Greenhouse Gas Fluxes and Carbon Storages in Oligotrophic Peat Soils of Western Siberia

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Научный интерес к исследованиям болотных экосистем определяется не только их планетарно значимой климаторегулирующей и средообразующей функцией, но и практическими задачами, которые связаны с оценкой экологических и социально-экономических последствий при промышленном освоении заболоченных территорий. Занимая незначительную площадь (около 3–5%) поверхности суши, болотные экосистемы играют значительную роль в биосфере, в том числе в глобальном круговороте углерода, являясь источниками и стоками парниковых газов [2, 22, 37]. Динамика содержания парниковых газов в атмосфере привлекает внимание различных специалистов, поскольку в современный период наблюдается увеличение концентрации CO₂ в атмосфере, которое в основном связывают с антропогенной деятельностью [24]. В то же время в результате обмена между атмосферой, растительностью, почвами и океанами, рост концентрации парниковых газов в атмосфере составляет меньше половины их поступления из различных источников, за счет способности природных экосистем, в том числе болотных, депонировать углерод. Процесс аккумуляции углерода в торфяных почвах преобладает над процессом его выделения (эмиссии CO₂ и CH₄) за счет медленного процесса разложения растительных остатков, по сравнению с образованием фитомассы, что обусловливает постоянный прирост торфяной залежи и развитие болотных экосистем [20, 39]. Этот процесс накопления органического вещества в почве выполняет важнейшую функцию регулирования климата, удерживая углерод на длительный (десятки тысяч лет) период. Однако одновременно с этим в торфяных почвах формируются анаэробные условия, которые способствуют образованию и последующему выделению метана. С одной стороны, уровень болотных вод (УБВ) контролирует степень насыщения почвы, которая создает анаэробные условия, вызывающие биохимическое ингибирование процесса трансформации торфа [20] и производство CH₄ [16], с другой стороны, растения, как основной источник органического вещества, контролируют депонирование углерода, определяя количество и качество органического вещества, которое подвергается разложению [18]. Из-за двойственного воздействия торфяников на потоки углерода (активное поглощение и депонирование в виде торфа, с одной стороны, и высокая эмиссия CO₂ и метана, с другой стороны) прямая оценка климатической роли торфяников затруднена и возможна только с учетом одновременных измерений всех элементов углеродного баланса, либо с помощью математического моделирования [27, 29]. В то же время одним из способов оценки климатической роли болотных экосистем и их уязвимости к климатическим изменения является метод оценки с помощью отношения депонирования углерода к выбросам парниковых газов, которое представляет собой соотношение между вкладом отрицательного и положительного радиационного воздействия [30]. Чем ниже полученный коэффициент, тем выше потенциальное негативное воздействие на экосистему и, соответственно, тем меньше роль болотных экосистем в регулировании климата.

На территории Западной Сибири площадь болотных экосистем составляет около 50% [2, 7, 13]. Несмотря на то, что крупные болотные массивы, распространенные в Западной Сибири, считаются устойчивыми к наблюдаемым климатическим изменениям, эти изменения могут оказать серьезное воздействие на гидрологический режим болотных экосистем и их экосистемные функции, в том числе регулирование климата [31, 33].

В настоящем исследовании оценивали запасы углерода и изменчивость потоков парниковых газов (CO₂ и CH₄) в пределах олиготрофного болота южно-таежной подзоны Западной Сибири в зависимости от видового состава растительности и гидрологического режима почв. Результаты использовали для оценки уязвимости олиготрофного болота к текущим тенденциям изменения температур воздуха и сумм атмосферных осадков.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объекты и природные условия района исследования. Объектами исследования явились две типичные олиготрофные торфяные почвы (Fibric Histosols), развивающиеся на олиготрофном болотном массиве (Бакчарское болото) в южно-таежной подзоне Западной Сибири [6, 9]. Исследуемый болотный массив расположен на водоразделе двух малых рек – Бакчар и Икса (рис. 1). Район водораздела представляет собой северо-восточную ветвь крупнейшей системы водно-болотных угодий в мире – Большого Васюганского болота. Согласно классификации растительного покрова по спутниковым снимкам Landsat 7 [19] установлено, что около 37% площади водосбора занимают болота, 30% из них представлены олиготрофными болотами и только 7.4% – эвтрофными. Среди олиготрофных болот преобладали открытые (15%) и лесные (14.9%).

