Депонирование углерода в болотах полесий Восточно-Европейской равнины в голоцене (РНФ)НИР

Carbon accumulation in Polessie peatlands of the East European Plain during the Holocene

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Депонирование углерода в болотах полесий Восточно-Европейской равнины в голоцене
Результаты этапа: В 2024 г. проведены исследования свойств торфяных залежей, определены запасы и скорости аккумуляции углерода в 4-х модельных болотах, имеющих различный генезис и расположенных в разных ландшафтных позициях. Получены следующие результаты. Болото Долгий мост расположено в локальной депрессии рельефа на 2-й НПТ (надпойменной террасе) р. Мокши. Мощность торфяной залежи составляет 260 см, начало торфонакопления датировано около 8200 кал. л.н. (календарных лет назад). В торфяной залежи болота представлены низинные (древесный, травяной, осоковый, древесно-осоковый) и переходные виды торфа (пушицевый, сфагново-пушициевый). ППП (потери при прокаливании) колеблются в диапазоне 91-98% за исключением интервалов 54-60 см (ППП=64%) и 27-38 см (ППП=79%), где привнос минеральный частиц существенно увеличился. Степень гумификации торфа варьирует от 0,1 до 0,8. Содержание органического углерода (Сорг) возрастает от 0 до 50% в базальном горизонте торфа, выше по разрезу содержание Сорг находится в диапазоне от 46,9 до 60,9%, среднее значение 55,8%. Суммарный запас углерода в болоте Долгий мост составил 404,78 тонн. Скорость накопления углерода (CAR) варьировала от 5,3 г С/м2 в год на нижней границе торфяной залежи до 101,2 г С/м2 в год на глубине 45 см, при среднем значении 30,7 г С/м2 в год. Аккумуляция углерода в торфяной залежи не была равномерной во времени, четко выделяются несколько этапов по изменению интенсивности этого процесса. Болото Жегаловское занимает древнеэоловую котловину на 2-й НПТ р Мокши. Несмотря на значительный возраст базального горизонта торфа около 10 000 лет, мощность торфяной залежи 180 см. Торфяную залежь слагают осоковый, тростниковый и травяной низинные торфа, осоково-пушициевый и сосново-пушициевый переходные и сфагновый верховой виды торфа. Выявлены многочисленные угольные прослои и скопления угольков. ППП колеблются в диапазоне 83-96% за исключением интервалов 16-27 см и 144-158 см, в которых ППП сократились до 75-80%. Степень гумификации торфа испытывает значительные колебания по глубине торфяной залежи от 0,1 до 0,6. Содержание Сорг изменяется в диапазоне от 43,7 до 56,1% (в среднем 42,0%), если не рассматривать придонный горизонт торфа, где содержание Сорг и ППП постепенной возрастают. Суммарный запас углерода в болоте – 488,37 тонн. Скорости накопления углерода изменялись от 5,8 до 21,2 при среднем значении 13,2 г С/м2 в год. Болото Инорка расположено в древней макро-излучине р. Мокши на ее первой НПТ. Скважиной глубиной 400 см в центре болота вскрыты озерные и болотные отложения. Торфом представлены только верхние 280 см, начало аккумуляции торфа около 10500 кал. л.н. Нижняя часть торфяной залежи сложена сфагновым, древесно-осоково-сфагновым, осоково-сфагновым низинными видами торфа. Средняя часть залежи образована низинным осоковым, осоково-травяным и травяным торфами. Верхнюю часть торфяной залежи формирует переходный пушицево-сфагновый торф. ППП относительно стабильны во всем разрезе (89,6-97,2%) кроме интервала глубин 17-26 см, где ППП понижаются до 75-80%. Изменчивость степени гумификации торфа составляет от 0.3 до 0.5 и с глубины 50 см в сфагново-пушициевом торфе понижается до 0.2. Содержание Сорг в болоте Инорка составляет 43,6-55,6% (среднее значение 51,2%). Суммарный запас углерода в болоте определен как 181,35 тонн. За исключением верхних 25 см, скорость