Carbon flows on the wetland complex ecosystems of the discontinuous permafrost zone of Western Siberia.pdf Введение Криогенные торфяные почвы являются значимыми наземными пулами углерода на планете - в их метровой толще сохранено порядка 50 % от общего почвенного органического углерода (порядка 280 Pg углерода) [Tarnocai et al., 2009]. В условиях изменяющегося климата этот депозит - потенциальный источник неорганических и органических соединений углерода, экспортируемого из торфяников атмосферными и водными потоками [Freeman et al., 2001; Evans, Monteith, Cooper, 2005; Limpens et al., 2008; Fenner, Freeman, 2011], которые тесно связаны между собой [Sobek et al., 2003; Moore, Pare, Boutin, 2008; Pagano, Bida, Kenny, 2014]. В северных широтах, в условиях близкого залегания многолетнемерзлых пород (ММП) и низкой сорбционной активности маломощного деятельного слоя, основным связующим звеном между торфяниками и крупными водосборами являются почвенные (в том числе надмерзлотные) воды. Изучение гидрохимии водных потоков важно еще и потому, что это наиболее чувствительный индикатор происходящих в экосистемах преобразований - химические параметры растворов наиболее быстро реагируют на все изменения. Деградация ММП может повлиять как на величины экспорта, так и на состав растворенного органического вещества, при этом изменяются гидрологический режим, структура и функционирование сопряженных экосистем, а также ландшафты территории [Olefeldt, Roulet, 2012; Матвеева, 2017]. Количество и качество органического вещества могут также изменить эмиссию СО2 и CH4 из торфяников, поскольку минерализация водорастворимого органического вещества (РОВ) вносит свой вклад в дыхание почв. В результате баланс углерода изменяется не только в сопряженных водных экосистемах [Fellman et al., 2008], но и на площади всего водосбора [Karlsson et al., 2010]. Растворимые органические вещества почвенных растворов и природных вод представляют собой сложную смесь ароматических и алифатических богатых углеродом соединений, среди которых преобладают высокомолекулярные вещества - гумусовые кислоты; но присутствуют и соединения с низкой молекулярной массой - органические кислоты, пептиды, моносахариды и дисахариды, аминосахара [Zsolnay, 1996]. Растворимые органические вещества играют важную роль в функционировании наземных экосистем: оказывают влияние на формирование химического состава почв и их развитие [Lofts et al., 2001; Kaizer et al., 2001], тесно связаны с транспортом питательных элементов, металлов и органических загрязнителей [Schnitzer, Khan, 1972; Christ, David, 1996; Michalzik, Matzner, 1999], выступают субстратом для почвенной микрофлоры [McDowell, Likens, 1988] и растительности [Nasholm et al, 1998]. Рядом работ показано влияние РОВ на биологическую активность почв [Xu, Juma, 1993; Flessa et al., 2000], выветривание минералов [Raulund-Rasmussen et al., 1998] и некоторые почвенные процессы [Dawson et al., 1978; Neff, Asner, 2001]. Неорганический растворенный углерод в пресных водах представлен метаном (СН4) и диоксидом углерода (СО2), а также разными сочетаниями ионов HCO3-, CO32-. Основными процессами, обеспечивающими поступление в водотоки соединений растворенного неорганического углерода и определяющими его концентрацию, являются: 1) дыхание почвы, приводящее к насыщению грунтовых вод СО2; 2) дыхание водных организмов, протекающее как в воде, так и в илах и донных отложениях, с которыми соприкасается вода; 3) деструкция органических остатков непосредственно в водотоках; 4) растворение карбонатов и выветривание силикатных минералов в почвах и почвообразующих породах; 5) газообмен между водной средой и атмосферой [Stumm, Morgan, 1981; Wetzel, 1983; Wetzel, Likens, 1991]. Уменьшение концентрации двуокиси углерода в воде происходит в процессе фотосинтеза (когда диоксид углерода поглощается водными растениями), а также в результате выделения его в атмосферу (дегазация). Вклад различных источников зависит от индивидуальных характеристик водосбора: геологии коренных пород, свойств почвы, топографии местности, гидрологической сети, геокриологических условий и т.