 

Рис. 1. Карта-схема района исследований.

 

Первая торфяная почва развивалась на открытом осоково-сфагновом болоте (56°58′14.6″ E, 82°37′10.3″ N). В растительном покрове преобладали Eriophorum vaginatum L. и Carex rostrata Stokes. (проективное покрытие 64%). Моховой покров был представлен различными видами сфагновых мхов (Sph. angustifolium (Russ.) C. Jens., Sph. magellanicum Brid, Sph. fuscum (Schmp.) Klinggr.), образующих сплошной покров. Глубина торфяной почвы достигала 3 м. Торфа, слагающие профиль торфяной почвы до глубины 1 м, были представлены верховым сфагновым торфом, затем шел слой переходного торфа, представленного древесным и древесно-осоковым видами, а в основании залегал слой эвтрофного торфа хвощового вида.

Вторая торфяная почва развивалась на залесенном болоте (56°58′32.2″ E, 82°36′29.7″ N), растительность которого была представлена сосново–кустарничково–сфагновым фитоценозом. В современном растительном покрове преобладали Pinus sylvestris L. f. litwinowii Sukacz, (средняя высота деревьев 2–3 м) и кустарничковый ярус с Ledum palustre L., Chamaedaphne calyculata L., Andromeda polifolia L., Vaccinium uliginosum L., Oxicoccus microcarpus L. В моховом покрове на кочках Sph. fuscum (95%), а в межкочковых пространствах преобладали Sph. angustifolium и Sph. magellanicum. Травяной ярус был слабо развит (5%) и представлен скоплениями Eriophorum vaginatum L., Rubus chamaemorus L., Drosera rotundifolia L. Глубина торфяной почвы достигала 2 м. Верхний 1-метровый слой торфяной почвы был сложен верховыми сфагновыми торфами (преимущественно Sph. magellanicum и Sph. fuscum), затем следовал тонкий слой мезотрофного торфа древесно-сфагнового и древесно-осокового видов, в основании залегал слой низинного древесного торфа.

Методы исследования. Оценка биологического разнообразия. При выполнении геоботанического описания растительного покрова исследуемых фитоценозов проводили учет видов растений и их встречаемости на пробных площадках размером 10 × 10 м (при наличии древесного яруса) и 5 × 5 м на открытых осоково-сфагновых участках. Всего было выполнено 10 геоботанических описаний. Обилие растений оценивали в баллах модифицированной шкалы Браун-Бланке. Количество отдельных экземпляров растений определяли методом сплошного пересчета на учетных площадках 2 × 2 м для травяно-кустарникового яруса и 10 × 10 см для мохового покрова. Оценку биологического разнообразия исследуемых фитоценозов выполняли с помощью индекса Шеннона-Уивера (H) [35]. Несходство видового состава исследуемых фитоценозов оценивалось по коэффициенту Брэя-Кертиса (БК) [14].

 

Таблица 1. Характеристика погодных условий Бакчарского района по данным метеостанции “Бакчар” (средние значения за 1999–2014 гг.)

