирской плиты. Платформенный осадочный чехол выполнен юрскими, меловыми, палеогеновыми и четвертичными отложениями большой мощности [32, 45]. Четвертичные отложения, оказывающие наибольшее влияние на формирование почв и донных осадков, представлены поздненеоплейстоценовыми озерными, озерно-аллювиальными, аллювиально-морскими и аллювиальными образованиями, залегающими на долинных и бассейновых террасовых поверхностях разного гипсометрического уровня. Широко развиты голоценовые аллювиальные отложения пойменных террас. Породы в основном сложены монотонной толщей супесчано-суглинистых осадков и выглядят как чередование глин, супесей и песков [6]. Рельеф территории в целом равнинный при наличии ряда специфических форм, например, бугристых торфяников, достигающих в диаметре 10–15 м. Криогенные и посткриогенные процессы, вызванные наличием многолетней мерзлоты, определяют характер современного микро- и мезорельефа. Заболачивание территории приводит к выравниванию микропонижений за счет нарастания торфяников.

Основными типами почвообразующих пород на водораздельных равнинах севера Западной Сибири выступают породы легкого гранулометрического состава: суглинки и супеси, как сортированные пылеватые, так и мореноподобные с включением валунного материала. Развитые на низких речных террасах и в озерных котловинах песчаные почвообразующие породы нивелируют условия проявления зональности почв и обусловливают нечеткие переходы между подзонами, способствуют продвижению северных почв на юг. Подобное явление характерно для почвенного покрова Севера в целом [13]. При относительно бедном таксономическом наборе почв почвенный покров исследованной территории отличается пестротой и сложной структурой [39]. Относительно крупные и сравнительно однородные контуры образуют лишь болотные и аллювиальные почвы. Ареалы прочих почв представлены, как правило, регулярно-циклическими микрокомплексами, связанными с микрорельефом (пятнистым, бугорковатым, трещинно-полигональным, термопросадочно-мочажинным и др.), а также с мозаичностью и комплексностью растительного покрова. Изменение почв в пространстве четко сопряжено со сменой элементов мезорельефа, микроклимата, водного режима и растительности.

Широко распространены криометаморфические почвы (Turbic Cryosols) – светлоземы иллювиально-железистые (Spodic Cryosols по классификации WRB [58]) (O–E–BHF–CRM) [41]. Встречаются подбуры иллювиально-железистые (Entic Podzols) (O–BHF–BC–Cg). Преобладающими почвами в лесотундровых и северо-таежных ландшафтах являются подзолы иллювиально-железистые (Albic Podzols) (O–Е–BF–BC–C), иллювиально-железистые языковатые глееватые и иллювиально-железистые глееватые (Albic Gleyic Podzols) (O–E–BHF–BCg–Cg), а также глееземы типичные (Stagnic Gelic Gleysols) (O–G–CG), оподзоленные (Spodic Gleysols) (O–Ge–G–CG) и криогенно-ожелезненные (Spodic Gelic Gleysols) (O–Gcf–G–CG). Для недренированных плоских междуречий характерны торфяные почвы (Histosols): олиготрофные (Hemic Histosol) (O–TO–TT), эутрофные (Sapric Histosol) (O–TE–TT), олиготрофные мерзлотные (Hemic Cryic Histosol) (O–TO–TT⊥) и торфяно-глееземы (Histic Gleysols) (O–T–G). В поймах рек формируются аллювиальные почвы (Fluvisols) глеевые (Stagnic Fluvisols) (AY–G–СG), торфяно-глеевые (Histic) (T–G–CG) и гумусовые (Eutric Fluvisols) (AY–С).

Донные отложения водных объектов исследованной территории характеризуются различным генезисом (озерные, аллювиальные, старичные) и гранулометрическим составом: от пелитовых осадков до разнозернистых песков [2, 25]. Наиболее широко представлено три гранулометрических типа осадков. Мелкозернистые хорошо сортированные пески распространены на дне рек и в прибрежной зоне крупных озер. Илистые пески повсеместно встречаются в реках, озерах и старицах. Илы и торфянистые илы чаще залегают на дне стариц и небольших озер, в качестве наилка могут быть представлены в водотоках. Тип осадков во многом зависит от состава четвертичных отложений.