д. [Hope, Billet, Cresser, 1994; Jones, Mulholland, 1998]. Проточные и застойные природные воды с низким pH и слабой ионной силой пересыщаются двуокисью углерода и характеризуются высоким парциальном давлением этого газа - более высоким по сравнению с атмосферным. По этой причине значительные потоки углерода в составе СО2 поступают из водного бассейна в атмосферу, т.е. поверхностные воды могут выступать источником углекислого газа. Часть растворенного CO2 транспортируется водотоками в ручьях и реках вниз по течению и в итоге собирается в замкнутых пониженных участках (водосборах) [Hope et al., 2004], обеспечивая таким образом непрерывный круговорот потока углерода, полученного на суше, в океаны и обратно в атмосферу [Kling, Kipphut, Miller, 1991; Hope, Billet, Cresser, 1994]. Количественная и качественная оценка углеродных соединений в системе литосфера - атмосфера -гидросфера необходима для выявления последствий потепления климата в северных экосистемах. Детальная оценка закономерностей и ведущих факторов перераспределения соединений углерода водными потоками в экосистемах криолитозоны, в области распространения прерывистой и островной мерзлоты не проводилась. В связи с этим цель работы - выявить закономерности и факторы перераспределения органических и неорганических соединений углерода в экосистеме торфяно-болотного комплекса криолитозоны Западной Сибири. Объекты и методы Район исследования расположен в криолитозоне, в области прерывистого распространения ММП на северной границе северной тайги. Рельеф пологоволнистый, приурочен к III озерно-аллювиальной равнине (отн. высота 25-35 м), которая находится в междуречье рек Лев. Хетта и Хейгияха (Надымский район, Тюменская область, ЯНАО). Расчлененные части равнины, приуроченные к берегам рек, залесены, а центральные нерасчлененные ее части характеризуются высокой заболоченностью и заозеренно-стью [Васильевская, Иванов, Богатырев, 1986]. Характеризуется район суровыми климатическими условиями: продолжительный зимний период (78 мес.), отрицательная среднегодовая температура воздуха (-5 °С), количество осадков варьирует от 450 до 650 мм/год. Ландшафты территории представлены двумя основными типами, которые различаются между собой по присутствию ММП и степени гидроморфизма. Автоморфные лесные ландшафты, представленные северной тайгой, характеризуются отсутствием ММП в настоящее время. На формирование ландшафтов лесотундры, которые представлены олиготрофными болотами и бугристыми торфяниками, оказывают влияние ММП, залегающие на глубине 1-2 м [Москаленко, 2012]. В качестве ключевого объекта исследования был выбран торфяно-болотный комплекс, представляющий собой комбинацию плоскобугристых торфяников и сопряженных заболоченных ложбин стока. Изучаемые торфяники характеризуются плоской и слабонаклонной крупнокочковатой поверхностью и приподняты над общим уровнем верховых болот на 0,5-5,0 м [Матышак и др., 2017], благодаря чему плоскобугристый торфяник развивается в полугид-роморфных, а местами и в автоморфных условиях. Почвенный покров плоскобугристых торфяников отличается высокой комплексностью. В целом почвенный профиль здесь сложен 1-2 органогенными горизонтами (различного ботанического состава и степени разложения) общей мощностью 40-60 см и подстилается минеральной составляющей. Минеральные горизонты представлены песчаным, реже суглинистым материалом, который сменяется мерзлыми породами того же состава. Наиболее типичные для изученных торфяников почвы (по КиДПР- 2004) - торфяная олиготрофная мерзлотная (ТО-ТТ1), торфяно-криозем (T-CR-C1) и торфяно-глеезем (T-G-CG1). Многолетние мерзлотные породы в пределах 0,5-1 м и представлены высокольдистыми отложениями песчано-супесчаного состава. В растительном покрове торфяников доминируют Betula nana L., Rubus chamaemorus L., Ledum palustre L., Vaccinium uliginosum L. Для напочвенного яруса характерны лишайники рода Cladonia (Cladonia rangiferina (L.) Weber ex F.H. Wigg., Cladonia stellaris (Opiz.) Pouz. et Vezda., Cladonia sylvatica L.) и мхи рода Sphagnum; а для травяного -представители сем. Cyperaceae. Ложбины стока между буграми представлены верховым олиготрофным болотом, имеют вытянутую форму и соединены между собой в единую сеть. В этих ландшафтах основными почвообразующими процессами являются заболачивание и торфонакопление, что определяет развитие здесь органогенных типов почв: преобладают торфяные олиготрофные почвы, местами встречаются торфяные эутрофные. Многолетнемерзлые