Параметр	Значение
Среднегодовая температура воздуха, °С	0.93±0.93
Средняя температура воздуха за период вегетации, °С	13.40±1.04
Годовая сумма осадков, мм	544±123
Продолжительность бесснежного периода, дни	181±14
Сумма активных температур (T > 10°С), °С	1854±258
Гидротермический коэффициент Селянинова	1.02±0.19
Высота снежного покрова, см	82±20

 

Оценка запасов и скорости депонирования углерода. Для определения запасов углерода в исследуемых торфяных почвах проводили послойный отбор почвенных образцов (с интервалом 10 см) ручным геологическим буром ТБГ-1, всего отобрано по 3 торфяных керна на каждом участке. Для расчетов запасов углерода в почвах в отобранных образцах определяли плотность (объемно-весовым методом [1]) и содержание углерода (методом Тюрина в модификации Пономаревой и Николаевой [12]). Все анализы выполняли в лаборатории мониторинга лесных экосистем ИМКЭС СО РАН (аналитик О.Э. Печень-Песенко). По данным о плотности и содержанию углерода в торфе рассчитывали запасы углерода для каждого 10-сантиметрового слоя по формуле:

$C_{soil} = C \rho 1000$,

где C_soil – суммарные запасы углерода, г/м²; ρ – плотность горизонта, г/см³; C – содержание органического углерода, %.

Измерение потоков парниковых газов. Измерение эмиссии парниковых газов проводили камерным методом. Эмиссию CO₂ измеряли 2 раза в месяц с мая по сентябрь с 1999 по 2012 гг., эмиссию метана исследовали в том же режиме с 2011 по 2014 гг. На каждой исследуемой торфяной почве был выбран участок с однородным растительным покровом и преобладающей формой микрорельефа: для залесенного болота – это выравненная поверхность, покрытая Sph. fuscum, для открытого болота – поверхность, покрытая Sph. angustifolium. На выбранных участках на предварительно установленные основания площадью 590 см² с канавкой для гидроизоляции устанавливали три непрозрачные цилиндрические камеры объемом 16.6 л. Основания осторожно закладывали в торф на глубину 10 и 20 см (на открытом и залесенном болоте соответственно) за несколько дней до начала эксперимента. Перемешивание воздуха в камере осуществляли электровентилятором на 12 В. Эмиссию CO₂ измеряли с помощью инфракрасного газоанализатора Оптогаз-500.4 (Санкт-Петербург, Россия). Данные измерений объемной доли CO₂ регистрировали с периодичностью 1 измерение в секунду. За время экспозиции (5–15 мин) рост концентрации CO₂ в камере линеен. Полученные данные аппроксимировали линейной зависимостью и по углу наклона аппроксимирующей прямой определяли скорость изменения объемной доли CO₂ в камере (f, ppm/ч). Для измерения потоков CH₄ пробы воздуха из камер отбирали с помощью пластикового шприца объемом 1 мл с трехкратной повторностью сразу после установки камеры на основание и через 30 мин после начала экспозиции. Для определения объемной концентрации CH₄ использовали газовый хроматограф Shimadzu GC-14B с пламенно-ионизационным детектором при следующих условиях: газ-носитель – гелий, набивная колонка – Carboxen-1000 диаметром 2.1 мм и длиной 15 м.

Величину потока (скорость эмиссии) CO₂ и CH₄ с поверхности торфяной залежи рассчитывали по формуле:

$F =\frac{ f P M V}{R T S)}$,

где F – скорость эмиссии CO₂ (CH₄), мг/(м² ч); Р – атмосферное давление, Па; f – скорость роста объемной концентрации CO₂ (CH₄) в камере, ppm/ч; М – молярная масса CO₂ (CH₄), 0.044 (0.016) кг/моль; R – универсальная газовая постоянная, 8.31 Дж/моль/К; Т – температура воздуха, К; V – объем камеры, м³; S – площадь основания, м².

Регистрация потоков CO₂ и CH₄ сопровождалась дополнительными измерениями характеристик окружающей среды: температуры воздуха и торфяной почвы, уровня болотных вод. Температуру торфа измеряли с помощью автономного измерителя профиля температуры [8] на глубинах 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 60, 80, 120, 160, 240 см. Мониторинг УБВ проводили с помощью датчика давления (HOBO Water Level Logger U20–001–04), погруженного в воду на фиксированном уровне под поверхностью.