Объектом исследований являются почвы и донные осадки водных объектов тундр и лесотундр севера Западной Сибири. В период с 1993 по 2017 гг. в рамках фоновой оценки территории и производственного экологического мониторинга проведены комплексные геоэкологические исследования, в состав которых входил отбор проб почв и донных отложений на территории 30 нефтегазоконденсатных месторождений. Участки опробования выбирали в сходных физико-географических условиях вблизи объектов нефтегазовых промыслов и на фоновых территориях. Репрезентативность обеспечивали соблюдением общих требований к проведению пробоотбора (ГОСТ 7.4.1.02-83; ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ 17.4.4.02-84 и др.). Пробы почв отбирали из двух генетических горизонтов: поверхностного аккумулятивного (O, T) и срединного (BF, BHF, G). Всего за время исследований отобрано более 1700 проб почв. Следует подчеркнуть, что обследованные за обозначенный период лицензионные участки равномерно распределены по территории ЯНАО и охватывают практически все разнообразие ландшафтных и геолого-геохимических условий (рис. 1), а загрязнение почв и донных осадков в исследуемом районе в результате добычи углеводородного сырья носит локальный характер [25].

Во всех пробах почв и донных осадков определяли величину рН потенциометрическим методом; гранулометрический состав 52 образцов почв из опорных разрезов устанавливали пипеточным методом. Разделение образцов почв на легкие и тяжелые по гранулометрическому составу осуществляли по соотношению содержания физической глины (суммы частиц <0.01 мм) и физического песка (суммы частиц >0.01 мм), согласно классификации Н.А. Качинского (1957). В остальных пробах гранулометрический состав почв определяли в полевых условиях методом скатывания шнура по Н.А. Качинскому. Наряду с общими физико-химическими параметрами в пробах почв и донных отложений анализировали содержание металлов (Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pb, Hg, Sr, Sc, Cd, Ba). При установлении регионального геохимического фона использовали только результаты химического анализа образцов, выполненного методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) в Центральной лаборатории ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского. Анализ подвижных форм Cu, Zn, Ni, Co, Cr, Pb и Cd, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером, проводили в 120 пробах почв на атомно-абсорбционном спектрометре NovAA 300 в лаборатории геоэкологического мониторинга СПбГУ.

Для каждого лицензионного участка проводили расчет фоновых концентраций ТМ в почвах и донных осадках в соответствии с правилом трех сигм. За локальный фон принимали величину М ± δ, где М – среднее арифметическое содержание элемента в почвах и донных осадках после удаления аномальных концентраций, δ – стандартное отклонение. Аномальным содержанием ТМ для исследованной территории является содержание М ± 2δ, а сильно аномальным М ± 3δ [4].

Для установления аномальных концентраций элементов, обусловленных техногенными причинами или погрешностями при отборе и подготовке проб, применяли формулу, используемую в поисковой геохимии для расчета минимально-аномальных концентраций (x_min.an):

где M – среднее арифметическое содержание; δ – стандартное отклонение содержаний; t – коэффициент Стьюдента (значения его табулированы в зависимости от уровня значимости и числа проб).

Величина коэффициента Стьюдента с доверительной вероятностью 0.95 для выборки n = 60 и более составляет 2.0. Таким образом, окончательно формула имеет следующий вид: x_min.an = M ± 2δ.

Все значения, превышающие минимально-аномальную концентрацию, исключали из расчета регионального фона, который определяли по очищенным выборкам. В дальнейшем полученные результаты оценивали на сходство и различие средних по всем изучаемым элементам с помощью критерия Стьюдента. Это позволило дать обоснование объединения отдельных выборок при расчете регионального фона для разных типов почв.

При оценке влияния почвообразующих пород на формирование химического состава почв и донных осадков применяли метод ранжированных геохимических спектров с использованием парного коэффициента корреляции Спирмена [11]. Анализ выполняли на примере Берегового и Южно-Парусового лицензионных участков, на территории которых в основном залегают озерно-аллювиальные суглинки и супеси (laIII) и аллювиально-морские суглинки (amIII) соответственно.

