Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 9
1.1. Особенности эмиссии парниковых газов почвами высоких широт 9
1.1.1. Влияние экологических факторов на эмиссию парниковых газов 9
1.1.2. Влияние геокриологических условий на эмиссию парниковых газов 15
1.2. Зависимость эмиссии парниковых газов от содержания активного органического вещества в почве 19
1.2.1. Углерод микробной биомассы почв и методы его оценки 19
1.2.2. Лабильное органическое вещество почв и методы его оценки 23
1.3.Особенности исследования криогенных почв 29
1.3.1. Почвообразование и криогенез 29
1.3.2. Болота и торфяники Западной Сибири 32
1.3.3. Методические особенности исследования торфяных почв 35
ГЛАВА 2. Природные условия района исследования 37
2.1. Подзона северной тайги 37
Климатические условия 38
Растительный покров 39
Гидротермические и геокриологические условия . 40
2.2. Зона лесотундры 42
Климатические условия 42
Растительный покров 43
Гидротермические и геокриологические условия. 44
2.3. Основные типы экосистем и почв района исследования 45
Глава 3. Объекты исследования 49
Глава 4. Методы исследования 55
4.1. Полевые методы исследования 55
4.2. Лабораторные методы исследования 61
4.3. Статистическая обработка данных 67
Глава 5. Результаты и обсуждения 68
5.1. Особенности эмиссии парниковых газов почвами экосистем северной тайги 68
5.1.1. Физико-химические свойства почв основных экосистем подзоны северной тайги 70
5.1.2. Содержание лабильного и микробного органического углерода почв 74
5.1.3. Температурный режим почв 78
5.1.4. Эмиссия парниковых газов почвами 83
5.2. Особенности эмиссии диоксида углерода почвами экосистем лесотундры 95
5.2.1. Гидротермические и геокриологические параметры почв 96
5.2.2. Содержание лабильного и микробного углерода почв 101
5.2.3. Эмиссия диоксида углерода почв 103
5.3. Особенности эмиссии диоксида углерода почвами на уровне микрорельефа в подзоне северной тайги 108
5.3.1. Растительный покров и особенности микрорельефа 109
5.3.2. Геокриологические параметры экосистем 113
5.3.3. Гидротермический режим почв 118
5.3.4. Содержание органического углерода почв 121
5.3.5. Эмиссия диоксида углерода почвами 127
Заключение 132
Выводы 133
Список литературы 135
- Зависимость эмиссии парниковых газов от содержания активного органического вещества в почве
- Гидротермические и геокриологические условия
- Лабораторные методы исследования
- Гидротермические и геокриологические параметры почв
Введение к работе
Актуальность исследований
Взаимодействие криогенных экосистем с атмосферой в условиях
глобального изменения климата является особенно важным для общей
судьбы биосферы [Федоров-Давыдов, Гиличинский, 1993; Карелин,
Замолодчиков, 2008; IPCC, 2007; Rodionov et al., 2007; Kuhry et al., 2013;
Johnston et al., 2014; Ping et al., 2015]. Криогенные почвы занимают 15%
площади всех почв, но при этом они хранят 50% от общего почвенного
органического углерода в метровой толще и являются значимыми
наземными пулами углерода на планете [Tarnocai et al., 2009]. В условиях изменяющегося климата северные экосистемы из стока органического углерода могут стать его источником [Oechel et al., 1993; Davidson, Janssens, 2006; Koven et al., 2011].
Ключом к пониманию глобального цикла углерода является оценка эмиссии CO2 из криогенных почв, как интегрального показателя их биологической активности [Raich, Potter, 1995; Wang et al., 2002; Chris et al., 2005; Yue-Lin et al., 2008; Kelsey et al., 2012; Ping et al., 2015]. К сожалению, редки работы по изучению пространственной вариабельности эмиссии парниковых газов и содержания органического углерода в почвах бореальных и арктических экосистем, которые необходимы для надежных оценок потоков углерода [Замолодчиков и др., 2014; Rodionov et al., 2007; Kelsey et al., 2012]. Представляется, что недостаточно изученным остается вопрос непосредственного влияния криогенеза на биологическую активность почв [Матышак, 2009]. В связи с этим очевидна необходимость в количественной оценке эмиссии парниковых газов с учетом ее пространственной изменчивости, а также в изучении ее зависимости от факторов среды в различных условиях проявления криогенеза. Данная работа направлена на решение фундаментальных проблем почвоведения, связанных с оценкой потоков углерода в почвах криолитозоны и функционированием почв в условиях меняющегося климата.
