|
DOI: 10.7256/2453-8922.2020.3.33583
Дата направления статьи в редакцию:
01-08-2020
Дата публикации:
30-09-2020
Аннотация:
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – повсеместно распространенные органические загрязнители. Они образуются благодаря неполному окислению органического вещества, например, в результате техногенного сжигания топлива, отопления, природных пожаров, вулканизма, а также разложения органических остатков. В данной статье основное внимание уделено пирогенному фактору в образовании ПАУ в почвах. Предметом исследования являются ПАУ в почвах в районе Батагайского термоэрозионного мегаоврага, в Верхоянском улуса, Якутия. Рассмотрены особенности двух почвенных разрезов (индексы B-VG-2019/1 и B-VG-2019/3). Обе почвы постпирогенные и содержат визуально диагностируемые следы недавнего пожара: в приповерхностных горизонтах исследуемых разрезов обнаружены угольки, являющиеся следствием прохождения пожаров. Основными выводами проведенного исследования являются: 1). В почвах двухкольчатые ПАУ составляют 93%, а доли 3- и 4-кольчатых соединений примерно равны (4 и 3%, соответственно); 2). Средние значения содержания индивидуальных ПАУ в верхних (до 30 см) и нижних (глубже 30 см) горизонтах различаются. В верхних горизонтах общая концентрация ПАУ составляет 27 нг/г, в то время как в нижних – 14 нг/г; 3). 3) Основным биомаркером пожаров в данном случае является нафталин и его гомологи. Отсутствие ПАУ с большим молекулярным весом говорит, по всей вероятности, об относительно низкой интенсивности пожара. Наиболее высокие значения соотношения C/N отмечены в подстилочном горизонте они составляют 10,89 и 3,31, залегающие ниже почвы характеризуются значениями около 1, что обусловлено низким содержанием углерода и азота в почвенном профиле.
Ключевые слова:
Полициклические ароматические углеводороды, азот, углерод, почва, пирогенный фактор, двухкольчатые ПАУ, трехкольчатые ПАУ, Батагай, Верхоянский улус, Якутия
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант 19-17-00126).
Abstract: Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are the ubiquitous organic pollutants. They are formed as a result of incomplete oxidation of organic substance, for example, technogenic fuel combustion, heating system, wildfires, volcanism, and decomposition of organic residues. Special attention is given to pyrogenic factor of the formation of PAHs in soils. The subject of this research is PAHs in the soils of Batagaika thermoerosive carter in Northern Yakutia in Verkhoyansky Ulus in Yakutia. The author examines the peculiarities of two soil sections (indices B-VG-2019/1 and B-VG-2019/3). Both soils are post-pyrogenic and contain visible traces of a recent fire: embers are found in subsurface horizons of the examined sections, which indicate the recent fire. The following conclusion were formulated: 1) in soils, dicyclic PAHs account for 93%, while the proportions of tricyclic and tetracyclic compounds are roughly equivalent (4% and 3%, respectively); 2) the average values of individual PAHs in the upper (up to 30 cm) and lower (deeper than 30 cm) horizons differ. In the upper horizons, their total concentration is 27 ng/g, while in the lower horizons it is 14 ng/g; 3) in this case, the key biomarker of fires is naphthalene and its homologues. The absence of PAHs with considerable molecular weight most likely testifies to the relatively low fire intensity. The highest values of C/N ratio are noted in the bedding horizon: 10.89 and 3.31, and the lower soils are characterized with approximately 1, which is substantiated by the low content of carbon and nitrogen in the soil profile.
Keywords: Polycyclic aromatic hydrocarbons, nitrogen, carbon, soil, pyrogenic factor, two-ring PAHs, three-ring PAHs, Batagay, Verkhoyansk ulus, Yakutia
1. Введение
ПАУ – повсеместно распространенные органические загрязнители. Они образуются благодаря неполному окислению органического вещества, например, в результате техногенного сжигания топлива для нужд транспорта, отопления и промышленности, природных пожаров, вулканизма, а также разложения органических остатков.
Особый интерес представляют такие источники ПАУ, как природные пожары. Хотя сжигание древесины является источником ПАУ, и высокие концентрации были обнаружены в дымах различного происхождения, а также частицах, выбрасываемых при лесных пожарах, влияние лесных пожаров и древесной золы на содержание ПАУ в лесных почвах исследовано мало. Помимо поступления ПАУ в почвы в ходе пожара, существует также гипотеза о том, что увеличение pH почвы после пожара может увеличить содержание растворенного органического вещества и, следовательно, инициировать мобилизацию и перераспределение ПАУ, связанных с органическим веществом [1]. Цибарт и Геннадиев [2,3] описали влияние пожаров на состав ассоциации ПАУ в различных ландшафтах. Ими было установлено, что лесные пожары способствуют незначительному увеличению суммы ПАУ и привносу тяжелых 4- и 5-кольчатых соединений.
Влияние пожаров на почвенные ПАУ также зависит от интенсивности пожара. Во время лесных пожаров интенсивность пожара неоднородна из-за различий в составе горючих материалов и содержании влаги. В зависимости от интенсивности может образовываться белая и черная зола, происходить неполное (умеренное) горение (обычно 200-500 ° C, образуется) и почти полное (высокая интенсивность; обычно> 510 °C) сгорание, соответственно. Гофортом с соавторами [4] на примере исследования, проведенное в южной Калифорнии, было показано, что около 25% поверхности земли было покрыто белым пеплом, из-за высокотемпературного горения. По сравнению с черным пеплом, белый пепел обычно содержит больше минеральных материалов и меньше пирогенных / обугленных органических веществ. Исследования Вана с соавторами [5] показало, что белая зола имеет более высокую ароматичность во фракции экстрагируемого водой органического вещества по сравнению с черной золой и несгоревшим детритом. Было высказано предположение, что органическое вещество в белом золе было более ароматичным и гидрофильным, чем в черной золе [6].
