Болота – особый тип экосистем, выполняющий комплекс биосферных функций.
Одной из важнейших функций является депонирование углекислого газа и аккумуляции углерода в торфяных отложениях [Бабиков, Кобак, 2016; Ефремова, 2016].
Накопление углерода в торфяных залежах в свою очередь связано с интенсивностью разложения растительных остатков микроорганизмами, что определяет активность торфообразовательного процесса [Дементьева, 2011; Звягинцев, 1987]. Связанный в органическом веществе торфа углерод высвобождается преимущественно комплексом микроорганизмов, что формирует основной поток CO2 с поверхности болот [Вомперский, 1994].
Существует большое количество сведений о депонировании углерода в болотах тундровой и таежной зон [Лапшина, 2004; Головацкая, 2007;
Piilo et al., 2019]. Подобные сведения о болотах, расположенных в зонах широколиственных лесов и лесостепи, малочисленны [Ольчев и др., 2013], что делает проводимые исследования актуальными в настоящее время.
Объектом данного исследования явились пойменные болота Большеберезовское и Подкосьмово, сформированные в пойме р.
Непрядвы (приток Дона, Тульская область).
Растительность болот древесного и гидрофильно- травяного типов представлена эвтрофными формациями. По результатам радиоуглеродного датирования пойменные болота Среднерусской возвышенности формировались в разные периоды голоцена. В северо-восточной части возвышенности наиболее древним является Большеберезовское болото (образовалось более 7000 лет назад). Возникновение болота Подкосьмово относится к суббореалу (более 5000 лет назад). Мощность торфяных залежей составляет 200 и 120 см соответственно. Залежи образованы низинными торфами, степень разложения (R) которых варьирует от 30 до 70 %.
Формирование торфов происходило со скоростью от 0,2 до 1,8 мм/год. Торфообразовательный процесс Большеберезовского болота
характеризуется максимальными приростами в начале атлантического, суббореальном и начале субатлантического периодов.
Средние значения вертикального прироста торфа на болоте составляют 0,5–0,6 мм/
год. На начальных этапах развития болота Подкосьмово в суббореальном периоде прирост торфа составлял 0,2 мм/год, позже происходит увеличение интенсивности прироста до 0,5 мм/год, что соответствует субатлантическому периоду голоцена. Интенсивность вертикального прироста торфяных отложений пойменных болот влияет на скорость аккумуляции углерода и, как следствие, его запасы в залежах.
Для оценки роли пойменных болот в депонировании углерода проводили бурение торфяных залежей и в каждом образце по профилю проводили определение содержания углерода (%) по методу Тюрина [Аринушкина, 1970]. Полученные результаты показали, что содержание углерода в торфяной залежи болота Большеберезовского варьирует от 12 до 48 % (рис. 1). При этом в придонных образцах торфа показатель составил 25 %. Наиболее высокое значение отмечено на глубине 140–150 см – 48 % (R=50 %). Верхние горизонты залежи характеризуются невысокими показателями (12-21 %), что обусловлено активностью микроорганизмов в условиях аэрации корнеобитаемого горизонта.
Содержание углерода в залежи болота Подкосьмово изменяется в более широких пределах (7–71 %) (рис. 1). На начальных этапах развития содержание углерода было минимальным, что обусловлено высокой долей глинистых частиц в придонных образцах. На глубине 40–70 см показатель достигает 70 %, что связано с наличием остатков древесных пород в составе торфа. В верхних горизонтах залежи также отмечено снижение значений (40–42 %), что обусловлено трансформацией отмерших остатков растений микроорганизмами в условиях оптимальной аэрации (уровень болотных вод опускается до -30 см).
Запас углерода на начальных этапах
ИНТЕНСИВНОСТЬ АККУМУЛЯЦИИ И ЗАПАСЫ УГЛЕРОДА В ПОЙМЕННЫХ
формирования торфяной залежи болота Большеберезовское составлял 33 тыс. г/м2 (рис. 2). В этот период аккумуляция углерода протекала со скоростью 99 г/м2 в год. На глубине 100–130 см происходит более интенсивное связывание углерода в торфе (116–164 г/м2 в год). В таком тростниковом палеосообществе, образовавшемся в суббореальном периоде голоцена, запас углерода составил 9 тыс.
г/м2. Сформировавшиеся в дальнейшем
палеосообщества характеризуются запасом углерода не более 3 тыс. г/м2, причем интенсивность депонирования уменьшалась до 22–25 г/м2 в год. В верхних горизонтах залежи наблюдается снижение запасов углерода до 6–7 тыс. г/м2, хотя небольшое увеличение (до 17 тыс.
г/м2) отмечено в горизонте 10–20 см. Изучение динамики аккумуляции углерода показало, что на Большеберезовском болоте этот процесс был наиболее активен в суббореальном периоде.
