Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Роль болот в глобальном потоке метана 9
1.1. Классификация и структура болот 9
1.2. Метан в углеродном цикле болотных биогеоценозов 15
1.3. Эмиссия метана с поверхности болот 23
ГЛАВА 2.Характеристика района и объекта исследований 32
2.1. Физико-географические условия района исследования 32
2.2. Погодные условия в районе исследования в годы наблюдений 34
2.3. Характеристика объекта исследований 36
2.3.1. Растительность болота Медла-Пэв-Нюр 37
2.3.2. Ботанический состав и степень разложения торфа 41
2.3.3. Химический состав и уровень болотных вод 43
ГЛАВА 3. Методы измерений скорости эмиссии метана с поверхности болота и обработки экспериментального материала 48
ГЛАВА.4. Суточная и сезонная динамика микроклиматических параметров и скорости эмиссии метана в растительных сообществах мезоолиготрофного болота средней тайги 57
4.1. Суточная и сезонная динамика микроклиматических параметров в периоды наблюдений 57
4.2. Суточная динамика скорости эмиссии метана 60
4.3. Сезонная динамика скорости эмиссии метана 69
ГЛАВА.5. Роль растений в транспорте метана в системе «болото - атмосфера» 83
ГЛАВА.6. Эколого-географическая вариабельность эмиссии метана в болотных экосистемах Северных широт 90
Выводы 101
Литература
- Метан в углеродном цикле болотных биогеоценозов
- Характеристика объекта исследований
- Суточная динамика скорости эмиссии метана
- Эколого-географическая вариабельность эмиссии метана в болотных экосистемах Северных широт
Метан в углеродном цикле болотных биогеоценозов
Торфяная залежь верховых болот не богата минеральными веществами, поэтому на ней произрастают растения, приспособленные к недостатку элементов минерального питания (сфагновые мхи, багульник, мирт болотный, вереск). Встречающиеся на болоте древесные растения - сосна, берёза, сильно угнетены и отстают в росте от деревьев, произрастающих в лесных сообществах. Низинные болота расположены в местах выхода на поверхность болотных вод, ключей, встречаются в долинах и пойме рек, по берегам водоёмов. Особенно плодородны почвы низинных болот в притеррасных частях речных пойм, для них характерно высокое видовое разнообразие растительности (Пьявченко, 1985). Стратиграфия торфяной залежи и связанная с ней неоднородность плотности и фильтрационных свойств торфа зависят от длительности процесса торфообразования и смен фитоценозов.
Болота отличаются друг от друга по характеру растительного покрова, строению и глубине торфяной залежи (Лисе, Астахова, 1982). И каждый из факторов торфообразования (климат, рельеф, состав почвы, гидрогеология, гидрогеологический режим и тип фитоценоза) может быть использован при классификации типов болот.
Согласно Н.И. Пьявченко (1985), наиболее распространены следующие принципы классификации болот.
Классификации, основанные на трофическом критерии болот. По этому принципу различают болота ев -, мезо -, и олиготрофные. В настоящее время в чистом виде трофический подход сталкивается с рядом трудностей, т.к. меняются экологические амплитуды болотных растений.
По гидрологическим свойствам и источникам водного питания различают болота, которые питаются атмосферными водами (омбротрофные, омброгенные, омброфильные), грунтовыми и поверхностными водами (реотрофные, минеротрофные) и промежуточного типа питания (мезотрофные), одной из разновидностей которых являются аапа-болота. Реотрофные болота в свою очередь подразделяют на солигенные, имеющие напорное грунтовое питание, т.е. ключевые, и топогенные - без напорного грунтового питания.
По признакам растительности различают болота моховые, травяные, лесные и др. Такой подход используется при классификации как болотных участков (Прозоров, 1974), так и болотных урочищ (Брадис, 1963; Юрковская, 1975)
Морфолого - динамические классификации основываются на характере рельефа болот и применяются в основном для болот бореальной зоны и многолетнемерзлых торфяников: бугристых и полигональных. Среди полигональных болот различают реликтовые бугристо-полигональные с плоской или вогнутой поверхностью или валиками, а также современные: плоскополигональные и с валиками (Боч, 1972, 1974). Эти морфологические варианты типов представляют определенные стадии развития полигонов. Бугристые болота подразделяются на плоско- и крупнобугристые. Помимо вышеупомянутых классификаций существуют и другие, где в основу положено понимание болота как ландшафтной системы (или экосистемы) из разнородных подсистем.