В данной статье рассмотрены количества и ассоциации ПАУ в постпирогенных почвах в районе с. Батагай, Якутия. Актуальность исследования заключается в том, что в последние годы пожары в Сибири становятся все более серьезной проблемой и затрагивают все большие площади. Ранее ПАУ были также проанализированы для педогенного материала ледяных жил в том же районе, что в сочетании с почвенными данными информативно с точки зрения хронологических изменений ландшафтов [7, 8].
Одной из задач данного исследования – проанализировать содержание углерода и азота, а также соотношения этих элементов в генетических горизонтах почвенного покрова, выявить локальные особенности распределения углерода и азота, связанные с формированием почв в окрестностях Батагайского термоэрозионного мегаоврага.
Молярное отношение C/N рассчитано по результатам определения входящих в состав гумуса углерода и азота. Это отношение характеризует содержание азота в гумусе. Как известно, для большинства гумусовых горизонтов почв характерна величина C/N, равная 8-10, что отвечает высокой и средней обеспеченности гумуса азотом. Очень высокое отношение (18-20) свойственно бедному азотом гумусу красноземов и грубогумусным горизонтам лесных почв. Низкое отношение C/N (2-3) характерно для очень бедных гумусом горизонтов [9].
2. Объект исследования и природные условия
Авторами изучены почвенные профили, вскрывающиеся в окрестностях Батагайского термоэрозионного мегаоврага (рис. 1), расположенного в 10 км юго-восточнее пос. Батагай (около 17 км по шоссе и еще около 2 км по тропе), в Верхоянском улусе, Республики Якутия (Саха).
Рис. 1. Батагайский термоэрозионный мегаовраг. Фото К.Орлински
Климат, по данным метеостанции Батагай близок к умеренно-холодному. Среднегодовая температура воздуха составляет –14,8 °C.
Многолетнемерзлые породы в регионе характеризуются практически сплошным по латерали и по вертикали распространение, со средней годовой температурой грунта на глубине нулевых годовых амплитуд от –5,5 °C до –8,0 °C. Глубина сезонно-талого слоя составляет 0,2-0,4 м под лесом и мхом, и 0,4-1,2 м на безлесных территориях.
Растительность в районе исследований северо-таежного и лесотундрового типа в котором преобладают лиственница Кайандера, берёза (Betula middendorffii), береза карликовая, стланик кедровый, ольха, багульник, ива, ива плакучая, осина, лапчатка, мать и мачеха, одуванчик, подснежник, малина, шиповник, уохта (смородина дикуша), княженика, брусника, голубика и др.
В районе пос. Батагай распространены тундровые подбуры, подзолы, тундровые грубогумусные фрагментарные, а также аллювиальные почвы. Исследованные почвы относятся к светлоземам иллювиально-железистым мерзлотным и подзолам иллювиально-железистым постпирогенным мерзлотным. Структура профилей почв включает горизонты O – BF – C1f – C2fp – C3 – CRMfp – C4 (разрез B-VG-2019/1) и Opir – E – BHF – C1 – C2 (разрез B-VG-2019/3). Почвы отбирались до границы многолетнемерзлых пород.
Методы исследований
ПАУ в Батагайских почвах исследовались методом Шпольского. Спектроскопия Шпольского – метод определения ПАУ на основе открытого в 1952 г. профессором Э.В. Шпольским и его сотрудниками эффекта получения тонкой колебательной структуры электронных спектров сложных ароматических молекул в растворах n-алканов при температуре –196°C (77°K). Спектры люминесценции растворов таких молекул состоят из очень узких линий, положение которых в шкале длин волн, их взаимное расположение и относительные интенсивности характерны для каждой молекулярной структуры и могут считаться «паспортом» их нормального электронно-колебательного состояния [10]. Спектроскопия Шпольского зарекомендовала себя как надежный метод, подразумевающий минимальное воздействие на исследуемый объект.
Содержание углерода и азота проанализировано в 9 образцах с помощью элементного CHNS-анализаторе VARIO EL III V4.01 20.Aug. 2002, Elementar Analysensysteme GmbH, Германия. Пробоподготовка образцов включала в себя высушивание почв через сито и растирание резиновым пестиком в фарфоровой ступке. Точность – 0,1% от абсолютной величины при одновременном определении CHNS в 2 мг сульфаниловой кислоты; относительная ошибка менее 0,2 %.
Результаты
ПАУ в почвах в районе Бтагайского термоэрозионного мегаоврага
Максимальное содержание ПАУ в образцах из исследованных почв составило 42 нг/г, минимальное – 6 нг/г. Среднее содержание ПАУ по всем горизонтам составляет 20 нг/г, медиана – 17 нг/г. В структуре ассоциаций абсолютно преобладают легкие 2- и 3-кольчатые ПАУ: дифенил, фенантрен, гомологи нафталина, тяжелые в большинстве случаев обнаруживаются в количестве менее 1 нг/г.
Наблюдается тенденция к уменьшению суммарного содержания ПАУ с глубиной. Средние значения содержания индивидуальных ПАУ в нижних (глубже 30 см) и верхних (до 30 см) горизонтах различаются (рис. 2, 3). В верхних горизонтах общая концентрация ПАУ составляет 27 нг/г, в то время как в нижних – 14 нг/г (следует отметить, что обе эти цифры следует считать очень низкими, что дополнительно подтверждает отсутствие антропогенного источника ПАУ). Превышение образуется за счет большего количества гомологов нафталина (20 нг/г в среднем в верхних против 7 нг/г в среднем в нижних горизонтах). Также в верхних горизонтах повышено содержание некоторых других ПАУ, а именно фенантрена, хризена и антрацена. В нижних горизонтах чаще и в большем количество встречается бенз(ghi)перилен.
