ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
В настоящее время наблюдаются существенные изменения Арктических экосистем, возникающие в связи с потеплением климата и деградацией многолетней мерзлоты. Северные экосистемы являются одними из важнейших компонентов глобального цикла углерода на планете благодаря большому его запасу непосредственно в почве и законсервированному в мерзлоте. Почвенный углерод уязвим для любых изменений и ожидается, что прогнозируемое потепление приведет к значительному увеличению потоков парниковых газов между почвами и атмосферой и сдвигу углеродного баланса. При этом механизмы, регулирующие минерализацию органического вещества в активном слое почв до сих пор недостаточно изучены. Множество факторов, их взаимосвязи, специфика почв Севера ставят перед исследователями сложные методические задачи, а также определяют неоднозначность, а зачастую и противоречивость получаемых выводов. Данный проект предусматривает детальное изучение отклика торфяных почв севера Западной Сибири на повышении температуры. При помощи долгосрочных манипуляционных полевых экспериментов, а также разнообразных лабораторных инкубационных экспериментов будет оценена температурная чувствительность минерализации органического вещества торфяных почв, различающихся по свойствам и параметрам функционирования. Будет проведено апробирование и адаптация методик по изучению минерализации органического вещества почв, функционирующих в экстремальных условиях Арктики. Реализация проекта позволит получить актуальные, комплексные, статистически достоверные данные отклика почв на потепление, необходимые для проведения адекватных оценок влияния климатических изменений на неустойчивые экосистемы Арктики и установления точных взаимосвязей почва – климат.
At present, there are significant changes in the Arctic ecosystems, due to of the climate warming and the permafrost degradation. Northern ecosystems are one of the most important components of the global carbon cycle due to its large reserve in the soil and conserved in the permafrost. Soil carbon is vulnerable to any change and it is expected that the predicted warming will lead to a significant increase in greenhouse gas fluxes between soils and the atmosphere and a shift in the carbon balance. At the same time, the mechanisms regulating the mineralization of organic matter in the active layer of soils have not been sufficiently studied. Many factors, their interrelationships, the specificity of the soil of the North, to set the complex of methodological problems for researchers, and they also determine the ambiguity and inconsistency of the conclusions. This project provides for a detailed study of the response of peat soils in the north of Western Siberia to an increase in temperature. Long-term manipulation field experiments, as well as various laboratory incubation experiments, will allow estimating the temperature sensitivity of organic matter mineralization of peat soils differing in properties and parameters of functioning. Approbation and adaptation of techniques for studying mineralization of soil organic matter functioning in extreme conditions of the Arctic will be carried out. The implementation of the project will provide relevant, comprehensive, statistically reliable soil warming response data necessary for conducting adequate assessments of the impact of climate change on the Arctic ecosystems and establishing exact soil-climate relationships.
Результаты проекта позволят детально охарактеризовать биологическую активность торфяных почв криолитозоны севера Западной Сибири (продукцию СО2, содержание лабильных компонентов, количество и активность микробиоты), функционирующих в различных температурных режимах. Будут получены статистически значимые оценки температурной чувствительности торфяных почв криолитозоны в зависимости от свойств торфа и параметров его функционирования. Будут выявлены региональные особенности реакции торфяных почв криолитозоны на потепление. Будет оценен вклад температуры в минерализацию органического вещества торфяных почв Севера. Будут откорректированы и уточнены методики изучения биологической активности торфяных почв Севера с учетом специфики объектов исследования. Планируется разработка новых методических подходов. Результаты позволят оценить глубину и направленность трансформации экосистем гидроморфных ландшафтов криолитозоны при потеплении. На основе полученных данных будет составлен прогноз динамики криогенных экосистем в случае изменения условий их функционирования при возможных климатических изменениях или при активизации антропогенной нагрузки. Будут разработаны рекомендации по снижению последствий антропогенной нагрузки на экосистемы Севера, а также оценены перспективы социально-экономического развития региона при возможных климатических изменениях и увеличении антропогенной нагрузки.