Статистический анализ. Статистическая обработка данных включала оценку всех исследуемых характеристик с помощью описательных статистик. Проверку нулевой гипотезы при сравнении независимых выборочных групп рассматриваемых параметров (содержание и запасы углерода, величина эмиссии CO₂ и CH₄) проводили с помощью непараметрического U-критерия Уилкоксона. Взаимосвязи между потоками парниковых газов и переменными окружающей среды оценивали с использованием корреляционного анализа и коэффициента Спирмена. Статистическую обработку результатов проводили в приложении SigmaStat 6 (Systat Software, Inc).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристика гидротермических условий. Характеристика погодных условий района исследований по данным ближайшей метеостанции “Бакчар” представлена в табл. 1. Исследуемые торфяные почвы существенно различаются по глубине УБВ. На открытом болоте среднее многолетнее значение УБВ (за период 1999–2014 гг.) составляет 4.7±2.8 см ниже поверхности, на залесенном болоте – 18.4±7.8 см. Почва открытого болота прогревается сильнее по сравнению с залесенным болотом, и характеризуется большей температурой на глубине от 10 до 80 см (P < 0.001) по сравнению почвой залесенного болота.

Биоразнообразие. Всего на исследуемых участках было определено 15 видов растений, 12 видов в сосново-кустарничково-сфагновом фитоценозе и 11 видов на осоково-сфагновом. Из описанных видов растений 8 видов встречаются на обоих участках, однако они значительно различаются по морфологическим признакам. Оценку биоразнообразия по индексу Шеннона проводили с учетом и без учета сфагновых мхов, так как количественно сфагновые мхи существенно превышают все остальные виды вместе взятые (рис. 2).

 

Рис. 2. Относительное обилие видов растений на двух фитоценозах: a – по ярусам растительного покрова; b – видовое обилие, без учета сфагновых мхов.

 

Индекс разнообразия Шеннона был выше на открытом болоте (H = 1.89) по сравнению с залесенным (H = 1.21), что, при достаточно большом количестве одинаковых видов на обоих болотах, связано с их морфологическими особенностями, вызванными приспособлением к разным гидрологическим условиям. Исключение сфагновых мхов при расчете индексов позволяет оценить разнообразие и выравненность древесно–травяно–кустарничкового яруса. Несходство Брэя-Кертиса между двумя экосистемами с учетом сфагновых мхов показало высокое значение (0.76). При исключении сфагновых мхов из расчета, коэффициент Брэя-Кертиса снижается (0.52).

Содержание и запасы углерода в торфяных почвах. Данные по содержанию углерода в исследуемых почвах приведены в табл. 2. Несмотря на то, что исследуемые почвы существенно отличаются по видовому составу торфов, слагающих торфяные горизонты, содержание углерода в них имеет близкие значения и варьирует в пределах 39.33–46.10% в торфяной почве залесенного болота и 39.75–48.92% в почве открытого болота. Распределение углерода по глубине торфяного профиля исследуемых почв также характеризуется общими закономерностями: отмечается низкое содержание углерода в верхнем слое 0–50 см, с глубиной оно постепенно увеличивается, достигая максимальных значений на глубинах 110–150 см. Запасы углерода в торфяных почвах зависят от плотности сложения. Плотность сложения верхних слоев почв исследуемых болот сильно различается: в почвах залесенного болота она составляет в среднем 0.047 г/см³, а открытого болота – 0.034 г/см³. В почве залесенного болота в слое 0–50 изменения плотности незначительные, более плотные верхние 10 см – 0.05 г/см³, затем плотность несколько снижается и достигает значений 0.045 г/см³. В почве открытого болота верхние 0–30 см из-за более разреженного сфагнового покрова характеризуются наименьшими значениями плотности – 0.02 г/см³, но уже в слое 30–50 см происходит значительно уплотнение сфагнового торфа, и плотность увеличивается в 2.7 раза и достигает 0.055 г/см³.