Цель и задачи исследования Целью настоящей работы является оценка закономерностей эмиссии парниковых газов почвами экосистем северной тайги и лесотундры в различных условиях проявления криогенеза. Задачи:
-
Охарактеризовать факторы среды (растительность, рельеф, мощность сезонноталого слоя) и почвы (гидротермические свойства, содержание общего, лабильного и микробного углерода) основных типов экосистем северной тайги и лесотундры в Западной Сибири;
-
Определить величины эмиссии парниковых газов из почв изучаемых экосистем;
-
Дать сравнительную оценку эмиссии СО2 из почв на уровне зон (северная тайга и лесотундра) и основных типов экосистем;
-
Определить пространственную вариабельность ландшафтных характеристик, почвенных свойств и эмиссии СО2 на мониторинговых площадках программы CALM в лесотундре и северной тайге;
-
Исследовать зависимость ландшафтных факторов, гидротермических параметров почв, содержания в них общего, лабильного и микробного углерода и эмиссии СО2 от микрорельефа (на примере плоскобугристых торфяников);
-
Определить зависимость эмиссии СО2 от гидротермических и геокриологических параметров почв и содержания в них общего, лабильного и микробного углерода в различных условиях проявления криогенеза.
Научная новизна
Эмиссия парниковых газов из криогенных почв переходной зоны от
прерывистого к сплошному распространению многолетнемерзлых пород в
северной тайге и лесотундре Западной Сибири до настоящего времени
оставалась мало изученной. Впервые определены эмиссия парниковых газов
и содержание общего, лабильного и микробного углерода в почвах этого
региона. Полученные данные послужили основой для сравнительной оценки
эмиссии СО2 из почв на уровне зон (северная тайга и лесотундра) и основных
типов экосистем. Важным элементом новизны является исследование
зависимости эмиссии СО2 от ландшафтных факторов и физико-химических
свойств почв в различных условиях проявления криогенеза методами
математической статистики на основе большого фактического материала.
Впервые в рамках международной программы циркумполярного
мониторинга активного слоя (CALM), основной целью которой является наблюдение за реакцией многолетнемерзлых пород на изменение климата, изучалась эмиссия диоксида углерода из почв и содержание в них общего, лабильного и микробного углерода. В результате впервые получена оценка этих показателей и их пространственного варьирования в зависимости от микрорельефа.
Теоретическая и практическая значимость
Выводы диссертационной работы, сделанные на основе
статистического анализа большого массива данных, полученных в течение пяти полевых сезонов, служат лучшему пониманию роли криогенного фактора в эмиссии парниковых газов. Количественная сравнительная характеристика эмиссии СО2 из почв основных типов экосистем северной тайги и лесотундры в Западной Сибири позволяет получить более точные оценки суммарного потока парниковых газов для этого региона. Полученные данные и установленные зависимости эмиссии диоксида углерода из криогенных почв от условий среды могут быть использованы для экспериментального обеспечения и проверки региональных и глобальных моделей, описывающих взаимодействия углеродного цикла и климата. Они также могут быть использованы для оценки современного состояния и мониторинга криогенных почв Западной Сибири.
Апробация работы, гранты и публикации
Основные положения и результаты исследования были представлены автором в виде устных и стендовых докладов на 19 международных и всероссийских конференциях, включая “Ломоносов” (Москва, 2013, 2014, 2015), “The 4th European Conference on Permafrost” (Эвора, Португалия, 2014), 9th International Soil Science Congress (Сиде, Турция, 2014), “Arctic Change” (Оттава, Канада, 2014), “Polar Climate and Environmental change in Last Millennium (Торунь, Польша, 2015), “The 45th International Arctic Workshop” (Берген, Норвегия, 2015), “Arctic Frontiers: Industry and Environment” (Тромсе, Норвегия, 2016) и др. Исследования поддерживались грантами РФФИ, в которых автор выступал в качестве исполнителя (проекты 13-04-01577-а, 16-04-00808-а, 15-34-50316-мол-нр). Работа прошла апробацию на кафедре общего почвоведения. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ, включая 6 статей в реферируемых журналах, входящих в список ВАК Минобрнауки РФ.
