Cryoconite as a reservoir and source of pollutants in the highlands of the Central Caucasus

Abstract

Глобальное изменение окружающей среды стало одним из приоритетных направлений международных исследований в последнее время. Одним из его последствий является быстрое отступление ледника, которое часто связано с образованием темноокрашенных надледниковых отложений – криоконитов. Они могут существенно влиять на уязвимые горные экосистемы, изменяя их геохимические свойства, а также играть роль в формировании и развитии первичных почв после отступления ледника. Дальний перенос, а также местное антропогенное давление вызывают загрязнение высокогорных регионов, где криокониты играют значительную роль благодаря своей способности накапливать и далее переносить различные загрязнители, такие как микроэлементы и полиарены, в местные экосистемы, что может представлять риск для местной дикой природы и населения. Изучение геохимических, физических и микроморфологических особенностей криоконитов и ледниковых отложений, а также местных почв имеет решающее значение для понимания свойств криоконитов и их влияния на горные экосистемы в условиях быстрой дегляциации. Для данного исследования в Баксанском и Хуламо-Безенгийском ущельях были отобраны пробы различных типов материалов, таких как криокониты, морены, сели, почвоподобные тела и почвы (горные лесо-луговые почвы, горно-луговые субальпийские и черноземы), с целью определения их физико-химических, геохимических и микроморфологических особенностей. Для того, чтобы получить доступ к их загрязнению, были измерены концентрации микроэлементов (Cu, Pb, Zn, Ni, Cd) и полиаренов (из приоритетного списка USDA). Для оценки уровня загрязнения микроэлементами были рассчитаны такие индексы загрязнения, как индекс геоаккумуляции, коэффициент загрязнения, степень загрязнения и модифицированная степень загрязнения. Полученные данные свидетельствуют о преимущественно нейтральных значениях рН в исследованных образцах с некоторыми исключениями в энтисолях по обменной кислотности (кислый уровень) из-за накопления органического вещества. Высокие значения органического углерода (до 7,54%) и базального дыхания (до 48,40 мг CO2/ 100 г в день) в криоконитах и верхних горизонтах горных почв свидетельствуют о том, что криокониты способствуют развитию микробных сообществ в местных почвах путем переноса органического углерода вниз по течению. В криоконитах и горных почвах преобладают песчаные частицы из-за их низкой скорости развития и местного источника переноса. В микроморфологической структуре криоконитов и местных почв преобладают кварц, слюда и полевой шпат, что указывает на сходный источник материала. Источник загрязняющих веществ смешанный, что указывает как на местное, так и на удаленное поступление. Наибольшее содержание среди полиаренов выявлено для NAP (84 нг/г), сумма концентраций всех полиаренов превышает предельно допустимую концентрацию. Высокое содержание Zn (до 89,30 мг/кг), Pb (30,20 мг/кг) и Cu (40,70 мг/кг) обнаружено в криоконитах, а также в горных почвах, преимущественно в верхних горизонтах, что объясняется смешанным поступлением загрязняющих веществ, как дальним переносом, так и местной антропогенной деятельностью. Индексы загрязнения в некоторых случаях выше в криоконитах, чем в горных почвах, а среди горных почв они, в основном, самые высокие в верхних горизонтах, что указывает на перенос загрязняющих веществ эоловыми процессами и водными потоками с поверхности ледника в долину. Данное исследование показывает роль надледниковых отложений в загрязнении и развитии почв в высокогорных районах Центрального Кавказа.

Global environmental change has become one of the top priorities in recent international studies. One of its consequences is rapid deglaciation which is often associated with formation of dark-colored supraglacial sediments, cryoconites. They may considerably affect vulnerable mountain ecosystems through changing their geochemical properties as well as play role in formation and development of primary soils after retreat of glacier. Long-distant transfer as well as local anthropogenic pressure cause pollution of high-mountain regions where cryoconite play crucial role due to their ability to accumulate and further transfer various pollutants such as trace elements and polyarenes to local ecosystems which may pose risk to local wildlife and population. Study of geochemical, physical and micromorhological features of cryoconites and glacial sediments as well as local soils is crucial to understand cryoconite’s properties and its impact on mountain ecosystems under conditions of rapid deglaciation. For this research different types of materials such as cryoconites, moraines, mudflows, soil-like bodies and soils (Molic Leptosols, Leptic Umbrisols and Chernozems) have been sampled at the Baksan and Khulamo-Bezengi gorges with purpose to study their physicochemical, geochemical and micromorphological features. In order to access their pollution, concentrations of trace elements (Cu, Pb, Zn, Ni, Cd) and polyarenes (from the USDA top-priority list) have been measured. Pollution indices such as geoaccumulation index, contamination factor, degree of contamination and modified degree of contamination have been calculated to evaluate levels of pollution by trace elements. The data obtained indicates mostly neutral pH values in studied samples with some exceptions in Leptosols/Umbrisols in terms of exchangeable acidity (acidic level) due to organic matter accumulation. High values of organic carbon (up to 7.54%) and basal respiration (up to 48.40 mg CO2/ 100 g per day) in cryoconites and top horizons of local soils indicates that cryoconites promote development of microbial communities in local soils via transfer of organic carbon downstream. Sand particles are prevailed in cryoconites and Leptosols/Umbrisols due to their low rate of development and local source of transfer. Quartz, mica and feldspar are prevailed in micromorphological structure of cryoconites and Leptosols/Umbrisols indicating similar source of material. Source of pollutants is mixed indicating both local and distant input. The highest content among polyarenes was identified for NAP (84 ng/g), sum of concentrations of all polyarenes are higher than maximum permissible concentration. High content of Zn (up to 89.30 mg/kg), Pb (30.20 mg/kg) and Cu (40.70 mg/kg) was found in cryoconites as well as in local soils, predominantly top horizons, due to mixed input of pollutants, both long-distant transfer and local anthropogenic activities. Pollution indices are in some cases higher in cryoconites than in Leptosols and Umbrisols, among them indices are mostly the highest at top horizons indicating transfer of pollutants by aeolian processes and water streams from the glacier’s surface to the valley. This study indicated role of supraglacial sediments in pollution and development of soils in the high-altitudinal area of the Central Caucasus region.