Особенности вертикальной миграции металлов в почвенном разрезе выявляли с использованием показателя контрастности, который определялся как отношение максимального и минимального среднего содержания анализируемых металлов в выделенных горизонтах по типам почв. Его значение всегда больше единицы.

Практика расчета региональных кларков различных территорий показывает, что зачастую используется подход, основанный на административном делении территории, например, кларк почв Карелии [3], кларк административных районов ЯНАО [31, 46 ] и др. Однако более обоснованным представляется использование в качестве критерия выделения территорий их геологическое и ландшафтное сходство [7, 16]. Приуроченность севера Западной Сибири к определенным физико-географическим условиям, относительная минералого-геохимическая однородность позволяют использовать полученные данные для расчета регионального геохимического фона (регионального кларка) почв и донных осадков, ограничив территорию тундрами, лесотундрами и северо-таежными ландшафтами Надым-Пур-Тазовского региона.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ химического состава почв. Проведенные исследования показали, что изученные почвы отличаются низким содержанием ТМ (табл. 1). Их концентрация в 3–9 раз ниже кларковых значений [7, 42, 47, 68, 73], что хорошо согласуется с литературными данными [17, 20, 25, 27, 28, 35–37]. Вместе с тем содержание большинства ТМ в почвах характеризуется значительным разбросом величин.

Сопряженный анализ полученных данных, ландшафтно-геохимической обстановки и источников антропогенного воздействия показал, что существует несколько факторов, определяющих варьирование концентрации ТМ в почвах изученной территории. К их числу относятся высокая контрастность природных условий, определяющая сложный и мозаичный характер почвенного покрова, а также закономерности радиальной и латеральной миграции химических элементов [70, 72].

Почвообразующие породы района исследований существенно различаются по гранулометрическому составу: от глин и суглинков аллювиально-морского и озерно-аллювиального происхождения до аллювиальных разнозернистых песков (табл. 2). На них формируются почвы тяжелого и легкого гранулометрического состава, обладающие разной способностью к накоплению металлов (рис. 2). Уровень концентрации микроэлементов в почвах зависит от генезиса подстилающих четвертичных пород. Анализ состава верхненеоплейстоценовых и голоценовых отложений, слагающих территорию исследований, показал, что относительно низкое содержание микроэлементов в озерно-аллювиальных и аллювиальных отложениях сочетается с высокой концентрацией сидерофильных (V, Cr, Co, Ni) и халькофильных (Zn, Cu, Pb) элементов в аллювиально-морских отложениях третьей и четвертой морских террас. Повышенные содержания большинства ТМ характерны для почв Северо-Парусового, Южно-Парусового, Парусового, Западно-Песцового, Тазовско-Заполярного месторождений, формирующихся преимущественно на глинистых и суглинистых аллювиально-морских отложениях.

Особенность тундровой зоны – контрастность окислительно-восстановительных условий. Для заболоченных участков подчиненных геохимических позиций типична кислая восстановительная обстановка, переходящая в нижних горизонтах в глеевую; для автоморфных – окислительная среда в верхних горизонтах, обедненных гумусом и илистой фракцией [5, 6]. В результате отмечается увеличение содержания ТМ (Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Ba и V) в глеевых и иллювиальных горизонтах почв в среднем в 1.5–3 раза. Это согласуется с тем, что для торфяно-болотной почвы (Fibric Fluvic Histosols) характерно невысокое концентрирование сорбированных форм Fe, Ni и Co в гор. Ат, а торфянисто-глеевая почва (Histic Gleysols) характеризуется их аккумуляцией в гор. Т и B_G [1].

Закономерности аккумуляции ТМ меняются при переходе от полигональных к южным тундрам и лесотундрам [28, 29]. Наблюдается уменьшение концентрации Ba, Zn, Cu, Fe, Ni и Co в органогенных горизонтах почв от полигональных к плоско- и крупнобугристым торфяникам. Концентрация Pb, Cd в торфе остается практически постоянной, а содержание Cr и V увеличивается в плоскобугристых торфяниках.