Болотные участки нередко классифицируют по принципам трофности, т.е. разделяют на минеро- и омбротрофные (низинные, переходные и верховые), а затем по ботаническим критериям - на лесные, осоковые, моховые и т.п. Иногда сюда же включают и гидрологические критерии (степень проточности, увлажненность), а также положение участка в болотном массиве (окраинное, центральное и т.д.) (Боч, Мазинг, 1979). Очень часто при выделении болотных участков используют ботанико-морфологические критерии, т.е. различают сфагновые грядово-мочажинные, сфагново-кустарничково-сосновые и др., что позволяет учитывать гетерогенность растительного покрова болот, обусловленную микрорельефом.
Среди основных единиц пространственной структуры болотных ландшафтов можно выделить следующие: макротоп, описывающийся как болотная система или комплекс болот и классифицирующийся типом болотной системы (10-Ю" MZ); мезотоп - болотный массив или отдельное болото, классифицирующийся типом болота (10-10 м); микротоп -болотный микроландшафт или болотная фация (грядово-мочажинный комплекс, склон, осоковая окрайка, топь) размерность такой единицы может составлять около 102-106 м2. Так же выделяются болотная микроформа (нанотоп) и микроценоз, основными единицами классификации которых являются тип микроформы (кочка, гряда, мочажина) и социация-ассоциация (элементы болотного фитоценоза) (Минаева, Сирин, 2011).
Гидрогеологические факторы обусловливают уникальность болотных биогеоценозов, характеризующихся своеобразными гидротермическими условиями и растительным покровом. Согласно В.Н. Сукачеву (1964), «биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействий слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии».
Характеристика объекта исследований
Исследуемые участки болота отличаются стратиграфией торфяной залежи. Ботанический состав залежи торфа и степень её разложения на разных глубинах были выполнены в лаборатории болотных экосистем Института биологии Карельского НЦ РАН, согласно общепринятой методике (Методы исследования торфяных болот, 1939). Отбор проб торфа проводили в 2012 г., характеристика его ботанического состава представлена в приложении 1.
Максимальная мощность торфа (240 - 245 см) на исследуемом болоте установлена на олиготрофных, а минимальная (170 - 180 см) - на мезотрофных и мезоевтрофных участках. В целом мощность торфа вдоль профиля, заложенного на болоте (1.8 км), варьировала от 70 см (лесная окрайка болота) до 245 см (олиготрофные кочки).
На участке №3, относящемся к олиготрофной кочке, отмечается наибольшая мощность торфяной залежи. Её нижние слои, начиная с глубины 125 см и до минерального горизонта, представлены переходными типами торфа, со степенью разложения 30 - 40 %. Верхний горизонт представлен магелланикум торфом (рис.6), относящимся к верховому типу, с низкой степенью разложения (5-15%). Участок №4, приуроченный к мочажине, характеризуется более мощным горизонтом верховых торфов (0-120 см) по сравнению с торфами переходного типа (120-180 см). Степень разложения торфов с глубиной варьирует от 5 до 25 % с приращением 5% каждые 20 см. Однако, начиная с глубины 100 см, она достигает величины 30-35% вплоть до минерального горизонта. Нижние горизонты торфяной залежи на участке №18, расположенном на мезотрофном осоково-сфагновом ковре, слагаются травяной и древесно-травяной группой торфов, которые относятся к переходному типу, с доминированием пушицы на глубинах 70-150 см (рис.6). Верховой тип представлен ангустифолиум торфом. Его мощность находится в пределах 0-70 см, что несколько меньше его мощности на олиготрофных участках.
