ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 4, с. 454-468
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ^^^^^^^^^^^^ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 628.81
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДАХ
__V 1
СУШИ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ВОДНОЙ МИГРАЦИИ1
© 2007 г. Т. И. Моисеенко, Н. А. Гашкина
Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 22.06.2006 г.
Приведены результаты исследований элементного состава поверхностных вод суши на территории Европейской части России от тундровой до аридной зоны. Рассчитаны относительные содержания элементов в "сухом остатке" вод различных природно-климатических зон и дан анализ их обогащения или рассеивания в водах суши по отношению к кларкам горных пород, слагающих водосборы. Определены коэффициенты водной миграции и выделены основные элементы, которыми поверхностные воды обогащаются под воздействием антропогенных нагрузок. Дана характеристика территориального распределения повышенных концентраций наиболее опасных элементов в водах озер.
Понимание закономерностей распространения элементов в поверхностных водах суши и причин повышения их концентраций на региональном и глобальном уровне - одна из актуальных проблем современной экологии и геохимии. Химический состав поверхностных вод суши, включая и микроэлементный, формируется в результате сложных многоступенчатых процессов, происходящих как на водосборе, так и в самом водоеме. Один из основных факторов, определяющих химический состав вод - литологические условия, а именно, геологическая структура водосбора, химический состав горных пород и соотношение их типов, устойчивость к выветриванию. Климатические факторы в зональном аспекте (температура, осадки, испарение и др.) косвенно влияют на содержание элементов через интенсивность химического выветривания, биопродукционных и деструкционных процессов, скорости химических и биологических внутриводоемных процессов. В последние десятилетия влияние антропогенных факторов на воды суши стало сопоставимым с природными процессами. Водные объекты являются коллекторами всех поступающих в окружающую среду загрязнений.
В настоящее время достаточно сложно встретить водные объекты, не подверженные прямым или опосредованным антропогенным воздействиям. Исследованиями показано, что и многие отдаленные от промышленных центров горные и арктические озера Европы - в Шотландии, Южной Норвегии, в Альпах, Пиренеях и Татрах, а также на севере Канады, закислены, загрязнены тяжелыми металлами (ТМ), пестицидами и другими ве-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 04-05-64523), а также международного проекта Еи-
ro-limpacs (контракт GOSE-CT-2003-505540).
ществами вследствие влияния на них трансграничных переносов загрязненных воздушных масс [30].
Химический состав вод малых озер (при отсутствии каких-либо непосредственных источников загрязнения) более четко отражает зональные, региональные и локальные особенности распределения микроэлементов в воде, а также влияние тех глобальных антропогенных процессов, которые происходят в последнее время в окружающей среде.
Среди природных объектов микроэлементный состав вод суши наименее изучен. В литературе чаще приводятся характеристики содержаний металлов в сильно загрязненных водных объектах или в целом для вод суши. При этом пределы варьирования их концентрации могут исчисляться несколькими порядками.
Цель работы - сформировать представление о зональных особенностях и вариабельности элементного состава вод малых озер (не подверженных прямому антропогенному воздействию), выделить ключевые природные и антропогенные процессы, определяющие содержания микроэлементов, рассчитать коэффициенты водной миграции элементов для различных природно-климатических зон.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В основу работы легло обобщение результатов исследований химического состава 280 малых озер Восточно-Европейской равнины вдоль трансекты от Кольского п-ва (зона тундры) до Прикаспийской низменности (аридная зона), проведенных в 1999-2003 гг. по единой методической схеме. В исследования включались озера не подверженные каким-либо прямым источникам загрязнения, площадь водного зеркала которых <20 км2. Чтобы
свести к минимуму влияние межгодовых и сезонных вариаций химического состава вод, отбор проб проводился в сжатый временн0й интервал позднего осеннего охлаждения, когда вегетационные процессы сходят к минимуму, устанавливается гомотермия и отсутствует стратификация. Соблюдение этих условий рекомендовано в проектах "Survey lakes", которые проводятся раз в 5-10 лет в Европе и Северной Америке для оценки долговременных тенденций изменения качества вод под влиянием глобальных изменений окружающей среды [15].
Пробы воды отбирались в полиэтиленовые бутыли фирмы Nalgen, поверхность материала которых не имеет сорбирующих свойств. Бутыли были тщательно очищены в лаборатории и дважды ополаскивались водой озера перед отбором проб. В полевых условиях пробы воды фильтровались с использованием установки Milipore. Фильтрованные и нефильтрованные пробы подкислялись азотной кислотой. В подготовленном виде образцы помещались в темные контейнеры и в охлажденном виде (~+4°C) в сжатые сроки транспортировались в лабораторию для дальнейшего анализа.