Различия в микроэлементном составе почв исследованной территории наблюдаются и при переходе от торфяно-болотных к подзолистым почвам (подзолы иллювиально-железистые и торфяно-подзолы глеевые Histic Gleyic Podzol), что подтверждают литературные данные [8, 34, 38]. Органогенные горизонты подзолистых почв характеризуются более активной аккумуляцией Ba и Pb по сравнению с торфяно-болотными почвами, что подчеркивает отмеченную ранее способность Pb аккумулироваться в самой верхней части почвенного профиля: в подстилках, грубогумусовых и гумусовых горизонтах [12, 22]. На территории исследований Ва интенсивно поглощается кустарничками и кустарниками, определяя повышенное его содержание в органогенных горизонтах подзолистых почв (Podzols) [26]. Преимущественно легкий гранулометрический состав определяет также более высокую концентрацию Ва в лесных и лесотундровых почвах в составе полевых шпатов.

Подзолы иллювиально-железистые отличаются пониженным содержанием большинства ТМ, что связано с их низкими концентрациями в почвообразующих озерно-аллювиальных отложениях. Это согласуется с представлениями о бедности микроэлементного состава почв, сформировавшихся на песчаных породах и хорошо изученных на примере подзолов [54, 63, 65]. Наряду с этим, сравнение концентрации металлов в органогенных горизонтах тяжелых и легких по гранулометрическому составу почв (для p = 0.05) показало статистически достоверное превышение содержания Mn, Ni, Co, Cd, Cr, Fe и Sc в тяжелых почвах (табл. 3).

Техногенное загрязнение при освоении месторождений углеводородного сырья сопровождается увеличением концентрации всех изученных ТМ [25, 37, 49, 61]. Повышенные содержания Ba, Ni и V, обладающих низкой миграционной способностью в тундровых ландшафтах, отражают химическое загрязнение почв при нефтегазодобыче. Это согласуется с данными Ю.Н. Водяницкого с соавт. [10], отмечающих закрепление Ti, V, Cr, Ni, Zr и Ba при нефтяном загрязнении в верхнем слое торфа. Разливы шламовых растворов индицируются загрязнением почв Ba и Sr, а проведение сварочных работ при монтаже/демонтаже оборудования скважин и ремонте автомобильной техники – увеличением концентрации Mn в поверхностном слое почв [20]. Однако загрязнение почв в целом носит локальный характер и приурочено к объектам инфраструктуры нефтегазовых промыслов. Доля проб с превышением ОДК и ПДК составляет первые проценты от их общего количества [25].

Анализ химического состава донных отложений. Формирование химического состава донных осадков северных регионов обусловлено в основном седиментационным, вещественным и фациальным факторами [25, 51, 55]. Седиментационный фактор отражает зависимость содержания элементов от гранулометрического состава отложений. Вещественный фактор указывает на связь химизма осадков с подстилающими горными породами. Фациальный фактор раскрывает различные обстановки осадконакопления. Он обусловлен характером водного объекта (аллювиальные, старичные, озерные отложения) и степенью заболоченности ландшафтов.

Как показали исследования, содержание ТМ в донных осадках водных объектов в первую очередь определяется гранулометрическим составом отложений. При оценке распределения металлов отмечается значительное снижение их концентрации в ряду выделенных типов донных отложений: илы, торфянистые илы > илистые пески, алевриты > мелкозернистые пески. Так, среднее содержание в илах Fe и Mn в 11 раз, Ni – в 8.5, Co – в 6.5, Zn, Cu, Cr, V – в 5 раз больше, чем в мелкозернистых песках (рис. 3). Это обусловлено разной сорбционной способностью представленных гранулометрических типов осадков.

Различие в концентрации микроэлементов в четвертичных породах разного генезиса накладывает отпечаток на состав донных осадков, особенно представленных тонкодисперсными фракциями. Наименее значимым в формировании геохимической структуры донных отложений оказался фациальный фактор. Выполненная оценка выявила отсутствие статистически значимых различий содержания ТМ в донных осадках рек, озер и стариц одного и того же гранулометрического состава. Однако в заболоченных и заторфованных ландшафтах низменных равнин Надым-Пур-Тазовского региона установлена активная миграция и аккумуляция Fe и Mn. На окислительном барьере в реках эти металлы в форме гидроксидов осаждаются, создавая высокие концентрации в донных осадках (Fe до 17%; Mn более 0.2%). Таким образом, фациальный фактор оказывает влияние в основном на накопление Fe и Mn, а распределение остальных элементов в большей мере зависит от седиментационного и вещественного факторов.