Коллективом детально исследованы ландшафты и почвы северной тайги и южной тундры севера Западной Сибири, изучен их генезис и связь с различными проявлениями криогенных процессов на разных уровнях (Матышак и др., 2017). К настоящему времени разработана общая методология исследований, накоплены ряды мониторинговых наблюдений, составлены и постоянно пополняются компьютерные базы данных о динамике компонентов природных комплексов севера Западной Сибири. Коллектив авторов на протяжении многих лет проводит исследования взаимосвязи свойств почв и криогенных процессов, активно идущих в зоне развития многолетнемерзлых пород (Огнева, 2016). Коллективом применяется оригинальный метод полевых исследований мерзлотных почв, основанный на их изучении в строгом соответствии с элементами проявления криогенеза. Установлено, что фактором, оказывающим наибольшее влияние на разнообразие экосистем и биологическую активность почв северной тайги и лесотундры, является наличие и глубина залегания многолетнемерзлых пород, так как именно мерзлота определяет тип биогеоценоза, температурный режим и активность процессов трансформации органического вещества в экосистемах этого региона (Бобрик, 2016). У коллектива имеется база данных по продукции диоксида углерода и метана почвами основных криогенных ландшафтов северной тайги Западной Сибири, обширные материалы по термическим режимам почв региона (Matyshak, 2015; Гончарова и др., 2014). Проведены пробные точечные исследования отклика почв на отепляющее влияние газопроводов, проложенных в пределах бугристых и полигональных торфяников Западной Сибири. Полученные предварительные результаты не только демонстрируют значительную трансформацию экосистем, подвергнувшихся отепляющему воздействию, но и возможность использования линейных объектов в криолитозоне в качестве длительных, модельных, максимально приближенных к реальности, ландшафтов при исследовании влияния потепления на экосистемы и почвы Севера.
Работы в рамках проекта были разделены на 2 равноценных этапа: полевой и лабораторный. Полевой этап представлял из себя серию исследований, основанных как на изучении нативных экосистем, так и на проведении ряда манипуляционных экспериментов. В рамках этой части были реализованы оригинальные идеи использования почв торфяных пятен и нагревающихся из-за антропогенной деятельности участков торфяных почв. Также были использованы методы манипуляционного повышения температуры почв: метод нагрева почв камерами пассивного нагрева и метод трансплантации (пересадки) ненарушенных почв из холодного участка в теплый. Во всех случаях были отобраны образцы контрольных и нагретых почв для лабораторного этапа исследований. Важной частью проекта была оценка отклика на повышение температуры образцов торфяных почв разного типа проведенная на основе манипуляционных краткосрочных температурных экспериментов в лабораторных условиях. По результатам трех лет исследований показано, что не зависимо от типа экосистем, технологий, времени не происходит значительного увеличения эмиссии СО2 торфяными почвами при долговременном нагревании. Т.е. торфяные криогенные экосистемы севера Западной Сибири не являются климатической «бомбой» и при возможном потеплении будут адаптироваться и характеризоваться типичными эмиссионными потоками без экстремальных всплесков. Буферность экосистем обусловлена противоположным многофакторным характером отклика и изменением вклада автотрофного (растительность) и гетеротрофного (микробиота) компонентов в эмиссию СО2, т.е активизацией первого и снижением активности второго в долгосрочной перспективе, а также активизацией выноса растворенного СО2 за пределы нагретых экосистем. Снижение активности микробиоты торфяных горизонтов, выявленное практически на всех исследованных участках разными методами обусловлено ускоренной минерализацией доступного органического вещества в начальный момент и нехваткой его в дальнейшем. Это подтверждается снижением содержания и запасов общего и лабильного органического вещества в почвах экосистем при долговременном тепловом воздействии. Среди ряда опробованных манипуляционных экспериментов показана хорошая применимость метода трансплантации (переноса ненарушенного образца из «холодного» участка в «теплый») для изучения влияния потепления на