Личный вклад автора
Автору принадлежит подбор и обобщение литературного материала,
участие в организации и проведении полевых работ (Июль-Август 2010 -
2015), измерение различных параметров почв и экосистем in sity,
лабораторный анализ отобранных проб почв, статистическая обработка
массива экспериментальных данных, обобщение и интерпретация
полученных результатов, подготовка публикаций и настоящей рукописи.
Структура и объем диссертации
Зависимость эмиссии парниковых газов от содержания активного органического вещества в почве
Действительно, почвенное дыхание характеризует, с одной стороны, совокупный метаболизм почвенных животных, микроорганизмов и подземных органов растений, а с другой – отражает особенности физических и физико-химических процессов в толще органоминерального субстрата [Наумов, 2009]. К примеру, по некоторым оценкам, общая продукция СО2 в гидроморфных почвах может в 1,2-1,5 раза превосходить его поверхностную эмиссию в связи с аккумуляцией, перераспределением, боковым и вертикальным транспортом газа и его взаимодействием с водной и твердой фазами почвы [Смагин, 2005]. Температура и влажность почвенного профиля – важнейшие факторы, определяющие концентрацию и запас углекислого газа в почве, поскольку эти факторы равно действуют на его продукцию живыми организмами и на условия его транспорта. Еще одним потенциальным фактором может служить скорость ветра – эмиссия углерода из почвы несколько возрастает с увеличением скорости горизонтального ветра [Карелин, Замолодчиков, 2008]. Cредняя концентрация СО2 почвенного воздуха составляет около 0,25%, что в 7-8 раз превышает аналогичный показатель для атмосферы [Bridges, Batjes, 1996]. Заметим, что концентрация диоксида углерода увеличивается с глубиной, что диагностируется в виде характерного “колоколообразного” вертикального распределения [Смагин, 2005; Bekele et al., 2007]. Суточная динамика почвенного дыхания (по выделению СО2) зависит от типа экосистемы и биоклиматического пояса, определяющих в свою очередь биологическую активность и термодинамические условия протекания процесса. В течение сезона максимальное дыхание обычно отмечается в середине лета, а минимальное – в зимнее время, чему способствуют низкие температуры и плохая проницаемость промерзшей почвы для газообразных веществ [Pacific et al, 2008]. Как и эмиссия, аккумуляция СО2 в почвенном профиле достигает максимума в летнее время, а в течение холодного сезона происходит постепенная разгрузка запасов газа из почвы в атмосферу. В целом также наблюдается увеличение концентрации СО2 в вертикальном профиле почв криогенных экосистем от поверхности к слою многолетнемерзлых пород (ММП) [Карелин, Замолодчиков, 2008]. Стоит отметить, что почва как распределенная трехфазная биокосная система, способна вместо эмиссии к длительной аккумуляции СО2 внутри почвенной толщи в составе газовой, жидкой и твердой фаз [Смагин, 2005]. Величина эмиссии газов с поверхности не полностью отражает продукцию газа почвой, что приводит к необходимости измерения концентрации газов непосредственно в горизонтах почв. Почвенный вклад в глобальную эмиссию парниковых газов достигает 1/3 для диоксида углерода и метана, более 70% для закиси азота, а также до 65-80% в глобальном поглощении из атмосферы токсичных углерод- и серосодержащих газов (СО, SO2) [Смагин, 2000, 2005]. Ведущими учеными разрабатываются схемы районирования территории Западной Сибири по эмиссии парниковых газов [Инишева и др., 2012]. Несмотря на огромную роль почвенного дыхания в общепланетарном цикле углерода, оценки суммарных потоков СО2 из почв большинства регионов нашей планеты остаются очень приблизительными [Курганова, Кудеяров, 1998; Наумов, 2009; Смагин, 2009; Курганова, 2010; Степанов, 2011]. Существующие на сегодняшний день попытки оценить общее почвенное дыхание с учетом периода биологической активности на территории России, нельзя признавать окончательными из-за того, что они базируются на простых средних величинах эмиссии СО2 и не учитывают соотношение площадей различных биогеоценозов на уровне мезорельефа в пределах биоклиматических зон и пространственное варьирование изучаемых показателей [Смагин, 2005; Степанов, 2009]. Следует заметить, что оценки мировых и региональных запасов и потоков углерода, а также их пространственного распределения, отличаются у разных авторов [Карелин и др., 1994; Карелин, Замолодчиков, 2008]. Зачастую полученные оценки являются экспертными либо рассчитываются путем простой экстраполяции ограниченного числа полевых данных на большие площади без учета почвенной мозаики [Честных и др., 1999, 2004; Кудеяров и др., 2007; Наумов, 2009]. Практически не исследованными остаются почвы Сибири и Дальнего Востока – половина и более территории РФ, для которой в базе данных пулов и потоков углерода всего 12 точек измерений [Смагин, 2005].