Стратиграфия торфяной залежи на участках № 3,4,16,18. Типы торфа выделены согласно С.Н. Тюремнову и др.(1977), Р.Н. Алексеевой (1988). Верховой тип: 1 - магелланикум торф, 2 - ангустифолиум, 3 -сфагновый мочажинный, 4 - пушицево-шейхцериевый, 5 - шейхцериево-сфагновый. Переходный тип: 6 - осоково-шейхцериевый, 7 - древесно-травяно-сфагновый, 8 - пушицево-шейхцериевый, 9 - древесно-шейхцериевый, 10 - древесно-пушицевый, 11 - шейхцериевый, 12 -древесно-травяной. 3,4,16,18 - номера участков указаны в соответствии с табл.3 На участке №16, относящемся к мезоевтрофной травяно-сфагновой топи, отмечена наименьшая мощность торфа верхового типа (25 см), что можно объяснить проточным гидрологическим режимом, в результате чего верхние горизонты торфа зачастую вымываются. Степень разложения этого торфа составила 15%. Мощность торфов переходного типа на этом участке -155 см и все они относятся к травяной группе: на глубине 25-100 см -древесно-пушицевый, 100-140 см - древесно-травяной и 140-180 см -осоково-шейхцериевый. Степень разложения торфа на этих глубинах варьирует от 30 до 35%.
Самый нижний горизонт торфа почти на всех участках представлен древесно-шейхцериевыми торфами, которые постепенно сменяются травяно-моховыми группами переходного и, наконец, моховыми группами верхового типа (рис.6). Полученные данные позволяют говорить о том, что в ходе геологического времени процесс болотообразования проходил по следующей схеме: лес - заболоченный лес - мезоолиготрофное болото.
По имеющимся в литературе данным, значительное влияние на величину эмиссии метана оказывает уровень болотных вод (УБВ) и их химический состав. К основным химическим параметрам торфяной залежи относят содержание общего (ТОС) и растворенного в воде (DOC) углерода органических соединений, а также рН болотных вод.
Анализ химических характеристик болотных вод проводили в течение периода вегетации 2011 г. Пробы воды отбирались на исследуемых участках болота на глубине 40 см с использованием стальной трубки и шприца. Для анализа содержания углерода растворенных органических соединений в полевых условиях использовали спектрометр «spectro-lyser» (s-can, Австрия) с диапазоном длин волн 200-742.5 нм. рН образцов воды определяли с помощью рН-метра «Эксперт-рН» (ООО «Эконикс-Эксперт») с допустимой абсолютной погрешностью ±0.05 рН. Уровень болотных вод измеряли с помощью пластиковых трубок, установленных в торфяную залежь. Измерения проводились от головок мха до зеркала воды. Если уровень болотной воды был ниже головок мха, то указывали значение с отрицательным знаком, если выше - с положительным.
В результате анализа установлено, что наибольшие среднесезонные значения ТОС и DOC наблюдаются на участках, приуроченных к мезоевтрофной проточной топи (рис.7). На этих же участках в летний период отмечены значения рН, близкие к шести (табл.4). Высокие значения содержания углерода органических соединений в воде на этих участках (№9, 16) обусловлены их положением в котловине мезоландшафта (рис.9), которая является водоприёмником для приграничных участков, а менее кислые условия - характером проточности топи. Наименьшие значения ТОС и DOC выявлены на мезотрофном участке.
Среднезезонные значения содержания ТОС и DOC в болотных водах на исследованных участках болота. Бары соответствуют ошибке среднеарифметического значения В сезонной динамике наблюдается тенденция к увеличению концентрации ТОС и DOC в болотных водах в поздневесенний и раннелетний периоды, когда уровень болотных вод (УБВ) не опускается ниже верхних горизонтов торфа (рис.8). В летнее время значения этих параметров несколько снижаются и доходят до минимального в начале августа, когда мы наблюдали снижение УБВ до -25 см (рис.10). В дальнейшем повышение уровня болотных вод сопровождалось незначительным изменением содержания ТОС и DOC.
Суточная динамика скорости эмиссии метана
Во время изменения погодных условий и выпадения ливневых осадков 23 июля, скорость эмиссии метана с поверхности олиготрофного участка хорошо коррелирует с динамикой атмосферного давления. Это происходит на фоне его падения (табл.5). При идентичных погодных условиях 21 августа тенденция для этого участка повторяется.
Специфика обратно направленной корреляции эмиссии СН4 и атмосферного давления связана с физическим процессом воздействия давления на механизм пузырькового выноса метана. Установлено, что при ослаблении атмосферного или гидростатического давления в водных экосистемах усиливается доля пузырькового выхода метана в общем потоке. При этом суммарное воздействие статического давления (атмосферное и гидростатическое) объясняет около 40% пузырькового потока (Deshmukh et al., 2014).