Рис. 2. Суммарное содержание и структура ассоциации ПАУ в профиле разреза B-VG-2019/1
Рис. 3. Суммарное содержание и структура ассоциации ПАУ в профиле разреза B-VG-2019/3
В обоих профилях (см. рис. 2 и 3) наблюдается также небольшое увеличение суммарного содержания ПАУ на глубине 30 см, приуроченное к горизонту С2fp в разрезе B-VG-2019/1 и к горизонту С1 в разрезе B-VG-2019/3, связанное, вероятно, с изменением плотности и гранулометрического состава почв, и, как следствие, наличием некоего механического барьера.
Исследуемые почвы затронуты пирогенным фактором: в приповерхностных горизонтах исследуемых разрезов обнаружены следы прохождения пожара (угольки). Количество ПАУ в горизонтах O и Opir наибольшее (35 нг/г в среднем). При этом ассоциация ПАУ в этих горизонтах неразнообразна: преобладающими являются гомологи нафталина, прочие ПАУ представлены пренебержимо малыми величинами.
Были проанализированы ассоциации ПАУ, приуроченные к различным горизонтам почв. Наиболее разнообразно ПАУ представлены в горизонтах С, в них обнаружено 7 соединений из исследуемого списка: дифенил, флуорен, гомологи нафталина, фенантрен, хризен, пирен, бенз(ghi)перилен. Наиболее бедными являются ассоциации в горизонтах Opir и E: в них обнаружено по 4 соединения из исследуемого списка, преимущественно гомологи нафталина и фенантрен (рис. 4).
Рис. 4. Структура ассоциаций ПАУ в различных горизонтах исследованных почв
Таблица 2. Содержание углерода и азота в почвах, изученных близ Батагайского термоэрозионного мегаоврага
|
Лаб. №
|
Код и глубина отбора (в скобках) образца и почвенный индекс
|
Координаты места отбора
|
N,%
|
C,%
|
C/N
(молярное)
|
|
62-4
|
B-VG-2019/1/1 – O (0-4)
|
67°31ʹ34.7ʹʹ с.ш.,
134°45ʹ45.4ʹʹ в.д.
|
1,12
|
10,46
|
10,89
|
|
63-4
|
B-VG-2019/1/3 – C1f (13-30)
|
0,54
|
0,47
|
1,02
|
|
64-4
|
B-VG-2019/1/5 – C3 (40(42)-50(52))
|
0,36
|
0,48
|
1,56
|
|
65-4
|
B-VG-2019/1/CRM – CRM (40- 45)
|
0,44
|
0,57
|
1,51
|
|
66-4
|
B-VG-2019/2/1 - O (0-5)
|
67°34ʹ7,16ʹʹ с.ш.,
134°45ʹ47,79ʹʹ в.д.
|
0,90
|
2,55
|
3,31
|
|
67-4
|
B-VG-2019/2/3 – C1f (12-25)
|
0,83
|
0,49
|
0,69
|
|
68-4
|
B-VG-2019/2/5 – C3f (47(56)-58)
|
0,55
|
0,56
|
1,19
|
|
69-4
|
B-VG-2019/2/7 – C1_|_(80- 90)
|
0,51
|
0,38
|
0,87
|
|
70-4
|
B-VG-2019/2/9 – C2_|_ (95- 100…)
|
0,54
|
0,68
|
1,47
|
Соотношение C к N в почвах в районе Батагайского термоэрозионного мегаоврага
Содержание азота и углерода в почвенных профилях невелико, максимумы отмечены только в верхних 5 см. В разрезе B-VG-2019/1, за исключением верхнего горизонта, среднее содержание азота составляет 0,45%, а углерода 0,5%. В разрезе B-VG-2019/2 за исключением верхнего горизонта, среднее содержание азота составляет 0,6%, а углерода 0,5%.
Профильное распределение соотношений углерода к азоту (C/N) в образцах почв, отобранных из генетических горизонтов разрезов B-VG-2019/1 и B-VG-2019/2 является однотипным: наибольшее значение этого соотношения наблюдается в верхнем горизонте почвы (табл. 2), а ниже значения сильно уменьшается, по сравнению с верхним горизонтом, и распределяется по профилю монотонно. В почве разреза B-VG-2019/1, диагностированной, как светлозём иллювиально-железистый мерзлотный, в верхнем тёмно-буром подстилочно-торфянистом горизонте O (0-4 см) соотношение C/N имеет значение 10,89, а в нижележащих серовато-охристых горизонтах почвообразующей породы (C1f, C3, CRM) варьирует в узких пределах от 1,02 в горизонте мёрзлой почвообразующей породы C1f (13-30 см) до 1,56 в горизонте почвообразующей породы С3 (40 (42) – 50 (52) см), что примерно в 10 раз меньше, чем в вышележащем горизонте. Аналогично, в почве разреза B-VG-2019/2, диагностированной, как подбур иллювиально-железистый мерзлотный, значение C/N в вышележащем красно-буром подстилочно-торфянистом горизонте О (0-5 см) составляет 3,31, а в нижележащих буровато-палевых горизонтах почвообразующей породы (C1f, C3f, C1_|_, C2_|_) оно варьирует в пределах от 0,69 в горизонте мёрзлой почвообразующей породы C1f (12-25 см) до 1,47 в горизонте многолетнемёрзлой почвообразующей породы C2_|_ (95-100 см), что примерно в 2,5-3 раза меньше, чем в верхних 5 см почвы. Также в почвах обоих разрезов имеет место малозаметная волнообразность профильного распределения значений C/N, при которой повышенные значения этого соотношения чередуются с пониженными по горизонтам.
