ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ СТОК ТЕРРИГЕННОГО УГЛЕРОДА И ЭМИССИИ СО2 С
в 2015–2018 гг. в весеннее половодье, летнюю межень и осенний период повышенного стока, а в зимнюю межень – автомобильного транспорта.
Образцы воды фильтровались непосредственно после отбора (GF/F, Whatman) и хранились при +2 оС до проведения лабораторных анализов. Содержание растворенного органического углерода (РОУ) и неорганического углерода (РНУ) осуществлялось с помощью анализатора TOC vario cube (Elementar, Германия). Спектральные (напр.
SUVA) и флуоресцентные свойства (напр. HIX, BIX) растворенного органического углерода получены с помощью УФ-вид спектрофотометра Cary 100 и флуориметра Cary Eclipse (Agilent, США). Получены данные по содержанию растворенного лигнина согласно [Amon et al., 2012], содержанию стабильных изотопов С и N.
Динамика содержания неорганических ионов и элементов минерального питания рассмотрена в работе И. В. Токаревой и др. авторов этого сборника.
Эмиссионные потоки СО2 измерялись методом плавающей камеры высотой 10 см, оборудованной ИК-сенсором GMT222 Vaisala (Финляндия), помещенным в насос GM70PUMP (Vaisala, Финляндия) [Serikova et al., 2018].
Измерения проводились параллельно с отбором проб.
Результаты
Концентрация РОУ в водотоках, дренирующих восточную окраину Западно- Сибирской низменности, характеризуется значительным пространственным и временным варьированием. На исследованном широтном трансекте (58–69о с.ш.) максимальные концентрации были отмечены в весеннее половодье (14–21 мгС/л) и летний меженный период (8–18 мгС/л). Минимальные уровни концентраций (3–7 мгС/л) приходились на зимнюю межень. При этом в весеннее половодье нами выявлено снижение концентраций РОУ с широтой (т. е. со снижением среднегодовой температуры воздуха), а в летний и зимний периоды, наоборот, прослеживается рост уровней РОУ с 60о с.ш. [Prokushkin et al., 2019].
Степень ароматизации РОУ (параметр SUVA) во все сезоны характеризовалась ростом с
широтой. Анализ изменчивости концентраций взвешенного органического углерода (ВОУ) (0.30–0.98 мгС/л) не выявил закономерностей в широтном распределении, однако в летний меженный период их уровни были несколько выше (0.71±0.16 мгС/л) относительно весеннего половодья (0.55±0.28 мгС/л). Причем ВОУ был обеднен тяжелым изотопом 13С в летний период (δ13С -31.29±1.83 ‰) относительно весны (-27.84±1.13 ‰), что свидетельствует о возрастающем вкладе фитопланктона.
Поведение растворенного неорганического углерода имеет выраженную сезонную изменчивость (1–36 мгС/л) с минимальными уровнями в период весеннего паводка.
Широтные изменения характеризуются снижением концентраций РНУ на отрезке 60–
63о с.ш., приходящегося на область наиболее широкого распространения болот. Концентрации растворенного СО2 (рСО2), наоборот, в реках этого участка имеют свои максимальные уровни:
1800–2500 μатм в весеннее половодье, 5000–
8000 μатм в летнюю межень и свыше 10000 μатм в зимнюю межень.
Годовой экспорт РОУ с водосборных бассейнов оценивается нами величинами от 2.8 гС/м2 на юге (р. Кемь, 58.5о с.ш.) до 5.3 гС/м2 (р. Турухан, 65,9о с.ш.) и 5.5 гС/м2 (р. Гравийка, 67.4о с.ш.) на севере. Тундровые реки, вероятно, характеризуются меньшими значениями. Экспорт РНУ варьировал от 1.4 до 4.5 гС/м2/год, и на его долю приходилось от 27 до 60 % суммарного годового экспорта растворенного углерода без учета растворенного СО2.
Более детальная картина временной динамики растворенных форм углерода и эмиссий СО2 с водной поверхности получена на основе анализа малых водотоков бассейна р. Дубчес с помощью автоматических регистраторов. В период открытой воды значения концентраций растворенного органического углерода (РОУ) получены с помощью сенсора fDOM зонда EXO2 (рис.1). Максимальное расхождение между значениями fDOM и РОУ, полученными в лаборатории, обнаружено в пик весеннего половодья. Вместе с тем очевидна зависимость между уровнем содержания РОУ и расходами воды ручья.
0 5 10 15 20 25 30 35
15.05.19 29.05.19 12.06.19 26.06.19 10.07.19 24.07.19 07.08.19 21.08.19 04.09.19 18.09.19 Дата, дд-мм-гг
Концентрация РОУ, мгС/л
0 100 200 300 400 500 600 700
Расход воды, л/с
Сенсор Проба Расход воды
Рис. 1. Динамика расходов воды и концентраций РОУ в руч. Развилки, полученных с 10-мин.
интервалом с помощью сенсора fDOM EXO2 и измеренных в пробах, отобранных с частотой в 5–7 дней (показано на примере 2019 г.)
Сравнительный анализ ручьев, дренирующих преимущественно олиготрофный (грядово-мочажинные комплексы и рямы) и эвтрофный болотные массивы, выявил более низкие концентрации в последнем (средняя концентрация РОУ 15,7±5,0 и 10,0±2,00 мгС/л соответственно). Причем руч. Горбатый обнаруживает нарастание концентраций РОУ с весны до осени. Степень ароматизации в сравниваемых ручьях также отлична: руч.