Таким образом, установлено, что за весь период наблюдений суточный ход выделения метана может меняться в течение сезона. Для двух исследуемых участков отмечено увеличение скорости эмиссии в вечернее и ночное время.
В весенний период суточная динамика скорости эмиссии метана зависит от изменения температуры воздуха, причём для двух разных участков она имеет схожую тенденцию. Для участка олиготрофной мочажины и мезоевтрофной топи коэффициент корреляции суточной эмиссии метана от температуры воздуха имеет отрицательное значение. В ясные летние дни без осадков на олиготрофном участке наблюдается тесная сопряженность скорости эмиссии от температуры почвы на глубине 10-20 см, что согласуется с данными Mikkela с соавторами (1995), которые связывают это с лимитированием экссудации (выделения) органического вещества корнями растений. В дни с ливневыми осадками для участка олиготрофной мочажины эмиссия метана тесно связана с изменениями атмосферного давления. Для мезоевтрофного участка такая зависимость не выявлена. По мнению других авторов, связь эмиссии с температурным фактором становится более явной при продолжительных по времени наблюдениях, например, от месяца до года (Глаголев, Смагин, 2006).
Сезонная динамика скорости эмиссии метана на болотах была предметом исследований многих авторов. На олиготрофном болоте в Англии максимум выделения СН4 выявлен в мае и августе (Kang, Freeman, 2002). Наиболее активная эмиссия метана с поверхности мезотрофного болота в Германии зафиксирована в конце июня - начале июля (Augustin et al, 1998). На территории России одни авторы наблюдали максимум эмиссии метана весной и осенью, связывая это с высокими значениями УБВ (Инишева, Сергеева, 2006), другие - в летние месяцы, при высоких значениях температуры почвы и воздуха (Евграфова и др., 2010). Эти различия в сезонной динамике потока метана могут быть вызваны погодными условиями в год наблюдений, географическим положением объекта наблюдений и различиями в методике измерений.
Величина эмиссии метана с поверхности болот определяется двумя процессами: скоростью его продукции и окисления. Высокая пространственная и временная изменчивость этого показателя связана с влиянием на окисление и продукцию метана комплекса факторов, прежде всего климатических и эдафических (Dise, 1993; Kettunen et al, 1996). Из климатических факторов большинство исследователей наиболее важными считают температуру воздуха и почвы (Глаголев, Смагин, 2006; Bubier et al., 1993), из эдафических - уровень болотных вод (УБВ) (Инишева, Сергеева, 2006; Moore, Roulet, 1993; Schimel, 1995), а так же содержание растворенного органического углерода в болотных водах (Kang, Freeman, 2002).
Нами установлено, что сезонная динамика средней для всех исследованных участков скорости потока метана в атмосферу зависит от погодных условий вегетационного периода. Так, в 2008 г. эмиссия метана характеризовалась меньшей вариабельностью, по сравнению с 2011 г., постепенно возрастала в июне, достигая максимальных значений в конце июня - начале июля (рис.26). В последующие месяцы этот процесс постепенно снижался и к середине сентября приблизился к нулевому значению.
В 2011 г. со второй половины мая до конца июня значения скорости эмиссии возросли почти в 8 раз. Кратковременное снижение этого процесса в начале июля могло быть связано с резким снижением среднесуточной температуры воздуха (рис.17). Высокая скорость потока метана на болоте сохранялась до конца июля, а в августе наблюдали постепенное ее снижение. Так же, как и в 2008 г., в середине сентября 2011 г. эмиссия приблизились к нулю, однако процесс продукции метана полностью не прекратился. Вероятно, это связано с понижением температуры нижних горизонтов торфа, что привело к снижению активности метаногенных бактерий.
При сравнении данных за два года наблюдений установлено, что в целом за сезон значения средней скорости эмиссии метана на болоте Медла-Пэв-Нюр в 2011 г. были значительно выше, чем в 2008 г., что может быть связано с разными погодными условиями. Жаркая погода с недобором осадков в 2011 г. (табл. 2) могла стать причиной низкой влажности торфа на фоне низких значений УБВ, что привело к высвобождению из торфяной залежи пузырьков малорастворимого и слабо подвижного в воде метана в виде эпизодически повторяющихся активных выбросов в атмосферу этого газа. Ранее данное явление отмечено в исследованиях Moore и Roulet (1993), которые в лабораторных условиях также наблюдали всплески потока метана из образцов торфа при снижении его увлажнения. Однако в течение эксперимента скорость эмиссии постепенно снижалась.