Метан является вторым по значимости парниковым газом в климатической системе, определяющим фотохимию атмосферы. Хотя значение потоков диоксида углерода значительно превышает этот же показатель для метана, по величине прямого потенциала глобального потепления метан в 39 раз (в расчете на единицу концентрации и для периода 20 лет) превышает диоксид углерода [Кароль, Киселев, 2004; Юстен, Сирин, 2011; Christensen et al., 2004]. Болотные экосистемы и термокарстовые озера северных регионов являются важнейшими источниками метана [IPCC, 2007; Walter et al., 2008; Mastepanov et al., 2008]. Переувлажненные ландшафты тундр в условиях медленной деградации органического вещества в почвенном профиле и близкого залегания кровли многолетнемерзлых пород обусловливают широкое распространение анаэробиоза, что способствует процессам метанообразования. Для мочажинных элементов болотного рельефа характерно высокое пространственное варьирование эмиссии метана, что связано с пузырьковым транспортом газа. Образование пузырьков происходит в жидкой фазе при превышении критической концентрации, зависящей от растворимости газа и внешнего давления [Шнырев, Смагин, 2014]. Тем не менее, не стоит забывать про такие пути переноса газа в болотных почвах как молекулярная диффузия и поток через аэренхиму сосудистых растений, которые могут вносить значительный вклад в варьирование эмиссии [Наумов, 2009].
В анаэробных условиях болотных экосистем археи (метаногены) отвечают за выделение метана. В аэробных условиях метанотрофные микроорганизмы могут поглощать до 90% метана, выделяемого метаногенами [Наумов, 2009; Казанцев, 2013; Christensen et al., 2004]. Измерение потоков метана камерным методом в связи с возможными физиологическими особенностями микробного комплекса следует проводить более тщательно, так как не всегда имеются сведения об основных биологических участниках и экологических факторах, контролирующих их активность [Наумов, 2009]. Потоки метана характеризуются высокой пространственной и временной вариабельностью в зависимости от температуры воздуха и почвы, влажности почвы и уровня болотных вод, мощности сезонно-талого слоя, ботанического состава растительности, состава органического вещества торфа [Инишева, Сергеева, 2006; Наумов, 2009; Глаголев и др., 2010 (b); Сабреков и др., 2011; Казанцев, 2013; Christensen et al., 2004].
Поток метана из болот таежной и тундровой зон варьирует значительно в среднем от 0,1 до 20 мгСН4 м-2 час-1 в зависимости от сезона и метода определения [Наумов, 2009; Глаголев и др., 2010(c); Инишева и др., 2012; Мигловец, 2014; Heikkinen et al., 2002; Mastepanov et al., 2008]. Выделение метана в суточном цикле на болотах северной тайги происходит нерегулярно в отличие от южной тайги, где выделение CH4 часто соответствует суточному ходу выделения СО2 [Наумов, 2009]. Оценки эмиссии метана по результатам измерений многих авторов варьируют в широком диапазоне значений и на сегодняшний день существует неопределенность оценки потоков метана из гидроморфных экосистем, связанная с его высокой пространственно-временной вариабельностью [Глаголев и др., 2007; Наумов, 2009; Сабреков и др., 2011; Юстен, Сирин, 2011; Степаненко и др., 2011; Мигловец, 2014; Шнырев, Смагин, 2014; Christensen et al., 2004; IPCC, 2007; Petrescu et al., 2008; Mastepanov et al., 2008].
Гидротермические и геокриологические условия
Средняя ширина зоны лесотундры в Западной Сибири составляет 100-250 км. В этой зоне господствуют лиственничные редколесья и редины, где лиственница (Larix sibirica) достигает высоты 7-8 м, в южной части зоны на границе с северной тайгой появляется ель сибирская (Picea obovata). В северной части зоны редколесья и редины приурочены к речным долинам, южнее выходят на междуречья, где чередуются с моховыми, лишайниковыми и кустарничковыми тундрами.