накопления углерода изменялась в диапазон от 7,8 до 35,0 г С/м2 в год. Резкий рост CAR (до 50-60 г С/м2 в год) выявлен на глубинах 25-10 см. В этом же интервале отмечено сокращение ППП. В самом верхнем слое сфагново-пушициевого торфа значения CAR снизились до 27 г С/м2 в год. Среднее значение CAR – 23,1 г С/м2 в год. Болото Павловское занимает карстовую воронку на 2-й НПТ р. Мокши. Мощность торфяной залежи 100 см, возраст около 3000 кал. лет. В ее строении присутствуют низинные торфа – вахтовый, травяной, древесный и древесно-травяной. По сравнению с другими болотами, Павловское отличается более высокой зольностью торфа при слабом его разложении и сильном обводнении. Содержание Сорг изменяется от 31.2 до 51.6%. Суммарный запас углерода в болоте Павловское – 52,23 тонн. Скорость аккумуляции углерода варьирует от 5 до 35 г С/м2 в год. Среднее значение 21,4 г С/м2 в год. Анализ содержания углерода в торфяных залежах 5-ти болот, включая изученное нами ранее болото Столбовое, расположенного также на территории Мордовского заповедника, показал, что в низинных торфах с преобладанием остатков травянистых растений-торфообразователей содержание Сорг составляет 46.9-60.9% (среднее 54,6%) и эти значения в целом выше, чем концентрация Сорг в переходных древесно-пушициево-сфагновых и пушициево-сфагновых торфах 43.6-50.1% (среднее 47.8%). Низкие значения Сорг выявлены для травяного и древесно-травяного торфа в карстовом болоте Павловское: 39.2-51.4% (среднее 47,5%), в котором торф сильно обводнен и слабо консолидирован, что возможно, обусловило недооценку содержания углерода в этом болоте. Сопоставление полученных данных с опубликованными оценками содержания углерода в торфах различного возраста и состава [Vitt et al. 2000; Chambers et al., 2010; Bauer et al, 2006; Beilman et al. 2009; Прокушкин и др., 2017], выявил в целом близкие закономерности распределения содержания Сорг, в различных видах торфа, при немного более низких абсолютных значениях Сорг в карстовых болотах, что может быть связано с локальными особенностями торфонакопления. Полученные данные показали, что скорость аккумуляции углерода в болотах Долгий Мост, Жегаловское, Инорка и Павловское варьирует в диапазоне от 5,2 до 84,9 г С/м2 в год, если не учитывать самые нижние образцы, приуроченные к базальным горизонтам торфяных залежей, и один аномальный пик до 101,9 г С/м2 в год в болоте Долгий Мост, при среднем значении за весь голоцен 22,5 г С/м2 в год. Сопоставление полученных результатов с данными о депонировании углерода в болотах арктической и бореальной зон Евразии и Северной Америки [Gallego-Sala et al., 2018] и с оценками CAR в среднем по России [Инишева и др., 2013] показали, что выявленные нами скорости аккумуляции углерода в болотах Мордовии находятся в пределах варьирования средних значений этого показателя, а полученное нами среднее значение CAR близко к средней скорости накопления углерода болотами северного полушария в голоцене, оцененной в 22,9±2,0 г С/м2 в год [Loisel, Garneau, 2010]. Установленные нами ранее для карстового болота Столбовое (глубина 240 см, возраст 3000 кал. лет) экстремально высокие показатели CAR от 32,0 до 158,4 г С/м2 в год при среднем значении 68,9 г С/м2 в год, не были выявлены при последующих исследованиях болот различного генезиса и ландшафтной приуроченности. Возможно, такие высокие значения CAR характерны только для быстро растущих карстовых болот в условиях богатого минерального питания. Корреляционный анализ выявил слабую положительную связь между CAR и содержанием азота, гумификацией торфа, содержанием древесных остатков и осок в торфе изученных болот. Доля остатков древесины имеет слабую положительную корреляцию с участием