Дискуссия
Содержание ПАУ в почвах в целом низкое. Это подтверждает предположение о том, что антропогенный фактор в данном случае воздействует минимально и источники ПАУ имеют природное происхождение. Наибольшие концентрации ПАУ, приуроченные к приповерхностным органогенным горизонтам, связаны, по всей вероятности, с двумя факторами: природными пожарами и преобразованием растительной биомассы. Кроме того, на глубине 30 см в обоих разрезах наблюдается небольшой максимум общей суммы ПАУ, что, скорее всего, связано с процессами выноса вещества вниз по профилю и c границей сезонно-талого слоя, выступающей в роли механического барьера.
Ассоциации ПАУ почвах в районе Батагайского термоэрозионного мегаоврага распределены нетипично. Несмотря на то, что горение биомасс считается источником тяжелых ПАУ, требующих много энергии для образования, в пирогенных горизонтах почв в районе пос. Батагай были обнаружены только легкие ПАУ (преимущественно нафталин и его гомологи). При этом в нижних горизонтах тяжелые ПАУ, такие как хризен, пирен, бенз(ghi)перилен, также встречаются. Поскольку на глубине маловероятно влияние каких-либо высокотемпературных процессов, можно предположить, что тяжелые ПАУ в глубоких частях профилей – результат биогенного либо породного фактора.
Влияние пожаров на ассоциацию ПАУ двояко: с одной стороны, пожар способствует продуцированию ПАУ в результате неполного сгорания органического вещества, а с другой – повышает их летучесть и удаляет из почвы. При этом нафталин и его гомологи продуцируются в результате пожаров интенсивнее, чем другие соединения. Этим можно объяснить структуру ассоциации ПАУ в исследованных пирогенных горизонтах, включающую большое количество нафталина и его гомологов при практически полном отсутствии прочих ПАУ.
Сходная структура ассоциаций ПАУ в постпирогенных почвах была ранее описана в литературе. Например, А. Вернью с соавторами [11] описывает ассоциацию, богатую нафталином и его гомологами, в почвах Средиземноморской Франции, многие годы подвергавшихся пирогенному воздействию, в то время как в контрольных почвах, не подвергавшихся влиянию пожара, ассоциация более разнообразна. В этой работе нафталин назван основным биомаркером пожаров. А. Р. Харпер с соавторами [12] проанализировал различные образцы древесной золы на содержание ПАУ. Согласно ему, содержание ПАУ в золе убывает по мере увеличения их молекулярного веса, так, 2-кольчатые представлены наибольшими концентрациями, 6-кольчатые – наименьшими. В качестве основных ПАУ, содержащихся в золе6 упоминаются нафталин, 1-метилнафталин, 2-метилнафталин.
А. С. Цибарт и А. Н. Геннадиев описывают несколько иную картину трансформации ассоциаций ПАУ в почвах в результате пожара; так, согласно их работе [13], описывающей последствия пожаров в почвах на примере Полистовского, Хакасского и норского заповедников, пожары способствуют накоплению тяжелых ПАУ, таких как бенз(ghi)перилен, бенз(а)антрацен. Отличия этих результатов от полученных на примере почв в районе Батагайского термоэрозионного мегаоврага, вероятно, связаны с различной интенсивностью и длительностью пожаров: можно предположить, что в случае Якутии имели место менее активные пожары, в результате чего температурное воздействие было незначительным и тяжелых биомаркеров образовано не было
Отношение C:N (TOC/TN в англоязычных научных статьях) при изучении отложений в зоне развития многолетнемерзлых пород часто используется как приблизительный индикатор степени деградации органического вещества или оценки скорости минерализации отложений . Если предположить, что источник органики постоянный, то более высокие значения указывают хорошую сохранность органики [14]. Считается, что о высокой скорости минерализации отложений в зоне развития многолетнемерзлых пород свидетельствуют значения C/N менее 12, средняя скорость минерализации соответствует значениям 13-25, более высокие показатели отражают низкую скорость минерализации органического вещества в отложениях [15]. Кроме того данный показатель используется для определения источника органического вещества/ Так по данным П. Мейерc [16]. Для водорослей значения C/N ratio находятся в интервале 3 and 9, в то время как наземные растения характеризуются значениями ≥ 17. Исследования едомы на северо-западе Аляски, на полуострове Болдуин [17] показали, что значения C/N варьируют в интервале 4.4-35, в среднем составляя 22,1. Интересно, что разрезе едомы с высоким содержанием щебня и визуальным полным отсутствием органики, значения C/N находятся в узком диапазоне 18-20. В пробах из верхнего горизонта едомы, выходящего на дневную поверхность, значения C/N как правило на 10-15 выше, чем в нижележащих горизонтах [17]. На острове Самойлова в дельте р. Лена [18] исследование почв, сформировавшихся на поверхности поймы и первой голоценовой террасы, показало, что в ряде случаев, при высоком содержании органического вещества резкого изменения значений C/N при переходе от первых 10 см в нижележащие отложения не наблюдается. Максимальное содержание углерода и азота отмечено в верхних 2 см почвенного покрова на голоценовой террасе Так среднее значение отношения C /N в верхнем слое составило 41 ± 14 на поверхности голоценовой террасы и 21 ± 11 на поверхности поймы. В основании почвенного разреза на глубине 100 см значение отношения C /N составило 21 ± 8 в разрезе голоценовой террасы и 13 ± 2 в разрезе поймы.