свойства торфяных почв. На основе данного эксперимента установлена четкая реакция торфяных почв севера на увеличение температуры, отличная от южных аналогов и выраженная достоверно более высоким откликом эмиссии СО2. По результатам полевых и лабораторных исследований установлено, что температурная чувствительность минерализации органического вещества торфяных почв севера Западной Сибири характеризовалась не только высокими значениями, но и имеет более высокие значения по сравнению с южными вариантами, что указывает на их особую повышенную реакцию на потепление. Температурная чувствительность определяется не только зональным аспектом, но и типом торфа и глубиной его залегания, а также интервалом экспериментальных температур. Установлена сложная реакция экосистем и почв севера на потепление в долгосрочной перспективе, при которой, несмотря на факт увеличения биологической активности нагретых почв в краткосрочных полевых и лабораторных экспериментах, не наблюдается всплесков и достоверного увеличения эмиссии СО2. Показано, что увеличение автотрофного вклада в продукцию СО2 торфяными почвами при потеплении может нивелироваться снижением гетеротрофного компонента (в долгосрочной перспективе) из-за нехватки легкодоступного органического вещества, а также перераспределением потоков СО2 в почвах и активному его выносу с растворами в окружающие аквальные экосистемы. В результате перераспределение потоков СО2 в экосистеме нивелирует общий эффект от нагревания и мы не наблюдаем всплесков эмиссии СО2. Важным результатом проекта явилось то, что апробированные в исследованиях полевые и лабораторные методы обусловили схожие значения температурной чувствительности в сопоставимых интервалах температур и, соответственно, равнозначно применимы.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | этап 2018 года |
Результаты этапа: За отчетный период проведен ряд экспедиций на севере Западной Сибири (ЯНАО, Тюменская область, Надымский и Приуральский районы) во время которых апробирован оригинальный авторский подход по изучению реакции торфяных почв на нагревание. Разведаны несколько участков трансформированных в результате отепляющего воздействия газопроводов экосистем в тундровой и северотаежной зоне. Показан достоверный эффект изменения параметров экосистем в зоне нагрева (10-30м от газопровода) в результате которого в них увеличивается глубина протаивания, температура почв, структура и биомасса растительного покрова. Установлен слабый положительный тренд увеличения эмиссии СО2 нагретыми почвами, при этом активность и количество микробной биомассы торфяных горизонтов снижается. Это говорит о неоднозначном, трудно прогнозируемом отклике почв и экосистем Севера на нагревание в долгосрочной перспективе при котором, в определенных условиях, нагретые участки могут становиться даже стоком углерода, а не прогнозируемым источником. На стационарном участке, организованном в пределах бугристого торфяника с. тайги, поставлен ряд кратко и долгосрочных экспериментов по нагреванию торфяных почв. Метод трансплантации показал значительный положительный краткосрочный отклик биологической активности торфяных почв (по эмиссии СО2) на нагревание, обусловленный реакцией микробиоты на резкое повышение температуры. Организованы участки долгосрочного постепенного нагрева торфяных почв методом открытых полевых камер пассивного нагрева и трансплантации (как внутри одного торфяника, так и между различными природными зонами). Первые результаты предполагается получить летом 2019г. На всех участках измерены параметры функционирования и биологическая активность почв, установлены датчики круглогодичного мониторинга температуры почв, отобраны образцы торфяных почв для изучения их свойств и проведения манипуляционных экспериментов в лабораторных условиях. Проведены первичные исследования влияния изменения температуры на минерализацию органического вещества различных торфяных горизонтов торфяных почв севера. По результатам серии лабораторных экспериментов методами ПУТ (последовательного увеличения температур) и РВ (равных времен) установлен идентичный характер отклика горизонтов торфяно-криозема на увеличение температуры: скорость минерализации при увеличении температуры с 5 до 30 °С возрастала в 11-14 раз, активность микробиоты (базальное