Гидротермические и геокриологические условия. Заболоченность лесотундры очень высокая. В лесотундре и примыкающей к ней части северной тайги на Западно-Сибирской низменности болота занимают 50% площади. На Надым-Пурском междуречье болота занимают до 70% территории [Романова, 1985]. Они расположены на слабо-дренированных водораздельных пространствах. К лесотундре приурочена зона бугристых болот [Боч, Мазинг, 1979]. Бугристые болота представляют собой сочетание мерзлых бугров или гряд высотой 0,5-8,0 м с обводненными талыми мочажинами. На буграх преобладают кустарнички, морошка, мхи, в мочажинах – мхи и осоки. Широко распространены кустарничково-мохово-лишайниковые болота как комплексные (плоско- и крупнобутристые), так и некомплексные. В речных долинах обычны эвтрофные болота в сочетании с ивняками, ольховниками, участками злаковых и осоковых лугов.
В зоне лесотундры в пределах плоских заболоченных водораздельных поверхностей многолетнемерзлые породы распространены практически повсеместно. Район исследований расположен в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород (рис. 7). Понижение кровли ММП отмечается в массивах обводненных болот, под руслами крупных и средних рек ММП отсутствуют, а на придолинных дренированных залесенных участках они имеет островное распространение. Мощность многолетнемерзлых пород в лесотундре изменяется от нескольких метров до 50—100 м в поймах крупных и средних рек и до 250— 300 м на заболоченных центральных частях морских и озерно-аллювиальных равнин. В центральных частях озерно-аллювиальных и морских равнин, а также в долинах рек широко развиты повторно-жильные льды. В пределах замкнутых обводненных таликов при их промерзании происходит рост многолетних бугров пучения. Температура ММП изменяется от 0 до —4, — 5. Глубина сезонного протаивания изменяется от 0,2—0,5 м в торфе до 2— 2,5 м в слабовлажных песках; глубина сезонного промерзания (на участках с пониженной кровлей ММП) 1—3 м. Среди криогенных процессов преобладают термокарст, криогенное растрескивание, локальное заболачивание, а на участках с опущенной кровлей ММП – многолетнее промерзание [Васильевская и др, 1986].
Важной особенностью исследуемых территорий является их расположение в пограничной полосе, в зоне прерывистого и сплошного распространения многолетнемерзлых пород на северной границе северной тайги и южной границе лесотундры. Переходные зоны характеризуются высоким разнообразием экосистем и почв, а также высокой чувствительностью к колебаниям внешних факторов. В подзоне северной тайги широко распространены разновозрастные экосистемы, характеризующиеся различной степенью проявления криогенеза. Экосистемы территории четко подразделяются на 3 основных типа, отличающихся по степени гидроморфизма и наличию ММП (рис.8). Это автоморфные лесные экосистемы, где многолетнемерзлые породы отсутствуют; гидроморфные экосистемы, представленные собственно олиготрофными болотами; и полугидроморфные экосистемы специфические варианты мерзлых плоскобугристых и крупнобугристых торфяников с расположением ММП в пределах 1-2 м [Васильевская и др., 1986; Матышак, 2009].
К почвам, характерным для лесных экосистем, относятся подзолы, торфяно-подзолы и торфяно-подбуры (рис. 8, таб. 2). К почвам, характерным для плоскобугристых торфяников относятся торфяные олиготрофные типичные, торфяно-глееземы типичные и перегнойно-торфяные, торфяно-криоземы типичные и перегнойные. Для крупнобугристых торфяников, приподнятых на высоту от 3 до 10 м над уровнем болотных массивов, характерны почвы: торфяные олиготрофные деструктивные мерзлотные, торфяные олиготрофные остаточно-эутрофные, торфяно-глееземы, торфяно-криоземы, торфяно-подзолы [Матышак, 2009]. Почвы болотных экосистем (термокарстовые депрессии, ложбины стоков, мочажины): торфяные олиготрофные типичные и торфяно-глееземы. Особенностью почв изученного района являются различные проявления криогенеза в почвенном профиле – морозобойные трещины, турбированность профиля, языковатость и карманность границ, криогенное оструктуривание [Матышак, 2009].