Рис. 1. Содержание углерода (%) по профилю торфяных залежей пойменных болот
Рис. 2. Запас углерода в торфяных залежах
пойменных болот (г/м2) Рис. 3. Скорость аккумуляции углерода в генезисе пойменных болот (г/м2 в год) Болото Подкосьмово, образовавшееся в
суббореальном периоде голоцена, на начальных этапах своего развития характеризовалось скоростью аккумуляции углерода 15 г/м2 в год (рис. 2), что обеспечило запас углерода травяными палеосообществами 7434 г/м2. Наиболее высокие показатели запаса углерода отмечены на глубине 50–80 см и составляют 22–
24 тыс. г/м2, что связано с внедрением древесных пород. Скорость аккумуляции углерода максимальна (111–123 г/м2 в год), что приходится на начало субатлантического периода голоцена.
В верхнем аэрируемом горизонте залежи скорость аккумуляции снижается до 85–102 г/м2 в год (рис. 3).
Оценка роли микроорганизмов в депонировании углерода позволила выявить обратную корреляцию: чем выше численность микроорганизмов, тем ниже запасы связанного углерода. Так, наиболее высокая численность микроорганизмов отмечена в верхнем, наиболее аэрируемом горизонте залежи.
Благоприятные условия обеспечивают активную трансформацию растительных остатков
разными группами микроорганизмов (грибы, бактерии, актиномицеты), происходит усиление процессов минерализации, и доля связанного в органическом веществе торфа углерода снижается. Напротив, увеличение запасов углерода в глубоких слоях сопровождается снижением численности микроорганизмов (таблица).
Сравнение запасов углерода на единице площади рассматриваемых болот позволило выявить близкие значения: Большеберезовское болото – 174 кг/м2, болото Подкосьмово – 218 кг/м2. При этом более высокие показатели на болоте Подкосьмово, несмотря на более молодой возраст болота, следует объяснять более низкой биомассой разных групп микроорганизмов, что способствовало депонированию углерода в залежи. Биомасса микроорганизмов в корнеобитаемом горизонте Большеберезовского болота достигает 35,2 мг/г торфа и снижается по профилю залежи до 0,8 мг/г. В болоте Подкосьмово диапазон варьирования существенно ниже – от 4,4 до 0,8 мг/г.
Таким образом, изучение интенсивности аккумуляции атмосферного углерода палеосообществами пойменных болот показало, что этот процесс зависит от комплекса факторов.
В первую очередь существенное влияние оказывают палеоэкологические условия, в которых происходило формирование торфов (минерализация питающих вод, диапазон уровня болотных вод). Это определило характер профильного распределения и активность микроорганизмов. Чем активнее протекал этот
процесс, тем больше выделялось углекислого газа с поверхности болота и тем меньше оставалась доля связанного углерода в торфе.
Тем не менее, несмотря на высокую численность микроорганизмов в залежах пойменных болот и выявленные между болотами отличия, пойменные болота характеризуются высоким запасом углерода, что свидетельствует о роли таких экосистем в депонировании углерода даже в слабозаболоченных регионах северо-востока Среднерусской возвышенности.
Таблица. Обилие микроорганизмов в исследуемых болотах (по данным люминесцентно- микроскопического метода)
Горизонт,
см Длина мицелия (м/г торфа) Численность
грибного актиномицетного бактерий (109клеток/г
торфа) спор грибов
(106 спор/г торфа) Большеберезовское болото
0-20 9515 1674 80±7 38±3
20-30 3350 1857 65±3 47±2
30-50 2054 1484 48±4 39±4
50-80 619 1425 43±5 39±3
80-120 0 0 31±3 42±5
120-150 0 0 28±3 33±3
150-180 0 0 27±5 31±4
180-200 0 0 62±5 29±2
Болото Подкосьмово
0-20 645 4699 87±3 84±6
20-30 323 1880 79±4 71±5
30-50 0 1576 69±5 32±2
50-75 0 3596 90±5 32±2
75-100 0 0 49±2 25±4
100-120 0 0 38±4 10±2
1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв ; Изд. 2-е, перераб. и доп. Москва : МГУ, 1970. 488 с.
2. Бабиков Б.В., Кобак К.И. Поглощение атмосферного углекислого газа болотными экосистемами территории России в голоцене. Проблемы заболачивания // Лесной журнал. 2016. № 1. С. 9–36.
3. Вомперский С.Э. Роль болот в круговороте углерода // Биогеоценотические особенности болот и их рациональное использование. Москва : Наука, 1994. С. 5–37.
4. Головацкая Е.А. Моделирование углеродного баланса болотных экосистем южной тайги при различных сценариях изменения климата. Томск, 2007. 26 с.