 

Таблица 2. Содержание и запасы углерода в исследуемых торфяных почвах

Почва	Мощность Торфяной почвы, см	Содержание углерода, % среднее (min–max)	Плотность торфа, г/см³ среднее (min–max)	Запас углерода в слое 0–50 см, кг/м²	Запас Углерода во всей торфяной почве, кг/м²
Торфяно-глеевая олиготрофная на залесенном болоте	180	41.8 (39.3–46.1)	0.085 (0.042–0.157)	9.3	65
Торфяно-глеевая олиготрофная на открытом болоте	300	45.8 (39.8–48.9)	0.080 (0.018–0.125)	6.8	110

 

Запас углерода в исследуемых торфяных почвах в слое 0–50 см составляет 9.3±0.5 и 6.8±0.3 кг/м² (различия запасов углерода достоверны при уровне значимости p < 0.05), на залесенном и открытом болотах соответственно. Наиболее значимые различия в запасах углерода исследуемых торфяных почв наблюдаются в верхних горизонтах (от поверхности до 30 см), где плотность сложения на открытом болоте ниже в 2.5 раза по сравнению с залесенным участком, за счет чего запас углерода в 1.4 раза выше на залесенном участке.

Эмиссия парниковых газов. Определяемый в настоящей работе поток CO₂ с помощью темновой камеры представляет собой суммарное экосистемное дыхание, включающее дыхание почвы, корней и части наземной растительности, попадающей в камеру. При исследовании в камере сохранялся моховой покров, а сосудистые растения внутри камеры удаляли. Экосистемное дыхание является важным показателем интенсивности обменных процессов и контролируется как гидротермическими условиями, так и характеристиками биомассы растительности и почвенного углерода.

 

Рис. 3. Средняя месячная эмиссия CO₂ за десятилетний период: 1 – среднее, 2 – медиана, 3 – 25–75%, 4 – минимум (a); связь между эмиссией CO₂ и температурой воздуха на исследуемых торфяных почвах: 1 – залесенное болото, 2 – открытое болото (b).

 

Потоки CO₂ имеют четко выраженный сезонный ход (рис. 3a), обусловленный гидротермическими условиями вегетационного периода и сезонным развитием растительности. Среднемесячная интенсивность эмиссии варьирует от 100 до 253 мг CO₂/(м² ч) и от 82 до 240 мг CO₂/(м² ч) на залесенном и открытом болоте соответственно. Следует отметить, что эмиссия CO₂ в большинстве случаев интенсивнее с поверхности почвы залесенного болота, за исключением мая и июня, когда поток CO₂ был интенсивнее из почвы открытого болота. В целом, изменчивость потоков CO₂ увеличивается во всех исследуемых экосистемах в сухие годы, во влажные, как правило, снижается. Выявленная закономерность подтверждается и другими исследованиями [17, 28, 36]. Это свидетельствует, что УБВ является важным определяющим параметром межгодовой изменчивости нетто-экосистемного обмена болотных экосистем и в итоге влияет на годовой баланс CO₂. Однако проведенный анализ не выявил строгой зависимости эмиссии CO₂ от УБВ. Например, в умеренно влажные и сухие годы наблюдалась отрицательная связь между УБВ и эмиссией CO₂, т. е. при высоких значениях УБВ интенсивность эмиссии снижалась. Тогда как в годы с высокими значениями УБВ зависимость становилась положительной.