дыхание) при увеличении с 5 до 25 °С - в 6-11 раз. Несмотря на однотипный характер отклика, выявлены значительные отличия в температурной чувствительности разложения органического вещества горизонтов с разными свойствами. Для слаборазложенных олиготрофных торфов характерны наибольшие абсолютные значения исследуемых показателей (в среднем они в 3 раза выше), чем для сильноразложенных эутрофных горизонтов. При этом, максимальные значения коэффициента температурной чувствительности Q10, оказались выше для сильноразложенных горизонтов торфа. Использование метода РВ приводит к более экспрессной реакции исследуемых показателей и более применимо для задач по количественной оценке температурной чувствительности почв бугристых торфяников криолитозоны в лабораторных условиях. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | этап 2019 года |
Результаты этапа: В полевых условиях получены и проанализированы промежуточные варианты полевых экспериментов по трансплантации почв из "Холодных" участков в "Тепплый" в интразональном и межзональном варианте. В среднем за 2 года наблюдений на участке «Трансплантация» установлено трехкратное превышение температуры в слое 0-10 см по сравнению с участком «Контроль». Максимальное различие в температурах (в 4 раза) зафиксировано в 2019 г., минимальное (в 2.2 раза) - в 2018 г. Различия статистически значимы. Средние значения объемной влажности в слое 0-20 см для участка «Трансплантация» составили 34 ± 4%, для участка «Контроль» - 37 ± 4%. Значения эмиссии СО2 с поверхности типичного торфяно-криозема на участке «Контроль» варьировали от 39 ± 16 до 135 ± 38 мг CO2/(м2*ч), на участке «Трансплантация» от 146 ± 32 до 286 ± 47 мг CO2/(м2*ч). В среднем за 2 года наблюдений трансплантация образцов торфяно криозема обусловила 2.5-кратное увеличение эмиссии СО2 по сравнению со значениями на контрольном участке. Наибольшее превышение значении эмиссии СО2 отмечено в первый год наблюдений (2018-2019 гг.), различия средних статистически значимы. Значения эмиссии СО2 с поверхности торфяной олиготрофной типичной почвы на участке «Контроль Юж. тайга» варьировали от 30 ± 3 (ноябрь) до 220 ± 68 мг CO2/(м2*ч) (июль), с поверхности трансплантированного торфяно-криозема на участке "Трансплантация" от 60 ± 23 (ноябрь) до 502 ± 136 мг CO2/(м2*ч) (июль). В «холодный» период (октябрь-апрель) не выявлено статистически значимых различии в эмиссии СО2 между участками. В «теплом» периоде (май-сентябрь) значения эмиссии СО2 участка «Трансплантация» в среднем в 2 раза выше значении участка «Контроль Юж. тайга». Наиболее контрастная разница характерна для пика вегетационного сезона (июль): в этот период значения эмиссия СО2 участка «Трансплантация» в 2 раза превышают значения участка «Контроль». В «теплом» интервале температур 8-20 °С межзональный вариант трансплантации обусловил в среднем в 2 раза более высокие значения эмиссии СО2 с поверхности торфяно-криозема по сравнению с интразональным вариантом: различия средних статистически значимы, несмотря на высокое значение стандартного отклонения для участка «Трансплантация» в южной таиге. В «холодном» интервале температур 2-7 °С эффект межзональной трансплантации не выражен: значения эмиссии СО2 с поверхности контрольного и трансплантированного торфяно-криозема статистически значимо не различались. В лабораторных условиях методами последовательного увеличения температур (ПУТ) и равных времен (РВ) изучена реакция верхних (Т1) и нижних (Т2) торфяных горизонтов торфяно-криозема (Turbic Histic Cryosol (Dystric)) севера Западной Сибири на увеличение температуры. Методом ПУТ оценен отклик скорости минерализации органического углерода (R) на последовательное увеличение температуры с 5 до 30°C, методом РВ – отклик базального (микробного) дыхания на одновременную инкубацию при 5, 15 и 25°C. По результатам экспериментов рассчитан коэффициент температурной чувствительности Q10. В гор. Т1 при повышении температуры увеличение отклика составило 91 и 84%, в гор. Т2 – 93 и 91% для методов ПУТ и РВ соответственно. Несмотря на стабильное увеличение отклика, расчет значений Q10 выявил разные закономерности температурной чувствительности. Установлено, что наибольшие значения Q10 для обоих горизонтов относятся к холодному 5–15°C интервалу температур. В