![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Оценка механизмов, закономерностей и ведущих факторов перераспределения внутрипочвенных, водных и атмосферных потоков органического и неорганического углерода в масштабе отдельных торфяно-болотных комплексов с сопряженными водными объектами в условиях влияния многолетнемерзлых пород
The urgency of the scientific problem, to which the project is directed, is due to the current changes in the Arctic ecosystems resulting from the changing climatic parameters and the anthropogenic load increasing. Possible permafrost degradation can change both the export values and the composition of dissolved organic carbon from cryogenic soils, especially peatlands, through a change in the hydrological regime, the structure and functioning of ecosystems. Cryogenic landscapes are a unique representative of border systems. They are characterized by sharply contrasting and rapidly changing parameters of functioning, a wide range of variants present in them with a variety of conditions. The applied Project provides for an assessment of the mechanisms, regularities and leading factors of the redistribution of the soil and water carbon fluxes in peat-bog complexes of the north Western Siberia under the influence of permafrost. The novelty of the project is to carry out comprehensive research in related landscapes: automorphic and semihydromorphic peat plateau, oligotrophic bog, stream flow, thermokarst lakes and other water bodies. Most attention will be given to ecosystem functioning in borderline conditions (hydromorphic - automorphic, permafrost – non-permafrost). The starting point of all experiments will be the assumption of the key role of the geocryological factor (the presence of permafrost, the depth of its occurrence and the surface topography) as a mechanism for the redistribution of organic and inorganic carbon fluxes in the permafrost ecosystems. As a result of the Project, a detailed description of the content and composition of the carbon compounds in soil pore water, groundwater, and other catchment streams of peat-bog complex will be given. Within the studied complementary hydromorphic and automorphic ecosystems, the main sources and sinks of carbon compounds will be identified, the direction and intensity of their fluxes will be estimated. Mechanisms and specificities of carbon redistribution processes in the boundary conditions will be determined, which will allow modeling the dynamics of cryogenic ecosystems in the event of the environmental changes. Field and laboratory methods for studying dissolved, particulate and gaseous carbon in natural waters of permafrost ecosystems will be tested and adapted taking into account their specific genesis and functioning. Markers will be identified to determine the genesis of dissolved organic carbon.
В итоге реализации проекта будет дана оценка содержания и свойств растворенного и дисперсного органического углерода, а также неорганического (СО2) углерода в почвенных, грунтовых (надмерзлотных) и других, сопряженных в единый водосбор, водах прерывистой криолитозоны севера Западной Сибири. Будут оценены величины газовых потоков СО2 и CH4 в вегетационный период с поверхности почв, гидроморфных участков торфяно-болотных комплексов и водных объектов. Будет рассчитано долевое участие отдельных экосистем в эмиссионном потоке в вегетационный период и, по возможности, оценены факторы на него влияющие. Будет оценено влияние состава и степени разложенности торфов на скорости выщелачивания из них органического вещества и его состав. Предполагается получение данных по величине скоростей биодеструкции растворенного органического вещества в водах разного генезиса. Будут найдены маркеры, характеризующие происхождение растворенного органического углерода в разных водах. Будет дана оценка роли многолетнемерзлых пород (наличие, глубина залегания, рельеф поверхности) в перераспределение углерода в торфяно-болотном комплексе. Как результат, будут выявлены механизмы перераспределения и преимущественные потоки углерода в пограничных экосистемах (гидроморфные – автоморфные, мерзлотные – немерзлотные), что позволит моделировать динамику криогенных экосистем в случае изменения условий их функционирования.