Обоснование расчета фонового содержания (региональных кларков) ТМ в почвах и донных отложениях. В условиях высокой контрастности природных условий исследованной территории и проявления антропогенного загрязнения на локальном уровне, сложного и мозаичного характера почвенного покрова применение общеизвестных подходов (по гумусовому горизонту или средневзвешенному по всему почвенному разрезу) для расчета регионального фонового содержания ТМ в почвах представляется малоэффективным. Как было показано выше, химический состав почв формируется под влиянием состава и генезиса подстилающих пород и интенсивности торфонакопления, без учета которых невозможно оценить региональные фоновые показатели содержания ТМ в почвах. Существенным фактором выступает гранулометрический состав срединного горизонта почв.

Метод ранжированных геохимических спектров с использованием парного коэффициента корреляции Спирмена (на примере Берегового ЛУ) подтвердил большое влияние почвообразующих пород на микроэлементный состав почв. Ранжирование проведено по широко распространенным на территории лицензионного участка супесям и суглинкам озерно-аллювиального генезиса (laIII) (рис. 4). Влияние четвертичных пород на состав срединного гор. В отразилось в высоких коэффициентах корреляции Спирмена: в легких почвах с супесями r = 0.97, с суглинками 0.91; в тяжелых 0.95 и 0.85 соответственно. Значимая положительная корреляция спектра металлов с суглинками отмечается и в органогенных горизонтах почв как легкого (r = 0.63), так и тяжелого составов (r = 0.57). Зависимость спектра ТМ в аккумулятивных горизонтах от супесей выше (r = = 0.71 и 0.74 соответственно). При уровне значимости p = 0.05 критическое значение коэффициента корреляции Спирмена составляет 0.55. При этом необходимо отметить, что спектр металлов в торфяниках не коррелируется ни с супесями (r = = 0.22), ни с суглинками (r = –0.09) и определяется химизмом мхов и лишайников, участвующих в образовании торфов. Об этом свидетельствует коэффициент корреляции между содержанием микроэлементов в торфе и в лишайнике Cladonia alpestris (L.) Rabenh., равный 0.99 (при p = 0.05 критическое значение – 0.39). В то же время роль кустарничка Ledum decumbens (Ait.) Lodd. ex Steud в формировании микроэлементного состава торфов несущественна (r = 0.11).

Таким образом, химический состав торфяников, широко распространенных в подчиненных геохимических позициях тундровой и лесотундровой зоны, мало зависит от почвообразующих пород, что отличает их от минеральных почв автономных ландшафтов с дифференцированным профилем – светлоземов, подбуров, глееземов и др. Это подтверждает необходимость учитывать данный факт при проведении мониторинга и геоэкологических исследований и доказывает обоснованность введения фоновых значений содержания металлов отдельно для торфяников. Как известно, вопрос о необходимости разработки критериев оценки загрязнения торфяников неоднократно обсуждался в литературе [9, 43].

Анализ полученных спектров металлов в почвах позволяет говорить, что наиболее тесная связь с органическим веществом в ряду изученных элементов характерна для Cd, который отличается накоплением в торфяниках и аккумулятивном горизонте светлоземов, глееземов, подбуров и др. почв независимо от их гранулометрического состава. Концентрация Cd в органогенных горизонтах почв на легких и тяжелых почвообразующих породах (0.393 и 0.433 мг/кг соответственно) почти на порядок выше его содержания в срединных горизонтах (0.051 и 0.067 мг/кг). В меньшей степени такая закономерность типична и для Zn. Существенной причиной концентрации в верхнем горизонте служит высокая доля подвижных форм этих металлов, извлекаемых ацетатно-аммонийной вытяжкой с pH 4.8. Она составляет для Cd 24–45%, для Zn – 12–22%.