большинстве интервалов температур Q10 выше для гор. Т2, чем для Т1. Для гор. Т1 в случае метода ПУТ Q10 изменялся слабо и находился в диапазоне 2.7–3.0, тогда как в случае метода РВ снижался в 3.3 раза от холодного (4.9) к теплому 15–25°C (1.5) интервалу температур. Для гор. Т2 при использовании метода ПУТ Q10 также изменялся слабо и варьировал в диапазоне 3.0–3.5, а при использовании метода РВ уменьшался в 1.5 раза от холодного (4.3) к теплому (2.8) интервалу. Таким образом, метод РВ по сравнению с методом ПУТ приводит к более контрастной динамике значений Q10, что свидетельствует о его большей применимости для задач по оценке температурной чувствительности торфяных почв криолитозоны в лабораторных условиях. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | этап 2020года |
Результаты этапа: Таким образом, на основе результатов полевых экспериментов можно заключить, что: 1. Не зависимо от типа экосистем, технологий, времени нагревания не происходит значительного увеличения эмиссии СО2. Т.е. торфяные криогенные экосистемы севера Западной Сибири не являются климатической «бомбой» и при возможном потеплении будут адаптироваться и характеризоваться типичными эмиссионными потоками без экстремальных всплесков. 2. Буферность экосистем обусловлена противоположным характером отклика и изменением вклада автотрофного и гетеротрофного компонентов, т.е активизацией первого и снижением активности второго. 3. Снижение активности микробиоты торфяных горизонтов, выявленное практически на всех участках разными методами обусловлено ускоренной минерализацией доступного органического вещества в начальный момент и нехваткой его в дальнейшем. Это подтверждается как снижением мощности органогенного горизонта, так и снижением содержания лабильного органического вещества. Различные варианты трансплантации выявили высокую температурную чувствительность торфяно-криозема северной тайги: значение коэффициента температурной чувствительности Q10 для внутризонального варианта трансплантации составило 3.6 ± 2.2, для межзонального варианта - 4.6 ± 1.8. В «теплом» интервале температур 8-20 °С межзональный вариант трансплантации обусловил в среднем в 2 раза более высокие значения эмиссии СО2 с поверхности торфяно-криозема по сравнению с внутризональным вариантом, что, вероятно, обусловлено разницей сумм активных температур разных природных зон. Показано, что значения Q10 для торфяных почв криолитозоны (в среднем 4.3) существенно выше по сравнению с торфяными почвами южной тайги (Q10=2.7), что подтверждает их особую возможную реакцию на потепление. По результатам лабораторных исследований показано, что для образцов «северных» торфяных олиготрофных почв (северная тайга) отмечены меньшие абсолютные значения показателей биологической активности по сравнению с образцами «южных» олиготрофных почв (южная тайга): в среднем в 2-5 раз ниже, содержание Слаб для образцов «северных» и «южных» торфяных олиготрофных почв статистически значимо не отличается (в среднем 1172 ± 137 и 1162 ± 167 мг/кг соответственно). При этом расчет коэффициента Q10 выявил большую температурную чувствительность минерализации органического вещества для образцов северных торфяных олиготрофных почв в сравнении с южными. Апробированные полевые и лабораторные методы показали схожие величины температурной чувствительности торфяных почв криолитозоны в сопоставимых интервалах температур: значения Q10 варьировали в диапазоне 3.6-4.8, что говорит о том, что полевой метод «трансплантация» и лабораторная оценка микробного дыхания (БД) с использованием метода РВ в равной степени применимы. Долгосрочные тренды реакции выявили отсутствие или негативную реакцию микробиологической активности (БД) торфяных почв на нагревание как в условиях трансплантации, так и в условиях нагретых экосистем вдоль газопроводов. Содержание Слаб реагирует слабо или снижается, тогда как Nлаб увеличивается с ростом температуры в разных вариантах экспериментов. Снижение активности микробиоты торфяных горизонтов, выявленное практически на всех участках разными методами обусловлено, вероятно, ускоренной минерализацией доступного органического вещества в начальный момент повышения температуры функционирования и нехваткой его в дальнейшем. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".