породы залегают глубже 2 м. Растительность представлена сфагновыми мхами и олиго- и мезотрофными гидрофитами. Полевые исследования и отбор образов почвы и воды для лабораторных исследований проводили в августе (пик вегетационного сезона) 2018 г. Точки опробования были заложены так, чтобы охватить всю площадь изучаемого торфяника (рис. 1), располагались они на однотипной лишайниковой растительности на выровненных участках между кочками, чтобы исключить влияние микрорельефа. Для определения микрорельефа и растительности было заложено три трансекты (указаны красным цветом) в разных направлениях (n = 45), а для определения параметров функционирования экосистем (эмиссия и концентрация парниковых газов; температура и влажность почвы; рН, электропроводность (ЕС) и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) болотных вод) точки закладывали по трем кругам, условно маркирующим центральную, среднюю и краевую часть торфяника, еще один круг был заложен на болоте (n = 10 для каждого круга). Дополнительно закладывали трансекты длиной до 80 м (черным цветом) на ложбинах стока в направлениях от торфяника. Рис. 1. Расположение точек опробования на изучаемом торфяно-болотном комплексе Fig. 1. The sampling points location of the studied bog complex 1. Определение проективного покрытия травянокустарничкового яруса (ТКЯ) и мохово-лишайникового покрова (МЛП) проводили с использованием квадрата-сетки - метровой квадратной рамки, разделенной на 100 одинаковых ячеек площадью 100 см2 каждая. 2. Микрорельеф определяли на основе относительных высот, за 0 была принята точка с наименьшим превышением. 3. Эмиссию СО2 и СН4 почвами торфяника и болота измеряли однократно в каждой точке в дневное время суток (11:00-14:00) методом статичных закрытых камер [Смагин, 2005]. Перед установкой камер для исключения дополнительного потока СО2 за счет дыхания фитоценоза удаляли растительность. Контроль температуры воздуха во время измерений осуществляли с помощью электронных термометров TP3001 (разрешение 0,1 °C, точность ±1 °C). 4. Концентрацию СО2 в почвенном воздухе определяли методом мембранных пробоотборников [Смагин, 2005]. В почву на 5-10 см выше стола мерзлоты были помещены трубки диаметром 1 см, герметично закрытые с поверхности резиновой пробкой. 5. В каждой точке опробования в трехкратной повторности измеряли температуру почвы на глубине 10 см с помощью термощупа ТР3001 (разрешение 0,1 °C, точность ±1 °C) и объемную влажность в верхнем 20-сантиметровом слое почвы с помощью влагомера Spectrum TDR (разрешение 1 %, точность ±3 %). Точки подбирали так, чтобы они были расположены достаточно близко от места установки камер для определения эмиссии парниковых газов, но не нарушали при этом нативное состояние почвенного покрова. 6. Измерение мощности сезонно-талого слоя (СТС) проводили зондированием мерзлотным щупом (ГОСТ 26262-2014, 2015), который представляет собой заостренный стержень, сделанный из металла. Длина щупа - 2 м, диаметр - 10 мм. 7. Определение содержания растворенного диоксида углерода в болотных водах проводили методом headspace equalibrition [Hope, Billet, Cresser, 1994]. Дальнейший расчет концентрации (моль/л) и парциального давления СО2 (patm) проводился с учетом объемов жидкой и газообразной фазы в пробоотборнике, температуры воды и рН [Halbedel, 2018]. Измерения концентрации СО2 в пробах проводили на портативном газоанализаторе с инфракрасным датчиком RMT DX6210 (разрешение 0,001 %, точность 0,002 %). Для оценки концентрации CH4 пробы отбирали в герметичные емкости с солевым раствором и определяли на газовом хроматографе Кристаллюкс 4000М (чувствительность 10-5 %, точность 2 %). Для оценки торфяно-болотного комплекса как потенциального источника газов в атмосферу, измерены концентрации накопленного в почве и в воде СО2. Концентрацию СО2 в почвенных надмерзлотных водах оценивали с использованием данных по концентрации СО2 в почвенном воздухе (метод мембранных пробоотборников), находящемся в равновесии с надмерзлотными водами. В соответствии с законом Генри-Дальтона при температуре воды около 0 °С и рН = 4 концентрация СО2 в воде будет приблизительно в 1,6 раз больше, чем в почвенном воздухе [Смагин, 2005]. На основе этого мы считаем, что данные по концентрации СО2 в надмерзлотных водах торфяника и поверхностных водах болота сопоставимы и могут быть использованы для сравнения друг с другом. Соответственно, мы получили три типа данных: концентрация СО2 в болотных водах (моль/л), концентрация СО2 в почвенном воздухе надмерзлотного горизонта почв торфяника (ppm), а также расчетная концентрация СО2 в надмерзлотных водах торфяника (ppm). 