В заявленном проекте найдут применение результаты, полученные коллективом, в исследованиях, проводимых в течение 20 лет на севере Западной Сибири. Детально исследованы ландшафты и почвы северной тайги и южной тундры региона [Матышак и др., 2017]. К настоящему времени разработана общая методология исследований, накоплены ряды мониторинговых наблюдений. Коллективом применяется оригинальный метод полевых исследований мерзлотных почв, основанный на их изучении в строгомсоответствии с элементами проявления криогенеза. Установлено, что фактором, оказывающим наибольшее влияние на разнообразие экосистем и биологическую активность почв северной тайги, лесотундры и тундры, является наличие и глубина залегания многолетнемерзлых пород, так как именно мерзлота определяет тип биогеоценоза, температурный режим и активность процессов трансформации органического вещества в экосистемах этого региона [Гончарова и др., 2016, Бобрик и др., 2016, 2017]. У коллектива имеется база данных по продукции диоксида углерода и метана почвами основных криогенных ландшафтов северной тайги Западной Сибири, материалы по термическим режимам почв региона [Matyshak, 2015; Гончарова и др., 2014, 2015, 2016, 2017]. Опубликована серия работ, освещающая пространственное распределение компонентов углеродного цикла почв региона: эмиссии диоксида углерода, содержания лабильного и микробного углерода [Бобрик и др., 2016, 2017, 2018]; оценены запасы общего, водоизвлекаемого и микробного углерода в основных типах почв региона [Бобрик и др., 2018]. Для выявления потоков органических и неорганических соединений углерода, гидрохимически связывающих разныеэкосистемы были проведены рекогносцировочные исследования. На территории исследования методами ДЗЗ обнаружены участки, где прослеживается гидрологическая связь между термокарстовыми озерами и грядово-мочажинными комплексами.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2022 г.-30 декабря 2022 г. | Соединения углерода в системе почва-вода-атмосфера сопряженных ландшафтов криолитозоны Западной Сибири |
Результаты этапа: Конкретные результаты первого года реализации проекта можно разделить на две основные группы. Первая часть связана с неорганическим углеродом (СО2) в почвенных, надмерзлотных и поверхностных водах региона исследования. На основе анализа отечественного и зарубежного опыта была адаптирована методика (уравновешивание свободного пространства) его определения в водных средах с учетом специфики региона, приборной базы, задач исследования. Выработанный протокол включает: процедуру отбора проб, процесс уравновешивания концентраций, процесс измерения, порядок расчетов. Проверка методики показала хорошую воспроизводимость результатов, простоту манипуляций на всех этапах. Также «расчетная» часть методики предполагает возможность ее адаптации к разным условиям проведения эксперимента (например, для нейтральных и слабощелочных вод). В следующем году предполагается публикация методики. На основе литературных данных, данных ДЗЗ, а также экспедиционных исследований были типизированы основные водные и гидроморфные объекты мониторингового участка на севере Западной Сибири (Надымский район). С использованием отработанной методики были получены данные по содержанию растворенного СО2 во всех объектах. Кроме нескольких из них (термокарстовые и лесные озера) содержание растворенного СО2 (рСО2) в водах существенно выше, чем предполагает равновесие с атмосферой, то есть воды являются пресыщенными по СО2. Максимальным пересыщением характеризовались болотные воды лесных ложбин и ложбин стока в составе торфяно-болотного комплекса. Пересыщение по сравнению с атмосферой в этих объектах составило 15-40 раз. Несколько менее пересыщены воды грядово-мочажинного комплекса, который гидрологически связан с торфяно-болотным. Приблизительно одинаковые концентрации СО2 наблюдались в старичных озерах, расположенных в пределах поймы и антропогенно-обусловленных «подпертых» водах (8-15 раз). В реке Лонг-Юган концентрация СО2 превышала равновесную в 3,5 раза. Интересные результаты были получены для термокарстовых и лесных озер – их воды или совсем немного пересыщены, или в ряде случаев недонасыщены по СО2. Как и следовало ожидать, величина эмиссии СО2 с поверхности изученных объектов коррелировала с концентрацией. Ее величина варьировала от отрицательных значений (поглощение) на термокарстовых озерах до 160 -200 мгСО2/(м2ч) на лесных ложбинах. Следует выделить несколько объектов, которые не укладывались в общую закономерность. Например, заросшее лесное озеро характеризовалось экстремально высокими концентрациями СО2 при сравнительно низких величинах эмиссии. Для исследованных объектов в лабораторных условиях были получены величины концентрации растворенного органического углерода. минимальные величины содержания были обнаружены