зеленых и сфагновых мхов. Очевидно, что на депонирование углерода в болоте оказал влияние ботанический состав торфа. Зависимость CAR от содержания азота и гумификации торфа отражает последовательные изменения состава растений-торфообразователей, условий минерального питания и скоростей деструкции органического вещества торфа. Анализ распределения скорости накопления углерода по глубинам торфяных залежей и по возрасту показал, что, учитывая погрешности возрастных моделей и возможные потери торфа при неоднократных пожарах, фазы увеличения и снижения интенсивности депонирования углерода в разных болотах в голоцене происходили практически одновременно. Для нижних горизонтов торфяных залежей болот Жегаловское, Долгий мост и Инорка, сформировавшихся в раннем голоцене и в первой половине среднего голоцена, были характерны относительно высокие скорости накопления углерода. Значения САR, превышающие средние значения в разрезе, в болоте Жегаловское определены в интервале 10000 – 7500 кал. л.н. (12-18, с отдельными пиками до 20 г С/м2 в год), в болоте Инорка – в интервале 10500 – 7500 кал. л.н. (20-35 г С/м2 в год) и в болоте Долгий Мост – в интервале 8200 – 6500 кал. л.н. (20-50 г С/м2 в год). Согласно климатическим реконструкциям для центральных районов Восточно-Европейской равнины, последовательное потепление климата в раннем голоцене при достаточном увлажнении в период 9100-8500 кал. л.н. [Novenko, Olchev, 2015; Новенко, 2021], способствовало активному росту торфяников и аккумуляции в них углерода. Снижение интенсивности накопления углерода в болотах выявлено в среднем-позднем голоцене для интервалов 7500 – 3500 (3700) кал. л.н. для болот Жегаловское и Инорка, когда значения CAR опустились ниже средних значений (до 8-15 г С/м2 в год), и для интервала 6500 – 3500 кал. л.н. для болота Долгий Мост, где CAR составляла 10-20 г С/м2 в год. Период снижения депонирования углерода в болотах во многом совпадает с термическим максимумом голоцена, когда климат был теплее и суше современного [Новенко, 2021]. Для этого же периода в изученных болотах характерно снижение скорости вертикального прироста торфа и увеличение степени его гумификации, что указывает на увеличение интенсивности процесса минерализации органических остатков и неблагоприятные условия торфонакопления и связывания углерода. Исследования макроскопических частиц угля в торфяных залежах болот и реконструкции палеопожаров, выполненные нами ранее по материалам тех же разрезов [Куприянов и др., 2023; Новенко и др., 2023], показали существенное увеличение частоты и интенсивности пожаров. Возможно, происходила потеря углерода в результате выгорания части торфяной залежи, что также отразилось на снижении значения CAR. Похолодание и увлажнение климата в позднем голоцене и сокращение числа пожаров способствовали накоплению торфа и росту аккумуляции углерода. Повышение значений CAR в болотах Жегаловское, Долгий мост и Павловское получено для интервала 3500 – 1700 кал. л.н.; в болоте Инорка рост CAR имел место между 3500 и 2000 кал. л.н. В формировании верхних горизонтов торфяных залежей болот и аккумуляции углерода в позднем голоцене проявилась индивидуальная специфика различных болотных комплексов. В болоте Жегаловское начиная с 1700 кал. л.н. установлено плавное снижение СAR от 15-20 до 5 г С/м2 в год. В болотах Долгий мост, Инорка и Павловское, начиная с 1700(2000) кал. л.