8. Определение физико-химических свойств воды (рН, ЕС, ОВП) проводили с помощью портативных полевых измерителей серии HANNA Instruments (погрешность приборов составляет ± 0,1 ед. pH, ± 2% мкСм, ±2 mV для рН-метра, кондуктометра и вольтметра соответственно). 9. Произведен отбор образцов почвы и воды. В точках с возможностью отбора свободной воды отбирали непосредственно воду. В точках, где такой возможности не было ввиду недостаточного увлажнения, для сбора свободной воды под небольшим прессом отжимали ее из почвенных пор [Раудина и др., 2016]. До проведения лабораторных анализ образцы хранили при естественной влажности и температуре 4 °С. Лабораторный анализ отобранных образцов был проведен с использованием стандартных аналитических методов. 1. Определение влажности почвенных образцов проводили на анализаторе влажности MB35 (погрешность ±0,3 %). 2. Анализ водноэкстрагируемого органического углерода (ВОУ) в водной вытяжке (1 : 25) [Теория и практика..., 2006], а также общего органического углерода (Сорг) и водорастворимого органического углерода (РОУ) в природных водах проводили методом каталитического сжигания на автоматическом анализаторе ТОС - VCPN (Shimadzu, Japan). Ввиду высокого содержания в пробах грубодисперсного материала, для определения Сорг образцы отфильтровывали через крупнопористые фильтры «белая лента» (5-8 рм). Растворимый органический углерод определяли в водах, пропущенных через ацетатцеллюлозный мембранный фильтр (0,45 рм) [Zsolnay, 1996]. 3. В образцах определение дисперсного органического углерода (ДОУ) проводили расчётным методом по разности Сорг и РОУ. Статистический анализ полученных данных проводился в программном пакете Statistica 10.0 с помощью методов параметрической и непараметрической статистики. Данные проверяли на нормальность, используя критерии Колмогорова-Смирнова, Лиллиефорса и Шапиро-Уилка, в случае, когда данные проходили проверку по всем критериям, выборку считали нормально распределенной. Для сравнения выборок использованы параметрический критерий Стьюдента (t-критерий) и непараметрический критерий Краскела-Уоллиса. Для выявления связи между физико-химическими свойствами и параметрами функционирования использовали корреляционный анализ с включением коэффициента корреляции Спирмена. Выбранный уровень значимости а = 0,05. Построение картограмм для выявления пространственного распределения параметров исследования проводили в пакете GoldenSoftwareSurfer 8. Результаты Экологические факторы в пределах торфяноболотного комплекса. Мохово-лишайниковый покров характерен для всей изученной площади, его проективное покрытие в среднем на торфянике составляло 91 ± 17 %. ТКЯ в разных точках занимал от 0 до 90 % поверхности, для него характерна крайне высокая вариабельность (коэффициент вариации 77 %). Относительное превышение, отражающее микрорельеф поверхности, в среднем составляло 0,57 ± 0,24 м (коэффициент вариации 42 %). Выявлено, что северная и северо-восточная части торфяника имеют более крутой уклон поверхности по сравнению с южным склоном, характеризующимся более пологим спуском. Мощность СТС в пределах торфяника на 11 августа 2018 г. варьировала от 0,3 до 0,5 м. Стол мерзлоты имеет выраженный рельеф (рис. 2). В средней части торфяника СТС имеет наименьшую мощность (тест Тьюки, p < 0,005), на болоте ММП не фиксировались двухметровым щупом. Температура почвы в дневное время на глубине 10 см на торфянике примерно в три раза меньше температуры воды в болоте. Выявлена слабая, но значимая связь (r = 0,373 при p = 0,05; n = 30) между глубиной СТС и температурой почвы. Влажность в верхнем 20-сантиметровом слое почвы на торфянике варьирует в пределах 21,8-58,0 % и значимо отличается (p = 0,0000) от таковой в почвах олиготрофного болота, где влажность более стабильна и существенно выше. Воды олиготрофного болота характеризуются относительно стабильной величиной рН (3,6-4,2), слабой минерализованностью, о чем говорит низкая солевая нагрузка (ЕС не превышает 