в озерных водах: от 5 (лесное озеро) до 20 мгС/л в небольших озерах проблемного генезиса (возможно старичные). Невысокие концентрации (до 25 мгС/л) были зафиксированы для лесных ложбин стока и вод грядово-мочажинного комплекса. Максимальные концентрации наблюдались для болотных участков торфяно-болотного комплекса (30-50 мгС/л) и надмерзлотных вод (до 100 мгС/л). Содержание растворенного органического углерода очень слабо коррелировала с эмиссией и содержанием неорганических форм. Первичные данные по спектрофотометрическим характеристикам вод свидетельствуют о существенных различиях в составе растворенного в них органического вещества. Например, максимальная «ароматичность» была выявлена для вод старичных озер, а минимальная для болотных вод (мочажин). В результате детальных исследований на отдельном торфянике и прилегающих ложбинах, а также по трансекте, пересекающей основные элементы комплекса, были даны общие характеристики параметров функционирования (влажность, температуры, мощность СТС, УБВ, физико-химические и химические характеристики) и биологической активности (эмиссия СО2, концентрация СО2 в водах). На основе полученных данных были выделены «горячие точки» - зоны с максимальными величинами эмиссии СО2, концентрации СО2 и концентрации РОУ. Они соответствуют краевым частям торфяников в зоне перехода их в ложбины (обводненные болотные участки). По мере удаления от торфяника все указанные показатели снижаются. Также высокие показатели были характерны для замкнутых ложбин, со всех сторон окруженных торфяниками. Эти данные свидетельствуют о гидрологической связи торфяников и ложбин и значимом выносе с автоморфных позиций органических и неорганических соединений углерода. В ходе манипуляционного эксперимента по получению лизиметрических вод, прошедших через торфяные образцы разного состава, было показано, что максимальные значения РОУ характерны для лизиметрических вод из среднеразложенного торфа с остатками лишайника. А минимальные – для олиготрофного слаборазложенного, подстилаемого суглинистым грунтом. Видимо, данный тип грунта обладает выраженными адсорбционными свойствами по отношению к органическому веществу. Количество выщелачиваемого органического вещества уменьшалось на порядок в варианте с наличием суглинистого грунта под торфом. Имитация разных гидрологических условий показала, что максимальное выщелачивание органического вещества наблюдается при застойном водном режиме – концентрация РОУ в собираемых гравитационных водах для этого варианта превышает остальные приблизительно на порядок. Таким образом было показано, что состав торфа, наличие минерального грунта, гидрологический режим могут принципиально менять количество органического вещества, поступающего из автоморфных ландшафтов в гидроморфные. Данные будут уточнятся в ходе дальнейших экспериментов. | ||
2 | 1 января 2023 г.-30 декабря 2023 г. | Соединения углерода в системе почва-вода-атмосфера сопряженных ландшафтов криолитозоны Западной Сибири |
Результаты этапа: Основные достигнутые в ходе реализации второго года проекта результаты можно разделить на две большие группы. Первая связана с растворенным органическим углеродом, исследования которого проводились в основном в лабораторных условиях в ходе различных манипуляционных экспериментов. Вторая – с растворенным неорганическим углеродом, исследования которого проводились непосредственно в полевых условиях. По результатам оценки общего содержания Сорг в изученных водах было показано, что минимальные величины характерны для речных вод и вод лесного озера (3-6 мг/л), максимальные для болотных вод (до 90 мг/л). Промежуточное положение занимают воды термокарстовых озер, «подпертых» вод и вод грядово-мочажинного комплекса (10-20 мг/л). С глубиной концентрация Сорг в озерах увеличивается в 4-5 раз. В болотных водах незначительно (до глубины 40 см). Для всего разнообразия вод были получены спектрофотометрические характеристики, на основе которых рассчитали некоторые, используемые в литературе, индексы. Параметр SUVA254 используют для оценки содержания ароматических фрагментов в органическом веществе (Weishaar et al., 2003). При рассмотрении ряда геохимически сопряженных гидроморфных экосистем мы получаем следующую картину. SUVA254 увеличивается в ряду: олиготрофное болото => грядово-мочажинное болото => подпертые воды => термокарстовые озера => река. Рост данного показателя происходит по мере удаления от торфяно-болотного комплекса через болото до реки. В 2003 году (Weishaar et al., 2003) было предложено уравнение для расчёта степени ароматичности (Сar, %) на основе SUVA254: Car=6.52×SUVA254+3.63 Это уравнение позволяет высчитать, что в изученных образцах степень ароматичности составляет от 8 до 50%, с минимумом для лесного озера и максимум в реке Хейгияха соответственно. Можно предположить, что по мере перемещения органического вещества от олиготрофного болота происходит постепенная его минерализация, уменьшение содержания легкогидролизуемых и доступных микроорганизмам фрагментов, в то время как молекулы с повышенным содержанием ароматических компонентов более устойчивы и способны дольше по времени сохраняться в ландшафте и транспортироваться на бо´льшие расстояния. По всей видимости, именно этим объясняются большие значения параметра SUVA254 в речных водах по сравнению с болотными водами. При этом показатели в водах объектов, непосредственно сопряженных друг с другом (олиготрофное и грядово-мочажинное болота, воды болот и подпертые воды и т.