По отношению к почвообразующим породам в почвах (за исключением торфяников) наблюдается аккумуляция Pb. Основная группа сидерофильных металлов (V, Sc, Mn, Fe, Co, Ni) по сравнению с почвообразующими породами накапливается в иллювиальном гор. В и в органогенном горизонте почв, сформировавшихся на тяжелых по гранулометрическому составу почвообразующих породах, а Cr, Ba, Sr – только в иллювиальном горизонте. Из всех изученных металлов наиболее равномерным распределением по генетическим горизонтам характеризуется Cu.

Результаты факторного анализа методом главных компонент [20, 27, 29] подтвердили ведущую роль в формировании микроэлементного состава почв исследованной территории породного фактора, влияния гранулометрического состава почвообразующих пород и процесса торфонакопления, обусловленного неполным разложением органического вещества и низким содержанием ТМ, находящихся в составе растительных остатков.

Исходя из этого, расчет регионального геохимического фона проведен для органогенных горизонтов, легких и тяжелых срединных горизонтов почв раздельно. Разработка региональных показателей для почв с учетом их гранулометрического состава укладывается в алгоритм действующих ОДК валовых содержаний ТМ в почвах и не требует серьезной аргументации.

Важным моментом при проведении экологического мониторинга тундровых почв является нормирование химического состава органогенных горизонтов. Проведенные исследования показывают, что содержание всех ТМ в отложениях торфяников и органогенных горизонтах почв статистически достоверно меньше, чем в легких и тяжелых по гранулометрическому составу срединных горизонтах и почвообразующих породах. В то же время содержание ТМ в торфе и полуразложившихся органических остатках поверхностных горизонтов минеральных почв также существенно различается. Например, в торфяниках концентрация Ba, Mn, Sc, Sr и Pb в 3–5 раз, Zn, Co, Co и Cr в 2–3 раза ниже, чем в органогенных горизонтах минеральных почв. Исключение составляет содержание Cu, Ni, Fe, Cd и Hg, уровень которого практически не меняется в аккумулятивных горизонтах при переходе от автономных к подчиненным почвам.

При этом концентрации ТМ в органогенных горизонтах почв легкого и тяжелого гранулометрического состава относительно близки между собой, хотя сохраняются статистически значимые различия между содержаниями сидерофильных элементов. Однако они существенно меньше установленных расхождений между иллювиальными горизонтами и торфяниками. Это позволяет объединить аккумулятивные горизонты в одну выборку и провести расчет регионального геохимического фона ТМ для органогенных горизонтов почв в целом (табл. 4).

По способности накопления в генетических горизонтах почв в условиях многолетнемерзлых пород все изученные металлы можно разделить на две группы. Литофильные и сидерофильные элементы (Ba, Sc, Sr, Cr, Fe, V, Co) характеризуются уменьшением концентрации в ряду: гор. В (тяжелые почвы) > гор. В (легкие) > органогенный горизонт > торфяники. Халькофилы Zn, Cu, Pb концентрируются в первую очередь в органогенном горизонте и их содержание уменьшается в последовательности: органогенный горизонт > > гор. В тяжелые > гор. В легкие > торфяники, а Cd, Hg – органогенный горизонт > торфяники > > гор. В (тяжелые) > гор. В (легкие). Mn и Ni занимают промежуточную позицию: гор. В (тяжелые) > органогенный горизонт > гор. В (легкие) > > торфяники. При этом отмечается низкая контрастность распределения Zn, Cu, Ni и Pb по генетическим горизонтам: отношение максимальной средней концентрации к минимальной средней величине не превышает 2. У сидерофильных и литофильных металлов эта величина составляет от 4.1 (Fe) до 8.1 (V). Высокая контрастность распределения, приуроченность максимальных величин к иллювиальным горизонтам и тесная корреляционная связь с почвообразующими породами указывают на низкую миграционную способность этих элементов в мерзлотных условиях. Обратная закономерность выявлена для Cd и Hg, у которых высокий показатель контрастности указывает на выраженную концентрацию в органогенных горизонтах почв. Это обусловлено высокой долей сорбционно-карбонатных форм кадмия в почве (до 45%) и общей подвижностью ртути в окружающей среде.