5. Дементьева Т.В., Богданова О.Ю., Шинкеева Н.А. Физикохимия и биология торфа : руководство по методам изучения трансформации органического вещества торфов : методическое пособие. Томск : Томский ЦНТИ, 2011. 68 с.
6. Ефремова Т.Т., Аврова А.Ф., Ефремов С.П. Расчетный метод определения углерода в торфах и моховых подстилках лесных болот по зольности растительного субстрата // Сибирский лесной журнал.
2016. № 6. С. 73–83.
7. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. Москва : Изд-во Моск. ун-та, 1987. 256 с.
8. Лапшина Е. Д. Болота юго-востока Западной Сибири : диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук. Томск, 2004. 512 с.
9. Olchev A., Volkova E. , Karataeva T., Novenko E. Growing season variability of net ecosystem CO2 exchange and evapotranspiration of a sphagnum mire in the broad-leaved forest zone of European Russia Environ //
Environmental Research Letters. 2013. Т. 8, № 3. doi: 10.1088/1748-9326/8/3/035051
10. Piilo S., Zhang H., Garneau M. Recent peat and carbon accumulation following the Little Ice Age in northwestern Québec, Canada // Environmental Research Letters. 2019. № 14(7).
Изменения природной среды в криолитозоне Сибири и ее возможная динамика в условиях меняющегося климата текущего столетия остаются одной из актуальных научных проблем, требующих детальных исследований.
Объект исследований в представленной работе – крупнобугристое болото, расположенное в 10 км к северу от города Игарка в Туруханском районе Красноярского края. Территория находится на севере Верхнетазовской провинции Западной Сибири в переходной полосе от лиственничных северотаёжных редкостойных лесов к предтундровым редколесьям.
Исследованное болото представляет собой чередование крупных торфяных бугров и плоских широких ложбин (200-300 м), занятых различными типами мезотрофных болот с березой, лиственницей и елью. Скважина (N 67°31’53,77’’ E 86°38’05,65’’) была заложена на вершине торфяного бугра высотой около 5 м, поверхность которого покрыта лишайником, карликовой березкой и багульником.
Отбор образцов торфа выполнен с помощью переносной буровой станции, оснащенной мотобуром колонкового способа бурения. Скважиной вскрыта торфяная залежь и подстилающие ее суглинки общей мощностью 860 см. Глубина сезонно-талого слоя в точке бурения составила 50 см (конец августа 2020 г.).
Рядом с торфяным бугром в талой ложбине была заложена дополнительная скважина и отобраны образцы. Мощность торфа в дополнительной скважине – 120 см.
Для разреза торфяного бугра получено 18 AMS-датировок, для разреза дополнительной скважины из ложбины между буграми были получены три AMS-датировки. Радиоуглеродное датирование проведено в ЦКП «Лаборатория радиоуглеродного датирования и электронной микроскопии» Института географии РАН и Центре прикладных изотопных исследований Университета Джорджии (США). Калибровка
радиоуглеродных дат выполнена при помощи программы Calib 8.2 с использованием калибровочной кривой IntCal20. Модель роста отложений построена в программе Bacon [Blaauw, Christen, 2011].
Анализ ботанического состава торфа выполнен согласно методике, разработанной С. Н. Тюремновым [1959]. Интервал отбора образцов составлял 5 см. Анализ содержания макроскопических (размер >125 мкм) частиц угля в торфе проведен по общепринятой методике [Mooney, Tinner, 2011]. Интервал отбора образцов составлял от 0.5 до 3.5 см из-за ломкости и хрупкости керна.
Согласно полученным данным, изучаемое болото начало формироваться около 6200 кал.
л. н. (календарных лет назад). Радиоуглеродные датировки, отобранные в торфяной залежи с шагом 50 см, за исключением нескольких инверсий, показывают равномерное увеличение возраста с глубиной (рис. 1). Очевидно, что формирование 8-метровой толщи торфа в течение 6 тысяч лет не отражает истинную скорость торфонакопления в болоте, а является следствием расширения торфа при пучении и формировании шлирового льда при сегрегационном льдообразовании [Bleuten, Lapshina, 2001; Васильчук и др., 2008].
Радиоуглеродная датировка, отобранная нами на глубине 120 см из скважины, расположенной в ложбине между буграми пучения, показала возраст 4150±20 14С л. н./4690±50 кал. л. н.
(IGANAMS 8353), что соответствует средней скорости накопления торфа за этот период около 0,25 мм/год. Полученная скорость вертикального прироста согласуется с данными Е. Д. Лапшиной и В. Блейтена, которые выявили, что средняя скорость накопления торфа в голоцене на севере лесной зоны Западной Сибири составляла 0,39 мм/год, а в позднем голоцене для талых мочажин эти значения варьируют в пределах 0,13-0,21 мм/
год [Bleuten, Lapshina, 2001].
Проведенное исследование позволяет