Анализы химического состава вод: рН, электропроводности х, Ca2+, Mg2+, К+, Na+, щелочности Alk, SO4 , Q-, цветности Цв, содержания органического вещества ТОС по перманганатной окисляемости, NO33, NH+, общего азота TN,
Р O3-, общего фосфора TP, Si выполнены по единым методикам в Институте проблем промышленной экологии Севера (ИППЭС) КНЦ РАН в соответствии с рекомендациями [22]. Концентрации микроэлементов в подготовленных водных пробах определялись параллельно двумя методами: Sr, Al, Fe, Mn, Сг, Си, Ni, Zn, Са, Со, Pb, As -атомно-абсорбционным (GFAAS, Perkin-Elmer-5000, Corp. Norwalk, USA) методом с непламенной атомизацией (HGA-400) в лаборатории ИППЭС КНЦ РАН; > 60 элементов - методом индуктивно связанной плазмы на масс-спектрометрометре Plasma Quad-3 фирмы Fisons Instruments Elemental Análisis (Великобритания). Осуществлялся жесткий внутрилабораторный контроль качества измерений, корректность полученных результатов подтверждалась ежегодными международными интеркалибрациями аналитических измерений лаборатории.
ЗОНАЛЬНЫЕ ОТЛИЧИЯ
И ВНУТРИЗОНАЛЬНАЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ
Широтная зональность определяет разнообразие сочетаний природных условий формирования химического состава вод, таких как климат, распространенность горных пород, почв, раститель-
ности. Для удобства интерпретации полученных результатов по элементному составу вод природные зоны, в которых находятся исследованные озера, объединены по близким природно-климатическим условиям в следующие регионы: тундровый (тундра, лесотундра), таежный (северная, средняя тайга), регион лесов (смешанные, широколиственные), субаридный (лесостепи, степи) и аридный (сухие степи, полупустыни) (табл. 1). Расположение исследованных озер приурочено к районам распространения магматических и метаморфических пород Балтийского щита, которые охватывают тундровый и таежный регионы Кольского п-ова и Карелии, а озера лесного, субаридного и аридного регионов равнины расположены на осадочных породах.
Выщелачивание подстилающих пород - основной источник поступления элементов в водные объекты. Кроме влияния источников поступления и зональных условий формирования химического состава вод, микроэлементный состав вод озер подвержен трансформации, связанной с развитием как природных (органическое подкис-ление вод), так и антропогенно обусловленных процессов, таких как евтрофирование и антропогенное закисление. Выпадение из загрязненной атмосферы и активное опосредованное выщелачивание кислотными осадками в последние годы также можно отнести к явлениям техногенной миграции элементов [4]. Поэтому для отображения степени и тенденций развития этих процессов в табл. 1 приведены также значения рН, Цв, %, содержания макрокомпонентов вод, в том числе 81, и биогенных элементов Р, N. В анализ не включались элементы, значения медиан которых для всех исследованных озер были ниже порога аналитического обнаружения: Те, Н§ (с порогом обнаружения <0.05 мкг/л), Ое, Яи, Рё, Ж, 08, 1г, Р^ Аи, 8т, Ей, Бу, Ег, УЬ, Ьи (<0.02), КЬ, Та, Т1, ТЬ, Но, Тт (<0.01).
Тундровый регион
Особенностью природных вод данного региона является их низкая минерализация и олиго-трофный характер озер, что обусловлено преимущественно атмосферным их питанием (преобладанием осадков над испарением); развитием здесь геологических формаций, устойчивых к химическому выветриванию (в основном представленных основными и кислыми породами), тонким почвенным покровом (тундровые глеевые и тундровые подбуры, местами болотно-торфяные и торфяно-глеевые); слабой растительностью (мо-хово-лишайниковая, ернико-кустарниковая и лесотундровые березняки). Грубообломочная остаточная кора выветривания с высокой твердостью пород определяет низкие концентрации основных ионов, особенно Са2+. По минерализации озе-
Таблица 1. Элементный состав вод (медиана, в скобках минимальное и максимальное значения) озер в различных природных регионах Восточно-Европейской равнины (п - количество определенных микроэлементов, числитель - А1, Fe, Мп, №, Си, Zn, Бг, Со, Cd, РЬ и А8, знаменатель - остальные микроэлементы, определение которых выполнено 1СР-МБ техникой)
Элемент, показатель Регион
тундровый п = 45/10 таежный п = 169/13 лесов п = 62/29 субаридный п = 12/12 аридный п = 5/5
рН 6.6 (4.7-6.9) 6.8 (4.2-7.7) 7.4 (4.5-8.5) 8.0 (6.8-9.7) 7.9 (7.5-8.7)
X, мкСм/см 29 (16-55) 30 (8-117) 122 (14-330) 436 (86-1072) 4420(437-14783)
Цв, °Рг 22 (0-266) 40 (0-320) 40 (8-225) 24 (10-120) 11 (0-21)
с* орг 5.2 (2.6-18.4) 7.7 (1.6-24.9) 9.9 (4.2-32.2) 7.8 (4.1-57.7) 6.0 (3.2-8.8)
С ^неорг 0.7 (0-1.7) 2.0 (0-10.1) 14.3 (0.6-37.3) 28.8 (6.0-102) 35.1 (21.1-70.4)
8 0.8 (0.3-2.1) 0.9 (0.2-4.3) 1.5 (0.2-14.1) 8.1 (3.3-86.5) 296 (12.5-705)
С1 4.7 (1.7-11.5) 1.1 (0.2-13.5) 1.6 (0.4-24.0) 34.5 (0-119) 581 (19.5-2708)
Са 1.1 (0.2-2.7) 2.4 (0.2-10.0) 18.0 (2.4-68.0) 22.0 (14.0-132) 196 (26.6-5
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.