Эколого-географическая вариабельность эмиссии метана в болотных экосистемах Северных широт
Завышенные ошибки среднеарифметического значения скорости эмиссии в 2011 г. (рис. 26) так же могут быть связаны с включением пузырькового транспорта метана в атмосферу, т.к. в этом случае происходит эпизоотическое высвобождение из торфяной залежи газа с высокой концентрацией СЩ Согласно исследованиям Christensen с соавторами (2003), значительное отклонение среднего значения эмиссии метана из образца торфа от медианы и нарушение нормального распределения Гаусса связано с пузырьковым потоком метана, имеющим лог-нормальное распределение. Согласно нашим наблюдениям, в отдельно взятые дни в течение вегетационного периода 2011 г. ошибка среднего значения скорости эмиссии (рис. 26) возрастала с увеличением отклонения средней от медианы на две единицы и более (табл. 6). Таким образом, наши данные подтверждают вывод других авторов о преобладании хаотичного пузырькового выхода метана как одного из доминирующих механизмов транспорта метана в условиях жаркого и сухого лета.
Следует отметить, что на исследованном болоте в некоторые дни в конце сентября 2008 г. наблюдали поглощение метана в мезотрофных и мезоевтрофных сообществах, его скорость в среднем составила -0.027 мкг м" с"1. В своей работе А.В.Наумов (2009) также описывает поглощение метана в осенний период на олиготрофных участках болота, что связано, вероятно, с температурными условиями и активностью метанотрофных микроорганизмов.
В течение двух лет наблюдений нами установлено, что скорость эмиссии метана с поверхности болота зависит также от типа растительного сообщества и характера микрорельефа. В 2008 г. в период вегетации максимальные среднесезонные значения наблюдали на участках, приуроченных к мезоевтрофной травяно-сфагновой проточной топи (межкочечное пространство, № 16) и мезотрофному кустарничко-травяно-сфагновому ковру (№ 18) (рис. 27). Высокие значения эмиссии метана зафиксированы так же на олиготрофной кустарничко-травяно-сфагновой мочажине (№ 4). Таким образом, в 2008 г., который характеризовался обилием осадков в летний период, активную эмиссию метана наблюдали в понижениях микроландшафта, где преобладают травянистые растения. Возможно, что близкое к поверхности залегание болотных вод на этих участках обеспечивает благоприятные условия для метаногенеза и снижает аэробность торфяной залежи, в условиях которой возможно развитие метанотрофных бактерий (Schimel, 1995; Heikkinen et al, 2002; Инишева, Сергеева, 2006). Поэтому среднесезонная скорость эмиссии на кочках, которые характеризуются более выраженным аэробным пространством, была значительно ниже, чем в микропонижениях. I
В 2011 г. максимальные средние значения выделения метана на болоте (рис. 28) так же наблюдали на участках с осоково-сфагновым сообществом (№ 18), при этом скорость эмиссии была в 1.5 раза выше, чем в 2008 г.
В период вегетации 2011 г. эмиссия метана с олиготрофной кочки (№ 3) возрастала почти в два раза, по сравнению с 2008 г. Возможно, это было связано не с изменением процессов метанообразования или метанокисления, а с кратковременными пузырьковыми выбросами большого количества метана, накопленного в нижних горизонтах торфа, вследствие заметного снижения УБВ в июле. На остальных участках эмиссия СЩ за весь сезон наблюдений в 2011 г. была почти в два раза ниже, чем в 2008 г. S
Анализ данных, полученных на болоте Медла-Пэв-Нюр, показал большое сходство сезонной динамики эмиссии метана и УБВ в 2008 г. (рис. 29). В этот год в период вегетации минимальные значения УБВ (-15.2 см) наблюдали 11 августа, когда скорость эмиссии метана имела самые низкие значений (2.6 мкг м" с" ). Незначительное усиление скорости выделения метана отмечено в середине августа после ливневых дождей. СЮ. Евграфова с соавторами (2010) так же отмечают, что периоды затяжных дождей могут положительно влиять на выделения метана из почвы.