Сравнение содержания углерода и азота в отложениях едомы и аласа провел Т. Виндерш с соавторами [19], на примере - аласа Юкэчи в центральной Якутии (61.76495 с.ш., 130.46664 в.д.), (около 209 м над уровнем моря) и едомной толщи абалахской террасы (61.75967 с.ш., 130.47438 в.д.), расположенную на расстоянии менее 1 км на 9 м выше (218 м над уровнем моря), чем поверхность аласа, на междуречье Лены и Алдана. В обоих кернах и голоценовом и позднеплейстоценовом самые низкие значения δ13C локализованы в верхнем горизонте, поскольку органический материал является здесь самым свежим и, следовательно, наименее разложенным. Глубже значение δ13С выше (менее отрицательно) без общего тренда по глубине как в отложениях аласа, так и в едомной толще. По мнению авторов [19] этот результат указывает на то, что степень разложения органического материала соответствует длительности периода перехода отложений в многолетнемерзлое состояние. Поскольку значения δ13C не показывают четкой тенденции с глубиной переход в мерзлое состояние происходил однотипно в течсение накопления данной толщи. Отношение C/N в обоих кернах подтверждает эту гипотезу и соответствуюет результатам, полученным Й.Штрауссом и др. [14] и Н.Вайссом с соавторами [20] для других едом севера Якутии. Среднее значением отношения C/N в едомных отложениях равно 10, среднее значение отношения C/N для аласов равно 8 . Очевидно, что степень разложения органики в отложениях аласа выше из-за их оттаивания на стадии озера, в то время как органика, законсервированная в едомных отложениях не подвергалась процессам оттаивания. Возможно, что отложения едомы и аласа поступало очень небольшое количество органики, поскольку не обнаружено никаких доказательств наличия условий, благоприятствующих высокой скорости разложения [21]. Данные по значениям C/N получены по результатам исследований едомы Быковского полуострова [22] и Дуванного Яра [23].
Величина C/N в прослоях криопедолитов едомной толщи дельты р. Лены колеблется от 8 до 31, максимальное значение C/N отмечено, где отмечается повышенное содержание органического углерода. Наиболее низкие значения C /N не превышающие 4,5 отмечаются прослоях едомной толщи с повышенной льдистостью
Величина C/N хорошо коррелирует с количеством органического углерода, следовательно, содержание азота в отложениях изменяется не столь значительно по сравнению с содержанием углерода. В едоме Дуванного Яра значение отношения C/N в основном колеблется около 8, но в прослоях, содержащих торф или в криопедолитах, величина составляет 12-14 [23]. Результаты изучения почвенного профиля в Батагае свидетельствуют об экстремально низком содержании органического вещества даже по сравнению с ископаемыми почвами в соседних районах.
6. Выводы
В почвах, перекрывающих едомные отложения, в районе Батагайского термоэрозионного мегаоврага содержание ПАУ в целом невысоко, что говорит о минимальном антропогенном влиянии на почвы на данной территории. В почвах двухкольчатые ПАУ составляют 93%, а доли 3- и 4-кольчатых соединений примерно равны (4 и 3%, соответственно). Наблюдается тенденция к уменьшению суммы ПАУ с глубиной; так, на глубине 0-30 см средние концентрации составляют 27 нг/г, на глубине более 30 см – 14 нг/г. Подобное распределение связано с уменьшением суммарного содержания органического вещества. Превышение образуется за счет большего количества гомологов нафталина (20 нг/г в среднем в верхних против 7 нг/г в среднем в нижних горизонтах). Также в верхних горизонтах повышено содержание некоторых других ПАУ, а именно фенантрена, хризена и антрацена. В нижних горизонтах, чаще и в большем количество встречается бенз(ghi)перилен.
Пирогенное влияние в исследованных почвах, по всей вероятности, выражено в повышенном содержании и долевом участии нафталина и его гомологов в постпирогенных горизонтах. При этом прочие ПАУ, в том числе высокомолекулярные представлены в следовых количествах, что говорит о том, что пожары, по всей видимости, были не интенсивными.
В почвах, распространенных в окрестностях Батагайского термоэрозионного мегаоврага, наиболее высокие значения соотношения C/N отмечены в подстилочном горизонте (0-0,5 см), где они составляют 3,3-10,9. Более глубокие горизонты почв характеризуются значениями C/N около 1, что обусловлено низким содержанием углерода и азота в почвенном профиле.
7. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 18-05-60272 Арктика, определения содержания азота и углерода), РНФ (грант 19-17-00126, определения ПАУ и обобщение результатов). Авторы выражают благодарность профессору А.Н.Геннадиеву за консультации и Н.И.Хлыниной, инженеру лаборатории углеродистых веществ биосферы кафедры геохимии ландшафтов и географии почв Географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова за помощь в проведении аналитических работ.
Библиография
1. García-Falcón M. S., Soto-González B., Simal-Gándara J. Evolution of the concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons in burnt woodland soils // Environmental science & technology, 2006, vol. 40, No 3, p. 759–763.
2. Цибарт А. С. Полициклические ароматические углеводороды в пирогенных почвах заповедных территорий (Хакасский заповедник) // География и природные ресурсы, 2012, № 2, с. 50–55.
3. Цибарт А. С., Геннадиев А. Н. Полициклические ароматические углеводороды в почвах: источники, поведение, индикационное значение (обзор) // Почвоведение, 2013, № 7, с. 788–802.
4. Goforth B. R., Graham R. C., Hubbert K. R., Zanner C. W., Minnich R. A. Spatial distribution and properties of ash and thermally altered soils after high-severity forest fire, southern California // International Journal of Wildland Fire, 2005, vol. 14, No 4, p. 343–354.
5. Wang J. J., Dahlgren R. A., Ersan M. S., Karanfil T., Chow A. T. Wildfire altering terrestrial precursors of disinfection byproducts in forest detritus // Environ. Sci. Technol., 2015, vol. 49, No. 10, p. 5921−5929.
6. Chen H. et al. Wildfire burn intensity affects the quantity and speciation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils // ACS Earth and Space Chemistry, 2018, vol. 2, No. 12, p. 1262–1270.