В донных отложениях отмечаются сходные закономерности в аккумуляции ТМ в зависимости от гранулометрического состава и пород питающих провинций. Для всех металлов без исключения максимальные концентрации обнаружены в тонкодисперсных отложениях, минимальные – в песчаных. Различия могут достигать одного математического порядка. Влияние подстилающих четвертичных пород на состав современных донных отложений проявляется в меньшей степени. Разброс значений содержания металлов в породах, близких по гранулометрическому составу, отличается не более, чем в 2 раза.

Анализ корреляционных зависимостей состава четвертичных пород и современных донных отложений, выполненных с использованием метода ранжированных спектров, показал следующие результаты. Подобие геохимических спектров (коэффициент корреляции Спирмена r = = 0.84–0.89 при критическом значении r = 0.55) озерно-аллювиальных и аллювиально-морских отложений свидетельствует о близости геологических условий формирования пород, но разных обстановках осадконакопления. При формировании состава современных осадков различия в содержании металлов сглаживаются за счет перемешивания осадочного материала разного генезиса в процессе его переноса и осаждения. Так, при оценке спектров металлов на территории Берегового ЛУ современные илистые осадки в равной степени коррелируются с аллювиально-морскими (r = 0.93) и озерно-аллювиальными отложениями (r = 0.91). Илы водных объектов Южно-Парусового ЛУ также имеют близкие величины коэффициентов корреляции (r = 0.90 и 0.78 соответственно).

Таким образом, выполненный анализ позволяет говорить о необходимости установления регионального фона для разных гранулометрических типов отложений (табл. 5). Следует отметить, что в отличие от почв торфянистые осадки, прошедшие стадию гумификации, обогащены ТМ и по уровню содержания сопоставимы с илами.

Сравнение содержания металлов в почвах и донных осадках показало следующие особенности. Концентрация Ba, Sc, Hg, Cr, V, Fe в илах близка к аккумулятивному и срединному (для легких по составу) горизонтам почв, но уступает срединному горизонту тяжелых по составу почв. Содержание Co, Cu, Zn, Sr, Ba, Mn и Ni в илах сопоставимо с их количеством в срединном горизонте тяжелых почв. В донных осадках песчаного состава отмечается существенное снижение уровня концентрации всех элементов по сравнению с почвами.

Приведенные выше значения контрастности в почве для сидерофильных и литофильных металлов (за исключением Mn и Ni) свидетельствуют о выраженном накоплении их в срединных горизонтах глинистого и суглинистого состава. Данный факт говорит о низкой миграционной активности этих элементов. Вероятной причиной может служить формирование криогенного термодинамического барьера на границе многолетней мерзлоты [40], закрепление их в виде гидроксидов, а также извлечение миграционно-способных форм на сорбционном барьере в тонкодисперсных отложениях [30]. Это подтверждается низкой долей подвижных форм этих металлов: так, для Fe и Cr она не превышает 3% от валового содержания. Накопление халькофильных элементов в верхних почвенных горизонтах обусловлено их высокой подвижностью: под влиянием всасывающего действия корневых систем растений (Zn и Cu) и способности к хелатогенезу (Zn, Cu, Hg, Cd, Pb).

Сравнение региональных кларков Надым-Пур-Тазовского региона с установленными средними фоновыми содержаниями микроэлементов в почвах различных районов Земли показало, что полученные величины хорошо согласуются с данными по Большеземельской тундре [15] и существенно ниже значений, приводимых для Кольского полуострова, а также скандинавских и североамериканских тундр и лесотундр [63, 64]. Как видно из табл. 4, наблюдаются существенные различия химизма почв легкого и тяжелого гранулометрического состава. Песчаные и супесчаные почвы обеднены всеми изученными ТМ, что хорошо согласуется с известными закономерностями дифференциации и накопления химических элементов в почвах и донных осадках [23, 59, 73] и подтверждается опубликованными данными [60].