В соответствии с “Классификацией почв России” [2004] исследуемые почвы относятся к следующим таксонам (таб. 2). Почвы с мощным торфяным горизонтом (более 50 см) были отнесены к отдельному стволу органогенных почв, все остальные отнесены к стволу постлитогенных почв. Деление это, в нашем случае, несколько условно, так как мощность торфа в болотных почвах сильно варьирует, и почвы, расположенные в пределах одного участка, могут быть отнесены к двум разным стволам и, соответственно, типам: торфяные олиготрофные и торфяно-глееземы.
Лабораторные методы исследования
Камера представляет собой цилиндр из нержавеющего металла объёмом 0.9 л. Камеры устанавливались на глубину 1-2 см в почву. Места установки камер были подготовлены заранее (прорезана щель для установки и удален растительный покров). Чтобы избежать отрицательного воздействия экспериментатора на поверхность заболоченных участков, установка камер и отбор газовых проб проводились с предварительно проложенных деревянных кладей в топких местах. Для отбора проб в камерах имеются отверстия, закрытые резиновыми пробками. Пробы газа объемом 10 см3 отбирались с помощью шприцев – пробоотборников через резиновую пробку в камере сразу после ее установки и через 20 мин экспонирования. В условиях ясной погоды и отсутствия облачности камеры накрывались светоотражающим материалом, чтобы избежать повышения температуры из-за нагревания на солнце. Воздух в камере перемешивался троекратным прокачиванием поршня шприца перед каждым отбором пробы. После этого отобранная проба газа вводилась в прибор и определялась концентрация газа в камере в начальный момент и в конце экспозиции. Измерение концентрации СО2 в пробах осуществлялось с помощью портативного газоанализатора RMT DX6210. Портативный газоанализатор DX6210 фирмы RMT Ltd. снабжен инфракрасным датчиком и предназначен для определения содержания СО2 в газовых пробах в диапазоне концентраций 0 – 2%, c разрешением 0.001 % и точностью 0.002% (рис. 20). В каждой из экосистем заложено 5-10 пробных площадок для измерения эмиссии СО2. Измерения эмиссии газов на объектах, расположенных в рамках мониторинговой площадки CALM (n=121), проводились однократно за полевой сезон в дневные часы. Расчет потока СО2 из почвы в камеру осуществлялся по формуле, следующей из уравнения состояния идеального газа [Смагин, 2005, 2010]: Q=(X P M h)/(100 R T t) где Q [мгСО /(м ч)] - величина потока парникового газа, X [%] – прирост объемного содержания СО2, Р [кПа] – барометрическое (атмосферное) давление, h [см] – высота камеры-изолятора от поверхности почвы, Т [К] – значение температуры по шкале Кельвина, t [ч] – интервал времени R=8,31 Дж/(моль К) – универсальная газовая постоянная, М [г/моль]=44 – молекулярная масса диоксида углерода.
Устройства для измерения почвенных свойств в полевых условиях. Газовые пробы для определения концентрации метана после отбора с помощью шприца переносились во флаконы, заполненные концентрированным раствором соли, и транспортировались к месту измерения. Измерение концентрации СН4 в пробах осуществлялось в лабораториях факультета почвоведения МГУ с помощью газового хроматографа “Кристалл 5000” (Россия) [Степанов, Лысак, 2002]. Газовый хроматограф оснащен пламенно-ионизационными детекторами (СКБ “Хроматэк”, Россия). Высокая точность газохроматографического метода позволила определить низкие объемные концентрации метана, характерные для объекта исследования. 2) Режимные наблюдения за концентрацией диоксида углерода в горизонтах почв методом мембранных пробоотборников. Для выполнения этой задачи в почву на глубины 20, 40, 60 см были помещены герметично закрытые с поверхности трубки диаметром 1 см с выводом на поверхность (рис. 19) [Смагин, 2005; Карелин, Замолодчиков, 2008; Bekele et al., 2007; Pacific et al., 2008]. Отбор проб производился через резиновую пробку каждые 3 часа 6 раз в сутки. Измерения концентрации углекислого газа также осуществлялись с помощью портативного газоанализатора с инфракрасным датчиком RMT DX6210. 3) Режимные температурные наблюдения, которые включали в себя измерение температуры воздуха, поверхности почвы, а также почвы на глубинах 20, 40, 60 см с интервалом 4 часа с помощью программируемых микро-термодатчиков Thermochron iButton (рис. 20) [Смагин, 2005]. Датчики «на поверхность» закладывались на глубину 2 см во избежание попадания прямых солнечных лучей и для наиболее корректной оценки влияния характера напочвенного покрова на температурный режим поверхности почвы [Гончарова и др., 2015]. Также проведены разовые измерения температуры почвы термощупом в верхнем 15-см слое почвы в непосредственной близости от места установки камер для определения эмиссии парниковых газов. 