7. Vasil’chuk Yu. K., Belik A. D., Budantseva N. A., Gennadiev A. N., Vasil’chuk J. Yu. Carbon Isotope Signatures and Polyarenes in the Pedogenic Material of Ice Wedges of the Batagay Yedoma (Yakutia) // Eurasian Soil Science, 2020, Vol. 53, No. 2, p. 187–196. doi: 10.1134/S1064229320020143
8. Vasil’chuk Yu.K., Vasil’chuk J.Yu., Budantseva N.A., Vasil’chuk A.C., Belik A.D., Bludushkina L.B., Ginzburg A.P., Krechetov P.P., Terskaya E.V. Major and trace elements, δ13C, and polycyclic aromatic hydrocarbons in the Late Pleistocene ice wedges: A case-study of Batagay yedoma, Central Yakutia // Applied Geochemistry, 2020, vol. 121, 104669. doi: 10.1016/j.apgeochem.2020.104669
9. Васильчук А.К., Васильчук Дж.Ю., Буданцева Н.А., Васильчук Ю.К., Терская Е.В., Кречетов П.П., Блудушкина Л.Б. Соотношение содержания углерода и азота в почвах литальза-ландшафтов в долине р. Сенца, Восточный Саян // Арктика и Антарктика, 2020, № 1, с. 75–97. doi: 10.7256/2453-8922.2020.1.32245
10. Пиковский Ю. И., Коротков Л.А., Смирнова М.А., Ковач Р.Г. Лабораторно-аналитические методы при определении углеводородного состояния почв (обзор) // Почвоведение, 2017, №. 10, с. 1165–1178.
11. Vergnoux A. et al. Impact of forest fires on PAH level and distribution in soils // Environmental research, 2011, vol. 111, No. 2, p. 193–198.
12. Harper A. R. et al. Chemical composition of wildfire ash produced in contrasting ecosystems and its toxicity to Daphnia magna // International Journal of Wildland Fire, 2019, vol. 28, No. 10, p. 726–737.
13. Цибарт А. С., Геннадиев А. Н. Ассоциации полициклических ароматических углеводородов в пройденных пожарами почвах // Вестник Московского университета. Серия 5. География, 2011, №. 3, с. 13–19.
14. Strauss J., Schirrmeister L., Mangelsdorf K., Eichhorn L., Wetterich S., Herzschuh U. Organic-matter quality of deep permafrost carbon – a study from Arctic Siberia // Biogeosciences, 2015, vol. 12, p. 2227–2245. doi: 10.5194/bg-12-2227-2015.
15. Walthert L., Zimmerman S., Blaser P., Luster J., Lüscher P. Waldböden der Schweiz. Band 1: Grundlagen und Region Jura. Birmensdorf: Eidgenöss Forschungsanstalt Wald Schnee Landschaft, 2004, 768 p.
16. Meyers P.A. Preservation of elemental and isotopic source identification of sedimentary organic matter // Chemical Geology, 1994, vol. 114, p. 289–302.
17. Jongejans L. L. Paleodynamics and organic carbon characteristics in a thermokarst affected landscape in West Alaska / MSc. Research GEO4-1520 2016 - 2017 Utrecht University. 75 р.
18. Zubrzycki S., Kutzbach L., Grosse G., Desyatkin A., Pfeiffer E.-M. Organic carbon and total nitrogen stocks in soils of the Lena River Delta // Biogeosciences, 2013, vol. 10, p. 3507–3524
19. Windirsch T., Grosse G., Ulrich M., Schirrmeister L., Fedorov A.N., Konstantinov P.Y., Fuchs M., Jongejans L.L., Wolter J., Opel T., Strauss J. Organic carbon characteristics in ice-rich permafrost in alas and Yedoma deposits, central Yakutia, Siberia // Biogeosciences, 2020, vol 17, p. 3797–3814. https://doi.org/10.5194/bg-17-3797-2020
20. Weiss N., Blok D., Elberling B., Hugelius G., Jørgensen C. J., Siewert M. B., Kuhry P. Thermokarst dynamics and soil organic matter characteristics controlling initial carbon release from permafrost soils in the Siberian Yedoma region // Sediment. Geol., 2016, vol. 340, p. 38–48. doi: 10.1016/j.sedgeo.2015.12.004, 2016.
21. Walter Anthony K. M., Zimov S. A., Grosse G., Jones M. C., Anthony P. M., Iii F. S. C., Finlay J. C., Mack M. C., Davydov S., Frenzel P., Frolking S.: A shift of thermokarst lakes from carbon sources to sinks during the Holocene epoch // Nature, 2014, vol. 511, p. 452–456. doi: 10.1038/nature13560.
22. Schirrmeister L., Froese D., Tumskoy V., Grosse G., Wetterich S. Yedoma: Late Pleistocene ice-rich syngenetic permafrost of Beringia // Encyclopedia of Quaternary Science, 2nd Edn., 2013, Elsevier, Amsterdam, p. 542–552.
23. Strauss J., Schirrmeister L., Wetterich S., Borchers A., Davydov S. P. Grain-size properties and organic-carbon stock of Yedoma Ice Complex permafrost from the Kolyma lowland, northeastern Siberia // Global Biogeochem. Cycles., 2012, vol. 26, GB3003. doi: 10.1029/2011GB004104.
References
1. García-Falcón M. S., Soto-González B., Simal-Gándara J. Evolution of the concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons in burnt woodland soils // Environmental science & technology, 2006, vol. 40, No 3, p. 759–763.
2. Tsibart A. S. Politsiklicheskie aromaticheskie uglevodorody v pirogennykh pochvakh zapovednykh territorii (Khakasskii zapovednik) // Geografiya i prirodnye resursy, 2012, № 2, s. 50–55.