н. выявлено некоторое уменьшение скорости аккумуляции углерода, а затем, в верхних горизонтах торфяных залежей резкий скачок значений CAR до 100 и 60 г С/м2 в год в болотах Долгий Мост и Инорка соответственно и до 35 г С/м2 в год в болоте Павловское, совпадающий с повышением зольности торфа и снижением его гумификации. Мы предполагаем, что существенный рост CAR связан с высокой продуктивностью растительных сообществ в результате дополнительного привноса питательных веществ в болотную экосистему, возможно в результате антропогенного влияния, и одновременно их замедленной минерализацией, на что указывает снижение степени гумификации торфа. Проведенное исследование позволило сделать заключение, что депонирование углерода в болотных комплексах Мордовского заповедника обусловлено составом растений-торфообразователей, условиями минерального питания болот, и изменениями гидроклиматических условий в голоцене, определяющих соотношение процессов разложения и накопления торфа, а также частотой торфяных пожаров. В 2024 г по новым данным и полученным ранее результатам были подготовлены и опубликованы 2 статьи в рецензируемых журналах: Дьяконов К.Н., Мазей Н.Г., Прокушкин А.С., Шатунов А.Е., Зазовская Э.П., Новенко Е.Ю. Депонирование углерода в карстовом болоте Мордовского заповедника в позднем голоцене. Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2024. Т. 79. № 4. С. 30–43. Mazei N.G., Shatunov A.E., Novenko E.Yu. The Holocene evolution of floodplain mire geosystems in the southeastern part of the Meshchera lowlands // Limnology and Freshwater Biology. 2024. № 4. P. 434-439. DOI: 10.31951/2658-3518-2024-A-4-434.
2 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Депонирование углерода в болотах полесий Восточно-Европейской равнины в голоцене
Результаты этапа: 1. В ходе выполнения проекта в 2025 г. создана база данных комплексного анализа торфа полесских болот, включающая 457 образцов 20 видов торфа. В базу данных включены результаты детальных исследований 2024 г. четырех болот Мордовского заповедника (Павловское, Жегаловское, Долгий мост, Инорка), дополнительно изученных в 2025 г. семи болот (Сухое, Дубок, Поперечное, Сырое, Далекое, Мягкое, Мелкое) и двух болот Алексеево и Багульниковое, расположенных на территории стационара «Лесуново», проанализированных в 2025 г. Установлено, что содержание углерода в низинных и переходных торфах с преобладанием сосудистых растений составляет 50.0–52.7%, тогда как в сфагновых торфах оно ниже — около 47.3%. Содержание азота максимально в осоковых и древесных торфах (в среднем 1.9% и 1.7%), что связано с поступлением азота с грунтовыми водами, а в сфагновых торфах составляет в среднем 1.6%, что выше ранее приводимых в литературе данных. Исследование выявило чёткие изотопные и элементные сигнатуры (C, N, δ¹³C, δ¹⁵N) различных типов торфа, обусловленные составом растений-торфообразователей и условиями формирования. Например, для древесных торфов характерны низкие значения δ¹³C (–28.6‰) и положительные δ¹⁵N, а сфагновые торфа отличаются облегчённым изотопным составом. 2. Болото Алексеево находится в 4.5 км к юго-западу от деревни Лесуново в пределах моренно-водноледниковой равнины. Болото занимает древнетермокарстовую котловину площадью 1.2 кв. км с максимальной глубиной 2 м. Торфяная залежь начала формироваться около 7300 кал. л.н. (календарных лет назад). Болото образовалось путем суходольного заболачивания. В торфяной залежи представлены низинные виды торфа: осоковый, осоково-травяной, переходные торфа: пушицевый, осоково-пушицевый, древесно-пушицевый и сфагновый. Болото находится на мезотрофной стадии развития. Резкая смена свойств и состава торфа на глубине 34-36 см, обилие фрагментов угольков на этом уровне, очевидно, отражает нарушение болота в результате пожара и возможный перерыв в осадконакоплении. Потери при прокаливании (ППП) увеличиваются в интервале глубин с 200 до 170 см, достигая 95.2%. Выше по разрезу ППП колеблются в диапазоне 90.5-98.4% за исключением верхних 