4) Определение мощности торфа с помощью почвенного бура -«ложки» (фирмы Eijkelkamp) для пробоотбора мягких агрегированных почв (влажная глина, торфяные отложения и т.п.) с сохранением структуры образца. 5) Разовые измерения объемной влажности в верхнем 15-см слое почвы с помощью влагомера Spectrum TDR 100 в трехкратной повторности для каждой точки (рис. 20). Данные измерения проводились в непосредственной близости от места установки камер для определения эмиссии парниковых газов. 6) Определение наличия и близости залегания кровли многолетнемерзлых пород в почвенном профиле, а именно глубины сезонного оттаивания (мощность сезонно-талого слоя) (рис. 21) проводилось методом зондирования щупом, представляющим собой заостренный металлический стержень диаметром 8 - 10 мм и длиной 1,5-2 м [ГОСТ 26262-84, Методы полевого определения глубины сезонного оттаивания]. Измерение максимальной мощности СТС на мониторинговых площадках CALM традиционно проводится в конце августа – начале сентября (период наибольшего оттаивания) [Мельников и др., 2005].
Гидротермические и геокриологические параметры почв
При оценке экологической роли торфяных отложений особое значение приобретает их химический состав, с которым тесно связана устойчивость или податливость торфов к биохимической минерализации [Функционирование…, 2013]. Основными показателями, используемыми для характеристики торфов, являются: вид торфа, состав растений торфообразователей, степень разложения, зольность, кислотность, биологическая активность и содержание элементов минерального питания [Пьявченко, Корнилова, 1978]. По этим показателям органопрофили исследованных почв существенно различаются. Профиль торфяно-криозема плоскобугристого торфяника состоит из оторфованного очеса (О), двух торфяных горизонтов и нижележащих минеральных (CR). Для горизонта T1 характерна зольность 5,5 %, степень разложения около 50% и преобладание в торфе остатков корешков кустарничков семейства Ericaceae, в частности Ledum palustre L., Andromeda polifolia L., Vaccinium uliginosum L. Для нижележащего торфяного горизонта T2 характерна степень разложения около 55%, зольность 5,0%, а также преобладание остатков Sphagnum sp. и корешков кустарничков семейства Ericaceae (Andromeda polifolia L., Vaccinium uliginosum L.). Торф всех горизонтов относится к верховому типу. Под торфяными горизонтами залегает серия минеральных горизонтов (песок), для которых значение потери при прокаливании составило 0,4% от массы сухой почвы.
Профиль торфяной олиготрофной деструктивной мерзлотной почвы крупнобугристого торфяника (TOmd-ТOOte) состоит из серии торфяных горизонтов разного состава. Для верхнего горизонта TОmd характерна зольность 4,6%, степень разложения около 60% и наличие остатков корешков кустарничков семейства Ericaceae, в частности Oxycoccus quadripetatus; Eriopharum vaginatum L.; при преобладании Betula nana L. Совокупность показателей говорит о том, что торф относится к верховому березовому типу. Для нижележащего горизонта ТO характерна зольность 4,0%, степень разложения около 50%, наличие остатков Equisetum palustre L., Comarum palustre L., Betula pubescens Ehrh., Carex sp., в том числе Carex всррlasiocarpa Ehrh., а также остатков корешков кустарничков семейства Ericaceae, в частности Vaccinium uliginosum L., Vaccinium vitis-idaea. Для торфа горизонта TOte характерна зольность 4,3%, степень разложения около 45% и наличие остатков Equisetum palustre L.; Comarum palustre L.; Betula pubescens Ehrh.; Carex sp., в том числе Carex lasiocarpa Ehrh. Преобладание остатков растений низинных болот в торфе горизонта ТOte определяет его тип как низинный. Сильноразложенный торф всех горизонтов крупнобугристого торфяника характеризуется большей плотностью сложения (0,29 г см-3) по сравнению с торфом плоскобугристых торфяников. Органопрофиль подзола лесной экосистемы состоит из подстилки (О), мощность которой 10 см и зольность 11,2%. Под подстилкой залегает серия минеральных горизонтов, для которых значение потери при прокаливании не превысило 2,2% от массы сухой почвы.