65мкСм/см), а также окислительными условиями с ОВП более +220 мВ (табл. 1). Рис. 2. Поперечный профиль торфяника, отражающий рельеф залегания ММП Fig. 2. The profile of the permafrost relief Таблица 1 Физические и химические свойства почв и вод болотно-торфяного комплекса Table 1 Physical and chemical properties of soils and waters of the bog complex Экосистема СТС, м t почвы/воды, °C W почвы, % рн ЕС, цСм/см ОВП, мВ Плоскобугристый торфяник 0,40 ± 0,06 (21%) 4,4 ± 1,2 (28%) 47,2 ± 2,1 (16%) - - - Олиготрофное болото - 13,0 ± 1,4 (11%) 60,6 ± 0,3 (2%) 3,9 ± 0,1 (6%) 57 ± 18 (18%) 337 ± 17 (5%) Примечание. Указаны средние значения ± стандартные отклонения (коэффициент вариации), n = 30 и 26 для торфяника и болота соответственно. Note. Mean values ± standard deviations (coefficient of variation) are indicated, n = 30 and 26 for palsa and bog, respectively. Характеристика неорганических соединений углерода. Эмиссия СО2 почвами торфяника и олиготрофного болота составила 94 ± 48 и 85 ± 25 мг СО2/м2/час соответственно (рис. 3). Данный показатель характеризуется высокой пространственной вариабельностью (коэффициенты вариации 51 и 30 % для торфяника и болота соответственно). Распределение значений эмиссии СО2 подчиняется закону нормального распределения. Значимых различий по этому параметру в пределах торфяника (в разных его частях) не выявлено, отсутствуют различия и между двумя экосистемами. Корреляционный анализ не дал статистически значимых результатов связи между эмиссией и другими показателями. Эмиссия метана почвами торфяника не превышает 0,8 мг СН4/м2/ч (n = 4), на болоте значения выше на порядок - до 9,0 мг СН4/м2/ч (n = 2). Хочется отметить, что измерения метана на торфянике были единичны в силу того, что, во-первых, поток этого газа почвами торфяника мал по сравнению с потоком диоксида углерода. Во-вторых, измерения эмиссии почвами болота сопряжены с методическими сложностями, вызванными отбором, хранением и транспортировкой проб. В силу того, что величина эмиссии не полностью отражает биологическую активность почв, так как зависит не только от биотических, но и абиотических факторов, для более детальной оценки соединений неорганического углерода проведены измерения концентрации диоксида углерода в почвенном воздухе и в воде экосистем торфяно-болотного комплекса (табл. 2). Данный показатель характеризуется высокой пространственной вариабельностью. Значения концентрации СО2 не подчиняются закону нормального распределения. В пределах торфяника установлены достоверные различия концентрации СО2 в почвенном воздухе - максимальные величины характерны для краевой части торфяника. Локально имеются точки с экстремально высокими значениями (до 20 тыс. ppm), приуроченные к местам наибольшего сезонного протаивания (r = 0,537 при p = 0,05; n = 30). На болоте также наблюдаются точки с повышенной концентрацией СО2 в воде. В целом по мере удаления от торфяника концентрация СО2 в болотной воде снижается (рис. 4). Однако по трансектам не всегда удается однозначно это проследить в силу того, что в конце трансект часто сказывается присутствие соседних торфяников, входящих в торфяно-болотный комплекс. Установлено, что изученные болотные воды в августе характеризуются парциальным давлением СО2 более 350 gatm. Концентрация метана в почвенном воздухе и поверхностных водах торфяно-болотного комплекса чрезвычайно мала и не превышает 0,05 %. Значимых отличий в концентрации неорганических соединений углерода в болотных и надмерзлотных водах торфяника не выявлено. Рис. 3. Эмиссия диоксида углерода и метана почвами торфяно-болотного комплекса Fig. 3. The carbon dioxide and methane efflux by the soils of the peat-bog complex Таблица 2 Описательная статистика концентрации СО2 в экосистемах торфяно-болотного комплекса Рис. 4. Изменение концентрации СО2 в болотных водах воде по мере удаления от торфяника Table 2 The descriptive statistics of the inorganic carbon compounds content and fluxes in the peat-bog complex ecosystems Показатель N Среднее Ст. откл. Нижний квартиль Медиана Верхний квартиль Эксцесс Ст. ошибка эксцесса Коэффициент вариации Пл оскобугрист ый торфяни к Концентрация СО2 в почвенном воздухе, ppm 30 6 010 4 178 3 210 4 600 7 200 1,98 0,43 70 Концентрация СО2 в почвенных надмерзлотных водах, ppm 30 10 010 6 960 