ВЫВОДЫ

1. Сравнение результатов с приводимыми в литературе данными, полученными методом ИСП-МС, позволяет утверждать, что содержание металлов в почвах Надым-Пур-Тазовского региона хорошо согласуется с химическим составом почв северных регионов Европы (Большеземельская тундра, тундры и лесотундры Кольского полуострова, Финляндии и Норвегии), но уступает показателям, приводимым для тундр и лесотундр Северной Америки. Вместе с тем химический состав почв изученного региона отличается значительной контрастностью в зависимости от структуры микро- и мезокомплексов, формирующих тундровые и лесотундровые ландшафты. К основным факторам, определяющим различия в содержании микроэлементов в почвах и донных отложениях, относятся их гранулометрический состав, обусловленный характером подстилающих горных пород и исходный химический состав четвертичных отложений.

2. Максимальные концентрации большинства ТМ (Ba, Mn, Zn, Cu, Ni, Co, Cd, Cr, Fe, V) наблюдаются в аккумулятивных и срединных горизонтах, сформировавшихся на тяжелых породах. В горизонтах почв на легких по гранулометрическому составу субстратах содержание их снижается в 1.5–1.8 раза. В донных осадках эти различия выражены еще сильнее: среднее содержание в илах Fe и Mn в 11 раз, Ni – в 8.5, Co – в 6.5, Zn, Cu, Cr, V – в 5 раз выше, чем в мелкозернистых песках.

3. Ландшафты типичных и южных тундр в основном формируются на поздненеоплейстоценовых аллювиально-морских отложениях 3 и 4 морских террас, лесотундровые и северо-таежные – на поздненеоплейстоценовых озерно-аллювиальных породах надпойменных террас разного гипсометрического уровня и голоценовых аллювиальных отложениях пойменных террас. Изучение химического состава пород показало, что относительно низкое содержание микроэлементов в озерно-аллювиальных и аллювиальных отложениях сочетается с повышенной концентрацией сидерофильных (V, Cr, Co, Ni) и халькофильных элементов (Zn, Cu, Pb) в аллювиально-морских отложениях.

4. Зависимость химического состава почв и донных осадков от четвертичных отложений подтверждается результатами факторного и спектрального анализов, которые показали высокую степень участия подстилающих пород в формировании химической структуры почв и донных осадков. Исключением стали торфяники, у которых отсутствуют достоверные статистические связи с химическим составом почвообразующих пород.

5. Специфика почвенной физико-химической миграции в условиях многолетнемерзлых пород приводит к накоплению литофильных и сидерофильных металлов в минеральном горизонте почв глинистого и тяжелосуглинистого состава с высокой контрастностью (отношение максимальной и минимальной концентраций в горизонтах почв), достигающей 8.1. Накопление халькофильных элементов, напротив, отмечается в верхних почвенных горизонтах, что обусловлено их высокой подвижностью. Контрастность содержания заметно меньше и не превышает 2.1. Аккумуляция в органогенных горизонтах в максимальной степени выражена у Cd и Hg с контрастностью 7.2 и 5.5 соответственно.

6. При разработке региональных кларков учтены существенные различия содержания ТМ в автономных и подчиненных геохимических позициях. На основе статистического анализа и метода ранжированных геохимических спектров обоснована необходимость определения регионального геохимического фона отдельно для органогенных горизонтов, двух минеральных (срединных) горизонтов почв легкого и тяжелого гранулометрического составов, а также торфяников. Минимальные значения большинства ТМ (Ba, Mn, Zn, Ni, Co, Pb, Cr, Fe, V, Sc и Sr) установлены в торфяниках, где концентрация в 2–8 раз ниже их содержания в глинистых и суглинистых срединных горизонтах. Исключение составляют Hg и Cd, содержание которых в торфяниках в 3–4 раза больше, чем в минеральных горизонтах. В донных осадках фоновые содержания рассчитаны для трех типов, охватывающих весь гранулометрический спектр отложений: илах (торфянистых илах), илистых песках (алевритах), а также в мелкозернистых песках. Полученные результаты рекомендуется использовать в локальном (производственном) мониторинге состояния и загрязнения окружающей среды на территории севера Западной Сибири.

Благодарность. Работа выполнена при поддержке гранта РГО-РФФИ № 17-05-41070.