Временная изменчивость эмиссии CO₂ контролируется температурой торфа и воздуха [25, 28, 36, 38, 40], так как основное количество CO₂ образуется у поверхности торфяной залежи [23, 25]. Согласно [4], максимальный вклад в поток CO₂ с поверхности торфяной залежи вносит верхний аэробный слой торфа (около 60% от общего потока). Проведенный корреляционный анализ выявил положительную зависимость между эмиссией CO₂ и температурой воздуха (r = 0.63). Взаимосвязь эмиссии CO₂ с температурой воздуха оценивали с помощью регрессионного анализа (рис. 3b), используя экспоненциальную зависимость [21] вида:

$F = a \exp (b T)$,

где F – интенсивность эмиссии CO₂, мг/(м² ч); Т – температура воздуха, а и b – константы. Коэффициент b отражает чувствительность эмиссии к температуре. Согласно полученным расчетам, и для залесенного, и для открытого болот наблюдается одинаковая чувствительность к изменению температурного режима. Выявленные отношения использовали для восстановления потока CO₂ в течение вегетационного периода и расчета суммарного потока CO₂ с поверхности торфяных почв (табл. 3).

 

Таблица 3. Средняя интенсивность эмиссии и средний суммарный поток CO₂ (1999–2012 гг.) и CH₄ (2011–2014 гг.) в исследуемых торфяных олиготрофных почвах южно-таежной подзоны Западной Сибири

Почва	Эмиссия, мг/(м² ч) X±SD		Суммарный поток, г/м² за вегетационный период		Депонирование углерода в торфе г С/м² в год [6]	Отношение депонирования к потоку
	CO₂	CH₄	CO₂	CH₄		CO₂	CH₄
Торфяно-глеевая олиготрофная на залесенном болоте	116.1±27.0	0.57±0.38	140.7±4.9	1.10±0.32	101	0.72	91.8
Торфяно-глеевая олиготрофная на открытом болоте	123.4±39.4	2.66±4.58	161.4±5.3	6.60±1.32	79	0.48	11.9

 

Углерод, депонированный в более глубоких горизонтах торфяных почв при изменении климатических условий, может быть выделен в атмосферу, за счет активизации процессов трансформации органического вещества. В лабораторных экспериментах по оценке продуцирования CO₂ разными типами торфа на разных глубинах залесенного и открытого болота показано, что выделение CO₂ из торфов, слагающих исследуемые торфяные почвы, было выше в торфах открытого болота [5]. Таким образом, за счет потенциальной эмиссии CO₂ из глубоких слоев торфяных почв при смене анаэробных условий, например, в результате осушения и снижения уровня болотных вод, возможно увеличение эмиссии CO₂ с поверхности на 25–28% [5].

Эмиссия CH₄ с поверхности исследуемых почв, так же, как эмиссия CO₂, характеризуется пространственной и временной изменчивостью: за период наблюдений эмиссия CH₄ из почвы открытого болота изменялась от –0.08 до 26.57 мг/(м² ч), а из почвы залесенного болота – от –0.08 до 4.86 мг/(м² ч). При этом эмиссия CH₄ с поверхности почвы на открытом болоте была всегда выше (среднее многолетнее значение – 2.66 и 0.57 мг/(м² ч) для открытого и залесенного болота соответственно), эта разница всегда статистически значима (p < 0.001) (табл. 3). Полученные данные хорошо согласуются с литературными. Например, согласно исследованиям [3], потоки метана из почв залесенных болот и открытых топей варьируют от –0.39 до 7.40 мг/(м² ч) и от –4.73 до 24.39 мг/(м² ч) соответственно. Наилучшим образом полученные данные согласуются с оценками, представленными в работе [11], где медианные значения эмиссии CH₄ торфяными почвами аналогичного типа в летне-осенний период измерений составили 0.56 и 2.87 мг/(м² ч) соответственно. Более высокие значения эмиссии метана приводятся в исследовании [10] для торфяных почв средней тайги (0.60 и 4.29 мг/(м² ч) для залесенных и открытых болот соответственно), однако выдерживается соотношение в потоках на болотах разного типа.