3. Tsibart A. S., Gennadiev A. N. Politsiklicheskie aromaticheskie uglevodorody v pochvakh: istochniki, povedenie, indikatsionnoe znachenie (obzor) // Pochvovedenie, 2013, № 7, s. 788–802.
4. Goforth B. R., Graham R. C., Hubbert K. R., Zanner C. W., Minnich R. A. Spatial distribution and properties of ash and thermally altered soils after high-severity forest fire, southern California // International Journal of Wildland Fire, 2005, vol. 14, No 4, p. 343–354.
5. Wang J. J., Dahlgren R. A., Ersan M. S., Karanfil T., Chow A. T. Wildfire altering terrestrial precursors of disinfection byproducts in forest detritus // Environ. Sci. Technol., 2015, vol. 49, No. 10, p. 5921−5929.
6. Chen H. et al. Wildfire burn intensity affects the quantity and speciation of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils // ACS Earth and Space Chemistry, 2018, vol. 2, No. 12, p. 1262–1270.
7. Vasil’chuk Yu. K., Belik A. D., Budantseva N. A., Gennadiev A. N., Vasil’chuk J. Yu. Carbon Isotope Signatures and Polyarenes in the Pedogenic Material of Ice Wedges of the Batagay Yedoma (Yakutia) // Eurasian Soil Science, 2020, Vol. 53, No. 2, p. 187–196. doi: 10.1134/S1064229320020143
8. Vasil’chuk Yu.K., Vasil’chuk J.Yu., Budantseva N.A., Vasil’chuk A.C., Belik A.D., Bludushkina L.B., Ginzburg A.P., Krechetov P.P., Terskaya E.V. Major and trace elements, δ13C, and polycyclic aromatic hydrocarbons in the Late Pleistocene ice wedges: A case-study of Batagay yedoma, Central Yakutia // Applied Geochemistry, 2020, vol. 121, 104669. doi: 10.1016/j.apgeochem.2020.104669
9. Vasil'chuk A.K., Vasil'chuk Dzh.Yu., Budantseva N.A., Vasil'chuk Yu.K., Terskaya E.V., Krechetov P.P., Bludushkina L.B. Sootnoshenie soderzhaniya ugleroda i azota v pochvakh lital'za-landshaftov v doline r. Sentsa, Vostochnyi Sayan // Arktika i Antarktika, 2020, № 1, s. 75–97. doi: 10.7256/2453-8922.2020.1.32245
10. Pikovskii Yu. I., Korotkov L.A., Smirnova M.A., Kovach R.G. Laboratorno-analiticheskie metody pri opredelenii uglevodorodnogo sostoyaniya pochv (obzor) // Pochvovedenie, 2017, №. 10, s. 1165–1178.
11. Vergnoux A. et al. Impact of forest fires on PAH level and distribution in soils // Environmental research, 2011, vol. 111, No. 2, p. 193–198.
12. Harper A. R. et al. Chemical composition of wildfire ash produced in contrasting ecosystems and its toxicity to Daphnia magna // International Journal of Wildland Fire, 2019, vol. 28, No. 10, p. 726–737.
13. Tsibart A. S., Gennadiev A. N. Assotsiatsii politsiklicheskikh aromaticheskikh uglevodorodov v proidennykh pozharami pochvakh // Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5. Geografiya, 2011, №. 3, s. 13–19.
14. Strauss J., Schirrmeister L., Mangelsdorf K., Eichhorn L., Wetterich S., Herzschuh U. Organic-matter quality of deep permafrost carbon – a study from Arctic Siberia // Biogeosciences, 2015, vol. 12, p. 2227–2245. doi: 10.5194/bg-12-2227-2015.
15. Walthert L., Zimmerman S., Blaser P., Luster J., Lüscher P. Waldböden der Schweiz. Band 1: Grundlagen und Region Jura. Birmensdorf: Eidgenöss Forschungsanstalt Wald Schnee Landschaft, 2004, 768 p.
16. Meyers P.A. Preservation of elemental and isotopic source identification of sedimentary organic matter // Chemical Geology, 1994, vol. 114, p. 289–302.
17. Jongejans L. L. Paleodynamics and organic carbon characteristics in a thermokarst affected landscape in West Alaska / MSc. Research GEO4-1520 2016 - 2017 Utrecht University. 75 r.
18. Zubrzycki S., Kutzbach L., Grosse G., Desyatkin A., Pfeiffer E.-M. Organic carbon and total nitrogen stocks in soils of the Lena River Delta // Biogeosciences, 2013, vol. 10, p. 3507–3524
19. Windirsch T., Grosse G., Ulrich M., Schirrmeister L., Fedorov A.N., Konstantinov P.Y., Fuchs M., Jongejans L.L., Wolter J., Opel T., Strauss J. Organic carbon characteristics in ice-rich permafrost in alas and Yedoma deposits, central Yakutia, Siberia // Biogeosciences, 2020, vol 17, p. 3797–3814. https://doi.org/10.5194/bg-17-3797-2020
20. Weiss N., Blok D., Elberling B., Hugelius G., Jørgensen C. J., Siewert M. B., Kuhry P. Thermokarst dynamics and soil organic matter characteristics controlling initial carbon release from permafrost soils in the Siberian Yedoma region // Sediment. Geol., 2016, vol. 340, p. 38–48. doi: 10.1016/j.sedgeo.2015.12.004, 2016.
21. Walter Anthony K. M., Zimov S. A., Grosse G., Jones M. C., Anthony P. M., Iii F. S. C., Finlay J. C., Mack M. C., Davydov S., Frenzel P., Frolking S.: A shift of thermokarst lakes from carbon sources to sinks during the Holocene epoch // Nature, 2014, vol. 511, p. 452–456. doi: 10.1038/nature13560.