д.) не отличаются друг от друга значимо по этому параметру, что косвенно подчеркивает нашу гипотезу. Так как на небольших расстояниях, в пределах 1-2 объектов, расположенных рядом, органическое вещество не успевает разложиться достаточно быстро. Надмерзлотные воды, так же как непосредственные вытяжки из торфов характеризуются высокими величинами SUVA254. Мы полагаем, что первичная минерализации (и увеличение ароматичности) происходит очень быстро, непосредственно в почвенном профиле или на контакте с болотными водами. В болотной воде уже находятся компоненты с высокой устойчивостью. Интересно, что концентрация Сорг для лесного озера и реки Хейгияха близки, достоверно не отличаются и составляют 3-6 мгС/л, однако по показателю SUVA254 эти объекты прямо противоположны, что свидетельствует о принципиально разном составе входящих в него компонентов. Для оценки происхождения вещества (автохтонное или аллохтонное) используют отношение E2/E4. Для изученных природных вод этот показатель варьирует от 15 до 50 с минимумов на грядово-мочажинном болоте и в подпертых водах (транзитные зоны), где содержится много аллохтонных веществ, представленных совокупностью продуктов разложения растительных остатков, поступающих со всего водосбора. Низкие показатели были получены для надмерзлотных вод, вытяжек из торфов, в том числе мерзлых – 16-18. Параметр E2/E3 – отношение интенсивностей при 250 и 365 нм, показатель для определения степени гумификации ОВ, отношение содержания неокисленных ароматических структур к окисленным. Более высокими молекулярными массами растворенного органического вещества характеризуются пробы с низкими коэффициентами, то есть чем меньше соотношение E2/E3, тем больше размер молекул изучаемого растворенного органического вещества. E2/E3 уменьшается в том же ряду, в котором увеличивается SUVA254 – по мере удаления от источника происхождения органического вещества, т.е. в этом направлении увеличивается доля ароматических фрагментов и молекулярная масса. С глубиной в озерах величина SUVA254 изменяется слабо, в болоте увеличивается в 5 раз. В ходе эксперимента по оценке выноса Сорг из торфов разной степени разложенности при разных гидрологических режимах было показано, что удельный вынос органического углерода (в расчете на единицу веса органического материала) в среднем составил 40 мг С / 100 г торфа для среднеразложенного торфа и 75 для слаборазложенного. Для слаборазложенного торфяного образца было зафиксировано уменьшение количества вынесенного углерода в варианте с суглинком в качестве подстилающего материала по сравнению с чистым торфом на 20%. Для среднеразложенного торфа выявлено уменьшение удельного выноса углерода в вариантах и с песком, и с суглинком в качестве подстилающего материала на 45% по сравнению с чистым торфом. При проведении региональных расчётов по экспорту углерода с определенной территории оперируют, как правило, величиной т С·га-1·год-1 и рассчитывают на определенную толщу почвы (0.2, 0.5 или 1.0 м). Поэтому, если рассматривать суммарный вынос углерода (из расчета на монолиты одинакового объема), то за счет существенного различия в плотности торфов (в 3,7 раза) из монолитов со слаборазложенным и среднеразложенным торфом суммарно за три цикла имитации водных режимов было вынесено 19.2±3.2 и 47.6±5.1 мг С соответственно. Максимальные величины выноса углерода были получены для водного режима, имитирующего обычные осадки. Таким образом, степень разложенности торфа и гидрологические условия территории будут определять величины выноса соединений углерода с водами из плоскобугристых торфяников. Удельно большее количество растворенного органического углерода, как показал эксперимент, выносится из менее разложившихся материалов, но суммарный вынос из объема торфа для среднеразложенного выше в 2.5 раза. Фактором, который может способствовать уменьшению общего выноса органического вещества за пределы профиля в сопряженные воды выступает наличие минерального грунта непосредственно под торфяными горизонтами. За счет сорбции органического вещества минеральная часть почвенного профиля может закрепить выносимый углерод. Учитывая тенденции последних лет