Эмиссия CH₄ из исследуемых торфяных почв характеризуется сезонной изменчивостью с максимальными значениями в июле. Наиболее отчетливая сезонная изменчивость выявлена для торфяной почвы открытого болота. Здесь эмиссия в июле в среднем составила 4.01±5.77 мг/(м² ч), и это значение превышает величину эмиссии в мае и сентябре в 3.5–4 раза (p < 0.001). В почве залесенного болота сезонная динамика эмиссии имеет более сглаженный характер: потоки в июле превышали потоки в мае и сентябре в 1.5 раза, но эта разница была статистически недостоверной.

Для выявления факторов, определяющих временную вариацию потока CH₄, были рассчитаны коэффициенты корреляции Спирмена между потоками CH₄ и ключевыми характеристиками окружающей среды. Согласно полученным данным, эмиссия CH₄ из исследуемых почв не зависела от флуктуаций УБВ, тогда как влияние температуры почвы (на глубине 10 см на открытом болоте и 40 см на залесенном болоте) на изменчивость потоков CH₄ с поверхности обеих почв более выражено (рис. 4).

 

Рис. 4. Корреляционные зависимости между средней суточной эмиссией CH₄ и температурой почвы (a) – торфяная почва открытого болота на глубине 10 см и (b) – торфяная почва залесенного болота на глубине 40 см.

 

Учитывая, что высокие значения эмиссии CH₄ с поверхности торфяной почвы открытого болота наблюдались в середине лета, температура этого слоя может отражать общую сезонную тенденцию роста и развития растительности на болоте. Например, в работе [34] показано, что сосудистые растения участвуют в сезонных колебаниях потоков CH₄ за счет увеличения подачи субстрата для метаногенеза. При этом, согласно работы [34], наибольшие потоки наблюдались на пике вегетации. Исходя из этого, становится понятным, почему в сентябре с понижением температуры и началом отмирания растительности наблюдалось систематическое снижение интенсивности потока CH₄. В мае болотная вода разбавляется талой и атмосферной водой, что приводит к образованию водного слоя с низкой концентрацией растворенного CH₄. Это замедляет диффузию CH₄ через матрицу торфа в верхние слои, так как диффузия в воде происходит медленнее, чем в порах, заполненных воздухом [32]. Кроме того, из-за флуктуации УБВ в торфяной почве залесенного болота могут наблюдаться переменные окислительно-восстановительные условия, при которых происходит попеременное окисление, либо генерация метана [15]. Полученные данные о потоках CH₄ с поверхности залесенного болота согласуются с результатами, полученными для аналогичных болотных экосистем (Mer Bleue, Канада) [26].

Выявленные зависимости между температурой торфяных слоев и потоком CH₄ были использованы для оценки общих потоков CH₄ (табл. 3). Результаты показали существенные различия в сезонных суммарных потоках CH₄ с поверхности торфяных почв исследуемых экосистем.

Роль болотных экосистем в депонировании углерода и их устойчивость к климатическим изменениям. Для оценки роли экосистемы в качестве источника или поглотителя парниковых газов необходимо учитывать все составляющие углеродного баланса, поскольку, основываясь только на измерениях эмиссии парниковых газов легко получить недостоверную оценку. Отношение современного депонирования углерода в торфе к потокам парниковых газов можно использовать для оценки уязвимости экосистем к изменению климата в условиях Западной Сибири. Поскольку это соотношение сочетает количественную оценку основных климаторегулирующих функций (депонирование углерода и выбросы CO₂ и CH₄) и структурных компонентов (растительный покров), оказывающих влияние на эти функции. Можно предположить, что диапазоны отношений представляют собой пределы, в которых эти функции и структура сохраняются при естественных возмущениях. При этом более узкие отношения можно интерпретировать как низкую устойчивость, а более широкие отношения – как высокую устойчивость. Для потока CO₂ это соотношение меньше единицы, с более высоким значением на залесенном болоте, а для потока CH₄ различия между экосистемами существенные, на залесенном болоте оно равно 93, а на открытом болоте, где поток CH₄ в 6 раз выше, это соотношение равно 8. Таким образом, можно сделать вывод о большей уязвимости открытых болот к климатическим изменениям. В работе [29], предложена оценка устойчивости болотных экосистем, которая основана на времени переключения экосистемы из одного состояния в другое, т. е. из источника парниковых газов в поглотитель. Показано, что в пресноводных водно-болотных угодьях на минеральных почвах, для которых получено соотношение депонирования углерода к потоку CH₄ 0.1–25, время переключения экосистем будет варьироваться от ~ 60 до 14 000 лет. С учетом сказанного, а также с учетом возраста исследуемых торфяных почв (2900 и 7900 лет для залесенного и открытого болот соответственно), Бакчарское болото можно считать чистым поглотителем парниковых газов. Это подтверждается исследованиями баланса углерода на данной территории [7].