22. Schirrmeister L., Froese D., Tumskoy V., Grosse G., Wetterich S. Yedoma: Late Pleistocene ice-rich syngenetic permafrost of Beringia // Encyclopedia of Quaternary Science, 2nd Edn., 2013, Elsevier, Amsterdam, p. 542–552.
23. Strauss J., Schirrmeister L., Wetterich S., Borchers A., Davydov S. P. Grain-size properties and organic-carbon stock of Yedoma Ice Complex permafrost from the Kolyma lowland, northeastern Siberia // Global Biogeochem. Cycles., 2012, vol. 26, GB3003. doi: 10.1029/2011GB004104.
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.
Объектом исследования публикации «Вариации содержания ПАУ и соотношение содержания углерода и азота в почвах в районе Батагайского мегаоврага, север Якутии» являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) в постпирогенных почвах в районе пос. Батагай, в Верхоянском улусе, Республики Якутия (Саха). Предмет исследования - почвенные профили, вскрывающиеся в окрестностях Батагайского оврага-кратера расположенного в 10 км юго-восточнее пос. Батагай,
В ходе проведения работ использовались методы изучения электронных спектров сложных ароматических молекул, позволившим проанализировать молекулярные структуры и вариации содержания ПАУ в почвенных профилях. Содержание углерода и азота проанализировано в 9 образцах с помощью элементного CHNS-анализаторе VARIO EL III V4.01 20.Aug. 2002, Elementar Analysensysteme GmbH, Германия. Применение данных методик и оборудования позволяют получить достоверные данные.
Актуальность рассматриваемой темы определяется значительным изменением почв, вследствие их пирогенных преобразований. ПАУ являются одним из самых значимых органических загрязнителей образующихся при лесных пожарах и накапливающихся в почвенном горизонте. Большинство ПАУ являются токсичными для бактерий, они замедляют биологическое разложение, многие из них являются канцерогенными. В последние годы пожары в Сибири становятся все более серьезной проблемой и затрагивают все большие площади. Тем не менее, влияние пожаров и древесной золы на содержание ПАУ в лесных почвах исследовано мало, особенно это касается области распространения многолетнемёрзлых пород.
Научная новизна публикации заключается в том, что были проанализированы ассоциации ПАУ, приуроченные к различным горизонтам почв для территории криолитозоны, где ранее данные исследования не проводились Выявлено нетипичное распределение ассоциации ПАУ почвах в районе Батагайской едомы. Несмотря на то, что горение биомасс считается источником тяжелых ПАУ, требующих много энергии для образования, в пирогенных горизонтах почв в районе пос. Батагай были обнаружены только легкие ПАУ (преимущественно нафталин и его гомологи). При этом в нижних горизонтах тяжелые ПАУ, такие как хризен, пирен, бенз(ghi)перилен, встречаются.
Библиография насчитывает 23 источника. Широко представлены работы зарубежных исследователей. Большинство работ опубликовано в последнем десятилетии. Результаты, приводимые в статье, показывает её высокий научный уровень.
Апелляция к оппонентам корректна, доводы аргументированы.
Стиль работы свидетельствует о высоком уровне и широком научном кругозоре авторов. Структура работы логичная, изложение последовательное. Содержание статьи позволяет чётко и полно охарактеризовать проведённые исследования и сравнить полученные результаты с данными других исследователей.
Выводы следует сделать более развёрнутыми, в них следует не только привести полученные результаты, но и сделать обобщения в отношении перераспределения пирогенных ПАУ на территории распространения многолетнемёрзлых пород. Публикация привлечёт внимание специалистов геокриологов, экологов и физико-географов.
Имеются некоторые замечания.
В названии используется понятие мегаовраг, в тексте: овраг, овраг кратер. Надо использовать один термин. Следует отметить, что ни один из этих терминов не соответствует наблюдаемому явлению. В данном случае происходит термоденудационная переработка высокольдистых мерзлых пород, включающая комплекс парагенетических процессов (термокарст и термоэрозию).
Следует просмотреть текст и исправить имеющиеся орфографические и пунктуационные ошибки
Район исследования относится к территории сплошного распростанения иноголетнемёрзлых пород. В статье не учитываются влияние мерзлотных характеристик грунтов на перераспределение ПАУ. Сезонно-талый слой в районе исследованиясоставляет 0,2-0,4 м под лесом и мхом, и 0,4-1,2 м на безлесных территориях. Судя по приведённым данным образцы отбирались как из деятельного слоя, так и из верхнего горизонта многолетнемёрзлых пород. На профилях отбора образцов необходимо показать границу между деятельным слоем и мёрзлой породой. Сезонное промерзание и оттаивание может приводить к значительному перераспределению химических элементов, в многолетнемёрзлых породах их миграция ослабевает, но и в этом случае под воздействием температурных градиентов она наблюдается. В статье об этом не ничего не говорится. Возможно, с криогенным фактором связана меньшая выраженность в накоплении тяжелых ПАУ, таких как бенз(ghi)перилен, бенз(а)антрацен в районе Батагайской едомы.
Вывод о том что в случае Якутии имели место менее активные пожары, в результате чего накопление тяжелых биомаркеров образовано не было требует более аргументированных доказательств.
В статье отмечается, что наблюдается увеличение суммарного содержания ПАУ на глубине 30 см, приуроченное к горизонту С2fp в разрезе B-VG-2019/1 и к горизонту С1 в разрезе B-VG-2019/3, связанное, как отмечают авторы, вероятно, наличием некоего механического барьера. Не является ли этим барьером граница многолетнемёрзлых пород? Замечания главного редактора от 16.09.2020 :"Автор в полной мере учел замечания рецензентов и исправил статью. Доработанная статья рекомендуется к публикации"
|
© 1998 – 2024 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.