5 347 7 662 11 993 1,98 0,43 70 Олиготрофное болото Концентрация СО2 в болотных водах, мкмоль/л 26 337 225 183 274 379 1,52 0,47 67 Парциальное давление СО2, Ltatm 26 8 916 5 207 4 579 8 227 10 523 0,95 0,43 58 Fig. 4. Change in CO2 concentration in the fen water with distance from the palsa В целом в пределах изученного торфяноболотного комплекса с помощью корреляционного анализа выявлена связь концентрации СО2 с факторами среды: температурой (r = 0,396 при p = 0,003; n = 55) и влажностью (r = 0,315 при p = 0,048; n = 40) почвы, а также с величиной ЕС воды (r = 0,419 при p = 0,037; n = 25). Закономерно выявлена прямая тесная связь между эмиссией и концентрацией СО2 (r = 0,802 при p = 0,05; n = 40). Характеристика органических соединений углерода. Концентрация РОУ в надмерзлотных водах торфяника и болотных водах в целом варьирует от нескольких десятков до более чем 200 мг/л, содержание ДОУ ниже на 1-2 порядка (рис. 5). Участки торфяника по содержанию РОУ и ДОУ достоверно не отличаются. Закономерно более высокие значения РОУ в торфяно-болотном комплексе характерны для почвенных надмерзлотных вод (p = 0,000035) по сравнению с болотными. По ДОУ надмерзлотные воды торфяника и болотные воды не отличаются. Содержание водноэкстрагируемого органического углерода на торфянике варьирует от 380 до 1 900 мг/г почвы (коэффициент вариации 45 %) и в среднем составляет 800 мг/г почвы. Различий в содержании ВОУ на разных участках торфяника не выявлено. Корреляционный анализ не выявил достоверных связей содержания органического углерода (разных фракций) с параметрами функционирования среды (температура, уровень СТС, ОВП, рН и др.). Рис. 5. Концентрация фракций органического углерода в водах экосистем торфяно-болотного комплекса Fig. 5. Concentration of organic carbon compounds in the wetland complex ecosystems waters Обсуждение Олиготрофное болото и плоскобугристый торфяник представляют собой две контрастные экосистемы и значимо отличаются по изученным свойствам и параметрам функционирования. Основным фактором, создающим контрастность условий, выступает наличие и глубина залегания ММП в толще почвенного профиля торфяника, где СТС не превышает 0,5 м и определяет режимы функционирования почв. По полученным данным, эта неоднородность условий выражается в крайне высокой вариабельности микрорельефа, растительности, температуры и влажности почв. В ложбинах стока, представленных олиготрофным болотом, ММП отсутствуют (или залегают на глубине более 2 м) и не оказывают прямого влияния на функционирование экосистемы в настоящее время [Матышак и др., 2017], в связи с чем контрастность условий на них выражена слабее. Содержание неорганических соединений углерода и их связь с факторами среды. Установлено, что эмиссия диоксида углерода в августе в изученных экосистемах в целом невысокая. Полученные значения эмиссии СО2 свидетельствуют о низкой биологической активности в изученных экосистемах [Наумов, 2009; Курганова, 2010] несмотря на то, что исследования проводились в пик вегетационного сезона. Указанные величины по эмиссии и концентрации СО2 сравнимы с таковыми, полученными на данной территории [Бобрик, 2016; Гончарова и др., 2016; Бобрик и др., 2018] и на схожих объектах Западной Сибири [Наумов, 2011; Головацкая, Дюкаев, 2012]. В целом для олиготрофного болота характерен сложный характер функционирования и множество связанных друг с другом и оказывающих взаимное влияние факторов, что в свою очередь вносит вклад в интерпретацию полученных результатов [Бобрик, 2016]. В работе по схожим объектам было сделано предположение [Гончарова и др., 2019], что не весь продуцируемый почвами газ выделяется с поверхности, возможны его потери за счет грунтового стока. В краевых частях изученного нами торфяника имеются точки с экстремально высокими значениями эмиссии и концентрации СО2 (рис. 6), что косвенно подтверждает высказанное предположение. Нижние горизонты торфяника характеризуются близкими к нулю температурами [Goncharova et al., 2015], из-за чего возможно интенсивное растворение газа в холодных почвенных надмерзлотных водах [Смагин, 2005], образующихся при активном таянии сезонномерзлых пород. Латеральными потоками растворенный СО2 транспортируется с надмерзлотными водами к более низким участкам мезорельефа, которыми является болото. На