к увеличению количества осадков и повышению температуры воздуха для территории исследования, стоит ожидать увеличения мощности деятельного слоя на мерзлых торфяниках и увеличение экспорта соединений органического углерода за счет вовлечения новых глубинных торфяных слоев. Однако оттаивание ММП может вскрыть минеральные горизонты, способные к сорбции органического вещества, что возможно будет способствовать уменьшению общих потерь углерода из почвенной толщи. В серии экспериментов по оценке скорости биодеградации растворенного органического вещества было показано, что органическое вещество вод из ряда источников: озера разного происхождения и локации, болотные воды и другие практически не подвержено биодеструкции даже при оптимальных температурах. Слабая биодеградация органического вещества была зафиксирована для непосредственных «свежих» вытяжек из сильноразложенных торфов и лишайникового очеса. Существенная деструкция (половина углерода органического вещества за месяц инкубации) обнаружена для органического вещества растворов, полученных после оттаивания мерзлых образцов торфа. Анализ основных типов вод на содержание полисахаридов (основная фракция лабильного пула углерода) подтвердил полученные данные. Максимальное содержание было выявлено в водах мерзлого образца, лишайникового очеса и сильноразложенного торфа – от 25 до 65 мг/л с максимальным содержанием в лишайниковом очесе. В дальнейшем необходимо исследование органического вещества мерзлых слоев для уточнения результатов. Остальные воды содержали следовые количества полисахаридов. Таким образом, можно заключить, что растворенное органическое вещество аквальных (озера разного генезиса) и гидроморфных (болота) экосистем региона исследования характеризуется высокой устойчивостью к биодеструкции. Эти данные подтверждаются полученными закономерностями в спектрофотометрических характеристиках вод. Можно предположить, что основные процессы деструкции растворенного органического вещества происходят непосредственно в почве торфяников или в краевых частях болот на контакте с торфяниками. Именно в этих местах нами фиксировались максимальные концентрации Сорг в болотных водах. Также из данного эксперимента следует важное методическое заключение: воды бореальных аквальных экосистем можно хранить продолжительное время перед анализом растворенного органического вещества. Полученные выводы в целом согласуются с литературными данными по северным регионам, где также отмечается большая гетерогенность как содержания, так и скоростей биодеструкции растворенного органического вещества (Vonk et al., 2015; Payandi-Rolland et al., 2020; Selvam et al., 2017), но в некоторых работах были показаны большие скорости деструкции (Roehm et al., 2009). Полевые исследования по оценке концентрации СО2 методом «выравнивания концентраций» показали, что воды лесного озера, реки и одной из групп молодых термокарстовых озер в небольшой степени (приблизительно в 1.5 раза) пересыщены этим газом по сравнению с атмосферой, что согласуется с данными по величине эмиссии СО2 для этих объектов, которая или является отрицательной (поглощение СО2) или ее величина составляет всего несколько мгС/м2/ч. Воды открытых водоемов, в которые поступает вода из гидроморфных экосистем и полугидроморфных экосистем («подпертые» воды и воды пойменных термокарстовых озер) характеризуются пересыщением СО2 по сравнению с атмосферой приблизительно в 10 раз, эмиссия СО2 с их поверхности составляет 40-60 мгС/м2/ч и сопоставима с величиной эмиссии СО2 с поверхности бугристых торфяников. Максимальные концентрации СО2 наблюдались в водах грядово-мочажинного комплекса, болотных водах – непосредственных реципиентов вод, поступающих из мерзлых торфяников. На этих же объектах наблюдались максимальные величины эмиссии. С глубиной фиксировалось значительное увеличение концентрации СО2, особенно выраженное в болотных экосистемах. На этих же объектах наблюдались максимальные величины эмиссии метана. Таким образом, в регионе исследования гидроморфные экосистемы – олиготрофные болота, располагающиеся вокруг мерзлых бугристых торфяников – являются основным источником климатически активных газов в атмосферу (СО2 и метан). Величина эмиссии СО2 с их поверхности сопоставима или превышает таковую с поверхности приподнятых над болотом поверхностей торфяников (полугидроморфные, а иногда и автоморфные экосистемы), а эмиссия метана существенно выше. Мы полагаем, что источником углеродсодержащих газов в этих экосистемах является не только корневые системы и разлагающееся автохтонное органическое вещество, но и органическое вещество, привнесенное с окружающих торфяников. Также с торфяников активно экспортируется растворенный в надмерзлотных водах неорганический углерод (растворенный СО2) |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".