В долгосрочной перспективе результаты влияния изменения климата на скорость депонирования углерода торфяными почвами и интенсивность выделения парниковых газов сложно прогнозировать. Так как при потеплении и снижении УБВ может произойти смена видового состава растительного покрова, что может способствовать увеличению потока парниковых газов. Однако одновременно с этим увеличится и поглощение углерода растительностью, что приведет к росту скорости депонирования углерода. Кроме того, понижение УБВ может привести к ускорению процесса трансформации аэробных торфяных слоев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование запасов углерода, а также темпов эмиссии парниковых газов (CO₂ и CH₄) в торфяных почвах двух контрастных болотных экосистем (залесенное болото и открытое болото) Западной Сибири показало, что для исследуемых торфяных почв характерны близкие значения интенсивности эмиссии CO₂ (116.1±27.0 и 123.4±39.4 мг CO₂/(м² ч) для почв залесенного и открытого болот соответственно, различия статистически значимы при p < 0.05), но в то же время величина эмиссии CH₄ значительно различается для этих почв (0.57±0.38 и 2.66±4.58 мг CH₄/(м² ч) соответственно (p < 0.05)).

Запасы углерода в исследуемых торфяных почвах в слое 0–50 см составляют 9.3±0.5 и 6.8±0.3 кг/м² (p < 0.05) на залесенном и открытом болотах соответственно, за счет большей плотности торфа в верхних горизонтах торфяной почвы залесенного болота. Запасы углерода и интенсивность потоков парниковых газов зависят от гидротермических условий, а также от характера растительного покрова.

Оценка климатической роли болотных экосистем и их уязвимости к климатическим изменения по отношению депонирования углерода к выбросам метана показала, что в целом исследуемые болота являются устойчивыми к наблюдаемым изменениям климата. Однако открытое болото более уязвимо к климатическим изменениям, так как скорость депонирования углерода в торфяной почве в 1.3 раза ниже по сравнению с залесенным болотом, при этом интенсивность выделения метана в 6 раз выше.

Результаты исследований указывают на важную роль видового состава растительности и гидрологического режима торфяных почв, сформированных в разных болотных экосистемах региона в процессах депонирования углерода и потоков парниковых газов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения “Разработка системы наземного и дистанционного мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, обеспечение создания системы учета данных о потоках климатически активных веществ и бюджете углерода в лесах и других наземных экологических системах” (№ 123030300031–6).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

E. Golovatskaya

Institute of monitoring of climatic and ecological systems SB RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: golovatskayaea@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4354-7156
俄罗斯联邦, Tomsk, 634055

E. Veretennikova

Institute of monitoring of climatic and ecological systems SB RAS; Siberian State Medical University

Email: golovatskayaea@gmail.com
俄罗斯联邦, Tomsk, 634055; Tomsk, 634050

E. Dyukarev

Institute of monitoring of climatic and ecological systems SB RAS; Yugra State University

Email: golovatskayaea@gmail.com
俄罗斯联邦, Tomsk, 634055; Khanty-Mansiysk, 628012

参考

补充文件