ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 8, с. 941-952
ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 556.56:556.53
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА В БОЛОТНЫХ И РЕЧНЫХ ВОДАХ ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ ПО ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ВОД*
© 2014 г. Т. Т. Ефремова, О. П. Секретенко, С. П. Ефремов
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/28 е-шаП: efr2@ksc.krasn.ru, sekretenko@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 08.07.2013 г.
По данным многолетних сезонных наблюдений болотных и речных вод таежной зоны Западной Сибири построены высокозначимые линейные регрессионные модели взаимосвязи содержания органического углерода и оптической плотности вод. Оцененные параметры связи предлагаем использовать для определения содержания водорастворимого углерода. Включение только показателей оптической плотности вод в расчетные формулы делает их удобными в практическом применении. Регрессионные модели построены по данным определения углерода бихроматным методом, широко распространенном в почвенных и гидрохимических исследованиях. Расчетный метод создает предпосылки для оперативного мониторинга водорастворимых органических веществ, так как полученные данные будут сопоставимы с ранее опубликованными материалами о содержании углерода, определенного бихроматным методом. Полагаем, что регрессионные модели пригодны также для определения органического углерода в водных вытяжках органогенных почв.
Ключевые слова: поверхностные пресные воды, водорастворимые гуминовые соединения, спектро-фотометрический анализ, парная линейная регрессия.
Б01: 10.7868/80032180X14060033
ВВЕДЕНИЕ
Изучение потоков водорастворимых органических веществ позволяет получить более полные представления о биогеохимических циклах углерода в гидрографической сети как важной составляющей глобального цикла углерода. Гидрохимические исследования содержания и компонентного состава органического вещества водной фазы болот и таежных рек существенно расширились в последнее время и приобрели особую актуальность [2, 5, 8, 9, 10, 11, 16-18, 20-23]. Такие знания являются одним из важных инструментов рационального использования, охраны водных ресурсов и решения вопросов предотвращения экологических проблем как техногенного, так и природного характера. В настоящее время одной из актуальных является проблема глобального потепления климата, предположительно связанная с накоплением парниковых газов, в частности, СО2 в атмосфере. Болота, которые определяют значительный объем круговорота углерода на планете, вносят весомый вклад в этот процесс. С
* Работа выполнена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 69, РФФИ № 08-04-92501 (НЦНИЛ_а).
одной стороны, они обладают огромной емкостью для стока атмосферного СО2, с другой, являются главными генераторами гидрофильных органических соединений.
Одним из основных резервуаров растворенного углерода являются озерно-болотные угодья и речные системы Западной Сибири. Общие запасы болотных вод составляют здесь 863.1 км3 [8], в которых аккумулировано 50.1 млн т органического углерода. Воды болот и таежных рек преимущественно кислые, обладают низкой степенью минерализации и обогащены органическим веществом. Подавляющая часть растворенных органических веществ относится к классу специфических соединений гумусовой природы, которые окрашивают воды в бурый цвет различной интенсивности.
Исходя из высокой цветности болотных вод и таежных рек, сочли целесообразным использование оптической плотности окрашенных вод в оценке содержания органического углерода. Цвет отражает внутреннюю химическую структуру и функциональные свойства гумуса [14], активно влияющего на ход почвообразования, а, следовательно, и на потоки водорастворимого органического углерода. Значение оптической плотности (П)
80°
82°
84° Е
9
8
чо
• 1
2
4
Рис. 1. Карта-схема пунктов отбора образцов болотных и речных вод: 1 — точки отбора; 2 — населенные пункты; 3 — реки; 4 — болота.
соответствует величине экстинкции (ослабления света) раствора при толщине поглощающего слоя в 1 см [13]. Гумусовые вещества — типичные мута-бильные (изменчивые) природные соединения, и каждая методика их исследования имеет сравнительный, условный характер [14]. Поэтому разработка новых упрощенных методов и/или формализованного способа определения углерода гумусовой природы не только целесообразна, но существенно повышает продуктивность аналитической работы.
Цель исследований: выявить возможность прогнозирования содержания органического углерода на основе анализа его статистической связи с цветностью болотных и речных вод таежной зоны. Общие задачи: выявить тесноту и характер
взаимосвязи растворенного углерода и оптической плотности, оценить степень адекватности и параметры регрессионной модели, проверить гипотезу о значимости регрессии, построить доверительные интервалы для прогнозируемых значений, обозначить пределы использования предлагаемого способа прогнозирования.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Изучались болотные и речные воды таежной зоны левобережного сектора Обского бассейна (рис. 1). На плакорных и прибрежных местоположениях развиты различные типы открытых болот, заболоченных и болотных лесов, а также бессточные торфяные биогеотопы, включая грядово-мо-чажинные рямы дистрофного облика. Наряду с
девственными болотами, исследовались осушенные торфяные массивы, занятые лесными сообществами естественного происхождения.