границе торфяник - болото происходит резкая смена температуры (ее повышение), за счет чего СО2 высвобождается в газообразном виде, обусловливая образование здесь «горячих точек» эмиссии и концентрации СО2. Локусы с экстремально высокими значениями концентрации выявлены и на торфянике, здесь они приурочены к местам наибольшего сезонного протаивания. Вероятно, тут высока роль физических процессов газоперено-са - СО2 «стекает» по столу мерзлоты и аккумулируется в понижениях, растворяясь в надмерзлотной верховодке, а не высвобождается в виде атмосферных потоков. Установленная с помощью корреляционного анализа прямая связь концентрации СО2 и мощности СТС дополнительно это подтверждает. Не стоит забывать и о боковой диффузии газов, которая в торфяных почвах по сравнению с минеральными может протекать более активно за счет их горизонтальной слоистости. Благодаря этому процессу также возможны потери СО2 в торфяных почвах. Таким образом, содержание диоксида углерода на границе торфяник - олиготрофное болото отражает не столько функционирование непосредственно болота, а кумулятивный эффект, складывающийся из процессов газообмена и на болоте, и на торфянике. По мере удаление от торфяника, влияние поступающих с него потоков будет ослабевать и на каком-то расстоянии концентрация СО2 в воде будет показывать функционирование непосредственно болота. Тут надо отметить, что поскольку торфяноболотный комплекс сложен множеством торфяников, расположенных изолированно друг от друга, но на небольших расстояниях, найти «контрольные» точки, не подверженные влиянию потоков с торфяника, достаточно сложно. В замкнутых ложбинах, с трех сторон окруженных торфяниками, концентрация очень велика, что отражают трансекты 1 и 4. А вот линия, по которой проложена трансекта 2, не окружена торфяниками и находится в отдалении от них и имеет линейный характер уменьшения концентрации. Некоторые вопросы вызывает отсутствие различий в эмиссии СО2 почвами торфяника и олиготрофного болота, однако это вновь может быть связано с недоучетом потока СО2 с поверхности торфяника и перераспределением этих потоков между торфяником и болотом. Кроме этого, 2018 г. характеризовался стабильными и достаточно низкими температурами воздуха, что и повлияло на выравнивание показателей эмиссии в двух экосистемах: при более низких температурах газ лучше растворяется в растворе (в болотных водах), а при высоких в большей степени эмитирует. Несмотря на отсутствие в этот год тесной связи между температурой и эмиссией, наблюдается тенденция к прямой связи, поэтому полностью отказываться от связи температуры и эмиссии мы не можем. Исследованные болотные воды существенно пересыщены углекислотой по отношению к атмосфере, так как превышают условное фоновое значение 350 gatm для северных экосистем [Tans, Fung, Takahashi, 1990]. Соответственно, при смене условий (например, повышение температуры) болотные воды могут стать значительным источником этого парникового газа в атмосферу, вызывая сдвиг углеродного баланса. Установлено, что полученные значения по эмиссии CH4 болотом являются характерными для почв западносибирских болот в летний период [Глаголев, Смагин, 2006; Глаголев, 2010]. Nilsson и соавт. [2001] отмечает крайне высокую (2-3 порядка) пространственную вариабельность потока метана из естественных болот, характерную и для проведенного нами исследования. Что касается торфяника, то рядом работ [Regina et al., 2007; Глаголев и др., 2008] показано снижение эмиссии СН4 при его осушении, так как увеличивается аэробная зона торфяной залежи и происходит полное окисление растительных остатков и торфа с образованием СО2. Изученный нами торфяник частично развивается в автоморфных условиях, обеспечивая аэробные условия в почвенной толще, что и обусловливает низкие значения эмиссии метана. Близкие к нулю концентрации метана в поверхностных обводненных горизонтах изученных почв олиготрофного болота можно объяснить тем фактом, что воды здесь являются насыщенными кислородом, о чем говорят значения ОВП более +220 мВ. Перельман [1975] определял воды с такой величиной как «характеризующиеся окислительной окислительно-восстановительной обстановкой» и «насыщенные кислородом». Метан чаще образуется в анаэробных условиях, при недостатке кислорода -в наших объектах это происходит на глубине более 20 см. При переносе газа к поверхности почвы значительная доля СН4 может потребляться метано-трофными микроорганизмами [Глаголев и др., 2001], снижая поток этого газа с поверхности. Наумов [2009] отмечал, что верховые олиготрофные болота являются источниками метана только в теплый период и даже тогда интенсивность эмиссии низка. 