Различия, установленные при ботаническом описании торфяных горизонтов почв разных экосистем, проявляются в содержании общего и лабильного углерода. Содержание общего углерода в органогенной толще всех исследованных почв варьирует значительно от 36,81 до 52,50% (таб. 3). Среднее значение содержания общего углерода в верхних горизонтах торфяно-криозема плоскобугристого торфяника составляет 39,31%. В минеральных горизонтах этот показатель равен 0,32%. Для подзола лесного участка характерны высокие значения содержания общего углерода в верхнем органогенном горизонте и низкие значения в минеральных горизонтах (таб. 3). Для почв крупнобугристого торфяника характерно наибольшее среди изученных экосистем содержание общего углерода почв по всему профилю, среднее составило 51,90%. Установлено, что запасы общего углерода в органогенный толще подзола (10 см) составляют 32,7 т га-71 1, в органогенной толще торфяно-криозема (40 см) – 299,8 т га-1, а в торфяной олиготрофной почве (50 см) – 741,7 т га-1. Изученные экосистемы статистически значимо отличаются по содержанию общего углерода.
Наибольшим содержанием общего азота по сравнению с почвами других экосистем характеризуется торфяная олиготрофная деструктивная мерзлотная почва. Это отличие статистически значимо. Содержание общего азота увеличивается вместе с ростом степени разложения торфа. Также повышенное содержание общего азота в почвах крупнобугристого торфяника обусловлено понижением содержания биофильных элементов: кальция, магния [Василевская и др., 1986].
Для почв крупнобугристого торфяника характерны низкие значения рНН2О, не превышающие 3,8, что обусловлено большим количеством кислых продуктов трансформации торфов. В целом величины рНН2О характеризуют почвы как сильнокислые. Для торфяно-криоземов плоскобугристого торфяника характерно увеличение значений рНН2О от 4.3 до 4,7 при переходе от горизонта подстилки к торфяному, с последующем увеличением до 4.9 в минеральной толще. Для подзола характерна четкая дифференциация профиля по величинам рНН2О, они возрастают от 3,8 в подстилке до 4,6 в минеральной толще.
Установлено, что химические свойства почв изученных экосистем в целом характерны для почв северотаежных экосистем [Васильевская и др., 1986; Орлов и др.,1996]. Общие химические свойства торфяных олиготрофных мерзлотных почв крупнобугристых торфяников значительно отличаются от свойств почв других изученных экосистем и характеризуются слабодифференцированным распределением по профилю, что обусловлено вовлечением в почвообразование неразложившихся торфяных слоев. Для этих почв характерно отсутствие сплошного растительного покрова, растрескивание поверхностных торфянистых горизонтов в сочетании со значительным иссушением, а также обширные оголенные пятна торфа. Одна из основных гипотез происхождения крупнобугристых торфяников связана с голоценовой историей их формирования. На данный момент при относительно молодых окружающих ландшафтах, они являются реликтовыми образованиями, так называемыми останцами. Данные радиоуглеродного датирования свидетельствуют, что возраст торфа крупнобугристого торфяника существенно больше возраста торфа плоскобугристого торфяника (3710±50 (ИГАН-3588) и 1470±50 л.н. (ИГАН-3584)), соответственно время преобразования органического вещества значительно превышает таковые на окружающей территории и именно с этим связано отличие в исследуемых показателях [Гончарова и др., 2015]. По данным В.Д. Васильевской [1986] торфа настолько обеднены биофильными элементами, что даже лишайниковая растительность здесь не выживает. Возможным аргументом в пользу ухудшения условий питания растений является высокое относительное содержание подвижного железа, составляющего от 70 до 100% от валового железа. При таком высоком уровне подвижного железа происходит, вероятно, сильное уменьшение доступности фосфора, что на фоне дефицита кальция и магния является дополнительным фактором, оказывающим губительное воздействие даже на неприхотливые лишайники [Василевская и др., 1986]. Этим и обусловлен специфический вид оголенных пятен торфа на поверхности крупнобугристых торфяников. Деградационные процессы приводят к последующим этапам дефляции и разрушения торфянистых бугров. Деградационные процессы сопровождаются изменением биохимического состава торфов по сравнению с сохранившимися участками.