Речные воды, включая р. Обь, изучались на примере рек 2-4 порядков, вытекающих с заболоченной территории, внутриболотных речек и водотоков с визуально ориентированным стоком, а также действующих осушительных каналов. Выполненная топоэкологическая дифференциация охватывает практически всю совокупность водно-болотных угодий, определяющих специфику накопления, миграции и трансформации органического углерода, исторически сложившуюся на территории Западносибирской равнины. Общая площадь, охваченная исследованиями, составляет около 200 тыс. км2. Лесистость и заболоченность территории, снижаясь с севера на юг, значительно варьирует и составляет 45-65 и 2540% соответственно.
Исследования проводились в сезонной динамике в течение 2009-2011 гг. Выполнено более 200 измерений оптической плотности вод с параллельным определением в них растворенного углерода. От общего числа наблюдений на реки приходится 32%. Среди болот доля олиготрофных составляет — 44%, евтрофных — 33 и мезотрофных — 23%, что приблизительно соответствует соотношению площадей их распространения в равнинной части Западной Сибири [6].
Определение органического углерода в водах болот и таежных рек (С вод) выполняли бихро-матным методом по Тюрину, гуминовые кислоты осаждали 0.5 М Н^04 при температуре 70—80°С, осадок растворяли 0.1 М №ОН [19]. Аликвоту 5— 20 см3 (в зависимости от густоты окраски щелочного раствора) выпаривали на водяной бане до слегка влажного состояния, в которой определяли углерод гуминовых кислот (С гк) по Тюрину. Углерод фульвокислот (С фк) находили по разности: С вод — С гк. Оптическую плотность вод, гу-миновых и фульвокислот измеряли в растворах с величиной рН 12—13 при длине волны X = 440 нм (синий светофильтр) и толщине кюветы 1 см [15] с помощью колориметра фотоэлектрического концентрационного (КФК-2). Соответствующая реакция среды достигались добавлением 1.0 М раствора №ОН в количестве 2 см3 к объему воды 20 см3 и 10 см3 щелочи к кислому фильтрату фульвокислот объемом 50 см3. В качестве раствора сравнения использовалась дистиллированная вода. Коэффициенты (индексы) оптической плот-
1 / Т^мг/мл т-тмг/мл \
ности гуминовых и фульвокислот (Егк' и Ефк' ) рассчитывали как отношение П/С с учетом разбавления. Вычисленные значения равны величине оптической плотности растворов при длине волны X = 440 нм в слое толщиной 1 см и концентрации 1 мг С (углерода) в 1 мл [15].
Статистический анализ связи содержания органического углерода и оптической плотности болотных и речных вод, а также предложения по использованию полученных уравнений, основаны на традиционных методах регрессионного анализа [3, 4]. При расчетах использовали программа $1аИ8Иса 6.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
За период наблюдений июнь—октябрь 2009— 2011 гг. количество растворенного органического углерода в среднем составило: в водах олиготроф-ных болот — 51.3 ± 3.69 мг/л, мезорофных 61.4 ± ± 3.80, евтрофных болот 16.0 ± 1.97 мг/л, в реках — 25.27 ± 1.68. В составе вод независимо от их природы доминируют фульвокислоты. Согласно значениям нижних и верхних квартилей, 50% болотных и речных вод содержат 80—90% фульвокислот и 10—20% гуминовых кислот от растворенного углерода (рис. 2). Индексы (коэффициенты) оптической плотности гуминовых и фульвокислот также свидетельствуют о близкой химической природе органических соединений поверхностных вод таежной зоны (рис. 3). Индекс оптической плотности, разработанный Плотниковой—Пономаревой, не утратил до сих пор своей значимости и рекомендован в качестве экспресс показателя глубины гумификации [1]. Увеличение индекса оптической плотности свидетельствует о возрастании доли ароматических структур в молекулах гумусовых кислот и снижении доли алифатической части. В водах олиготрофных, мезотрофных и евтрофных болот, а также таежных рек оптическая плотность гуминовых кислот в среднем равняется 6, варьируя в пределах 3.6—7.5, фульвокислот — 4 (3.0—5.2), то есть диапазон изменчивости коэффициентов относительно узкий, а значения
т;тмг/мл Т7мг/мл тт
Егк' и Ефк' принципиально не различаются. Из этого следует: а) гуминовые и фульвокислоты поверхностных вод таежной зоны близки по глубине гумификации, в) структура молекул гумусовых кислот в водах различного генезиса достаточно однородна. Ровные и низкие значения коэффициентов оптической плотности водорастворимых фульвокислот сближают их по этому показателю с фульвокислотами минеральных почв, в частности серыми лесными и даже черноземами [1]. Это подтверждает точку зрения Орлова, что фульво-кислоты представляют собой непрерывный ряд или группу соединений, одновременно существующих в любых почвенных условиях вследствие того, что не обладают резко обособленными с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.