20000 10000 9000 8000 ГРАНИЦА ТОРФЯНИК - БОЛОТО 6000 5000 4000 3000 2000 мг 002 /м2/час ГРАНИЦА ТОРФЯНИК - БОЛОТО Рис. 6. Пространственное распределение эмиссии (a) и концентрации (b) СО2 почвами торфяно-болотного комплекса Fig. 6. C Spatial distribution of CO2 efflux (a) and concentration (b) by the wetland complex soils Взаимосвязь факторов среды и органических соединений углерода. Выявлено, что содержание органического углерода на торфяно-болотном комплексе высокое. Полученные значения пусть и сопоставимы с таковыми на некоторых аналогичных объектах Западной Сибири [Покровский, Широкова, Кирпотин, 2012; Раудина, 2016] и Канады [Glatzel, 2003], но несколько превышают данные по другим объектам бореального пояса России [Gandois et al., 2019], Швеции [Olefeldt et al., 2012] и Канады [D'Acunha et al., 2019]. Более высокие концентрации РОУ почвенных надмерзлотных вод по сравнению с болотными, возможно, связаны с отсутствием сорбции органического вещества на минеральных компонентах почв. Близкое залегание ММП выступает водоупором и является эффективным барьером для фильтрующихся почвенно-грунтовых вод [Woo, 1986], препятствуя их проникновению в более глубокую минеральную толщу. Локальный ток воды обеспечивает транспорт и вынос всех растворенных веществ в болото. Потери органического углерода с торфяника возможны именно за счет этих вод. Торфяники, формирующиеся в криолитозоне, характеризуются специфической гидрологией [Yamazaki et al., 2005; Petrone et al., 2006] и взаимосвязи между почвенно-грунтовыми, болотными, надмерзлотными и поверхностными водами здесь очень сложные [White et al., 2008]. Зависят они от множества параметров, в первую очередь от характера распространения ММП и мощности СТС [Carey, 2003; Petrone et al., 2007], поэтому описанная картина вполне реальна. Благодаря высокой концентрации РОУ в почвенных растворах и отсутствию сорбции на минеральных компонентах торфяники могут выступать значительным источником органического углерода в сопряженные водные экосистемы. Frey, McClelland [2009] отмечали, что в целом наблюдается увеличение экспорта РОУ из районов с обширными торфяными отложениями. Это подтверждает возможный вынос РОУ. Аналогичные результаты, когда РОУ на торфянике больше, чем в окружающем болоте, были получены Раудиной [2018]. Автор высказывал предположение о связи данного явления с адсорбцией РОУ минеральными горизонтами и криоконцентрацией растворенных веществ при замораживании почвенного раствора. Можно предположить, что если будет вскрываться минеральный горизонт (например, при потеплении и большем протаивании), то углерод будет сорбироваться и оставаться в пределах торфяника. Заключение Крупномасштабные исследования на локальном плоскобугристом мерзлом торфянике, окруженном олиготрофным болотом, показали наличие сложных многофункциональных связей между почвой, атмосферой и гидросферой с точки зрения перераспределения соединений углерода. Изученный торфяник поставляет углерод в сопряженные ландшафты в двух видах: неорганические соединения, представленные метаном и диоксидом углерода, а также углерод органического вещества (дисперсный и растворенный). Наличие «горячих точек» на границе торфяник - болото свидетельствует об активном переносе органического и неорганического углерода из торфяника в сопряженные водные экосистемы и возможном преобладании этого пути транспортировки соединений. Тот факт, что болотные воды пересыщены диоксидом углерода по сравнению с атмосферным воздухом, указывает на возможность этой экосистемы выступать значительным источником СО2 при изменении условий среды (изменение температурного режима, например). При этом полугидроморфные и автоморфные экосистемы (плоскобугристые торфяники) также эмитируют газы, пусть и в меньшей степени. Однако при большем оттаивании ММП возможно увеличение экспорта РОУ и увеличение интенсивности эмиссии, что может вызвать сдвиги в углеродном балансе.

Скачать электронную версию публикации