Развилки характеризуется значениями SUVA 3,91±0,35, а руч. Горбатый – 2,69±0,16, что свидетельствует о значительной деградации РОУ в последнем.
Концентрации растворенного СО2 в
исследованных водотоках в период открытой воды достигают своего максимума во второй половине июля (рис. 2), но имеют тенденцию снижения в начале летних паводков. При анализе межгодовой вариации выявлено повышение уровней растворенного СО2 в годы с повышенной водностью (2019 и 2020 гг.) и снижение концентраций в период засух (напр. 2018 г.). Воды руч. Горбатый характеризуются существенно более высокими концентрациями СО2 (3000–
12000 ppm) по сравнению с руч. Развилки (2000–
8000 ppm). При этом для последнего выявлена положительная корреляция с содержанием РОУ (r = 0,56, p < 0,05) и, наоборот, отрицательная у руч. Горбатый (r = -0,37, p < 0,05).
Эмиссионные потоки СО2 с поверхности водного зеркала варьируют в руч. Развилки в пределах 200–860 мгСО2/м2/сут, а в руч.
Горбатый – от 215 до 3100 мгСО2/м2/сут (рис. 3).
Повышенные эмиссии СО2, как правило, отмечены при паводковых режимах в летний период. В весеннее половодье, несмотря на значительные концентрации РОУ и высокие значения расходов воды, эмиссии СО2 относительно низки и не превышают 200 мгСО2/м2/сут.
Следует подчеркнуть, что ручьи, дренирующие
преимущественно олиготрофные болотные массивы (грядово-мочажинные комплексы и рямы), характеризуются близкими или меньшими уровнями эмиссий по сравнению с сосновыми и болотными экосистемами их водосборных бассейнов (2–6 мкмоль/м2/сек). Для ручья, дренирующего эвтрофный болотный массив, величина эмиссионного потока соответствует почвенным эмиссиям в смешанных лесах (2–20 мкмоль/м2/сек) с большей продуктивностью.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
15.05.19 29.05.19 12.06.19 26.06.19 10.07.19 24.07.19 07.08.19 21.08.19 04.09.19 18.09.19 Дата, дд-мм-гг
Концентрация растовренного СО2, ppm
0 100 200 300 400 500 600 700
Расход воды, л/с
Сенсор Проба Расход воды
Рис. 2. Динамика расходов воды и концентраций растворенного СО2 в руч. Развилки в 2019 г., полученных с 10-мин. интервалом с помощью сенсора GMT222 Vaisala и измеренных в момент отбора проб с частотой в 5–7 дней
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
01.05.20 15.05.20 29.05.20 12.06.20 26.06.20 10.07.20 24.07.20 07.08.20 21.08.20 04.09.20 18.09.20 02.10.20 Дата, дд-мм-гг
Эмиссия СО2, мгСО2/м2/час
0 200 400 600 800 1000 1200
Расход воды, л/с
руч. Горбатый руч. Развилки Расход воды
Рис. 3. Динамика расходов воды и эмиссии СО2 с водной поверхности руч. Развилки и Горбатый в 2020 г., полученных с помощью плавающей камеры на момент отбора проб с частотой в 5–7 дней
Заключение
Болотные биогеоценозы являются значимым источником терригенного углерода в водотоках Западной Сибири, и, соответственно, количественные оценки его стока крайне важны для получения более точных величин углеродного баланса территории. При этом водотоки играют роль не просто «канализационных труб» (pipes), по которым продукты жизнедеятельности наземных ландшафтов (в форме органического углерода) поступают в конечный водоем стока, а представляют собой «печные трубы» (chimneys), где происходит его минерализация до СО2 и/или
СН4. Из этого следует, что конечного водоема стока достигает лишь часть органического углерода, образованного в наземных ландшафтах и поступающего в гидрографическую сеть. Вместе с тем на примере водотоков, дренирующих разные типы болот, выявлено, что наибольшей трансформации и минерализации подвергается органическое вещество, поступающее в водотоки из минеротрофных болотных массивов, что свидетельствует о более высокой биологической активности в водных экосистемах при обеспеченности элементами минерального питания.
1. Drake T.W., Raymond P.A., Spencer R.G.M. Terrestrial carbon inputs to inland waters: a current synthesis of estimates and uncertainty // Limnology and oceanography letters. 2018. № 3. Р. 132–142.
2. Frey K.E., Smith L.C. Amplified carbon release from vast West Siberian peatlands by 2100 // Geophysical Research Letters. 2005. № 32. Р. L09401.
3. Karlsson J., Serikova S., Vorobyev S.N. [et al.] Carbon emission from Western Siberian inland waters // Nature Communications. 2021. № 12. Р. 825.
4. Serikova S., Pokrovsky O.S., Ala-Aho P. [et al.] High riverine CO2 emissions at the permafrost boundary of Western Siberia // Nature Geoscience. 2018. № 11. Р. 825.
5. Sheng Y., Smith L.C., MacDonald G.M. [et al.] A high-resolution GIS-based inventory of the west Siberian peat carbon pool // Global Biogeochemical Cycles. 2004. № 18. Р. 1–14.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №18-05-60203-Арктика и гранта совместного конкурса РФФИ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» № 20-45-242908».