40 см (ППП=88.3-94.4%) и интервала 150-166 см, где привнос минеральный частиц увеличился. Степень гумификации торфа, измеренная нами как величина оптической плотности, варьирует от 0.14 до 0.79, прослеживаются резкие колебания значений в нижних слоях торфа и постепенное уменьшение гумификации торфа вверх по разрезу, начиная с глубины 160 см до 44 см, где оптическая плотность торфа максимальна (древесно-осоковый торф). В верхних слоях степень гумификации торфа резко падает до минимальных значений (0.14-0.30). Верхний горизонт торфяной залежи представлен слабо консолидированным сфагновым торфом. Содержание органического углерода (Сорг) возрастает от 2.5 в минеральном горизонте до 53.7% в придонных слоях торфа (глубина 200-168 см), испытывая при этом колебания, связанные, очевидно, с нестабильной обстановкой тофронакопления в нижней части разреза. В осоковом торфе (глубина 168-120 см) содержание углерода изменяется в диапазоне 49.3-54.1%. В слоях пушицевого, пушицево-осокового и древесного торфа в интервале глубин 120-32 см значения Сорг колеблются между 47.1-55.8, с локальными минимумами до 41.6 на глубине 60 см и до 43.,3-43.9% на глубинах 72-76 см. В верхнем горизонте и сфагнового торфа содержание Сорг в целом ниже и составляет 42.7-46.4%. В среднем, содержание Сорг в торфе составляет 50.2%. Содержание азота в торфе претерпевает более выраженные колебания по глубине по сравнению с Сорг – от 0.57 до 1.97% (среднее значение – 1.35%). Уменьшение содержания азота приурочено к сфагновому торфу, а его повышенное значение к осоковому. Относительно высокие значения содержания азота (1.4-1.9%) до глубины 120 см обуславливают соотношения С:N – 25:1-30:1, что указывает на сохранение достаточной обеспеченности элементами минерального питания в болоте. Выше по разрезу в пушицевом, а затем в сфагновом торфах содержание азота сокращается и соотношение С:N растет до 40:1-50:1. Суммарный запас углерода в болоте составил около 1063.8 тонн. Расчеты скорости аккумуляции углерода показали, что интенсивность этого процесса не была равномерной во времени, четко выделяются несколько этапов по изменению интенсивности этого процесса. Так, скорости накопления углерода (CAR) варьировали от 6.3 г С/м2 в год на нижней границе торфяной залежи до 66.8 г С/м2 в год на глубине 32 см, при среднем значении 29.6 г С/м2 в год. Корреляционный анализ и методы многомерной статистики (РСА) показали положительную связь доли осок и трав с содержанием N, а древесных остатков с соотношением C:N. Отрицательные связи содержания Сорг в торфе характерны для сфагновых мхов и хвощей, а С:N для осок и трав. 3. Болото Багульниковое расположено в 10 ка к северо-западу от болота Алексеево и приурочено к слабоволнистой долинно-зандровой равнине. Площадь болота 2.150 га, максимальная глубина торфяной залежи 135 см. Возраст базального горизонта торфа около 8800 кал. лет. Торфяную залежь болота слагают низинные виды торфа (тростниково-осоковый, осоковый) и переходные виды торфа (пушицевый, древесно-пушицевый и сфагновый). Болото находится на мезотрофной стадии развития. Торф набит углем, что было отмечено не только при полевом описании кернов, но и в ходе ботанического анализа торфа. Значения потерь при прокаливании резко возрастают в придонных слоях торфа и на глубине 130 см превышают 80%. ППП характеризуются высокой вариабельностью по глубине торфяной залежи и изменяются в диапазон от 79.0 до 99.5%. Снижение доли органического вещества в торфе выявлено на глубинах около 80 см и 30-35 см. Неоднородность значений ППП может быть связано с частыми торфяными пожарами. Среднее значение содержания углерода 46.9%. Содержание Сорг возрастает в придонном горизонте торфяной залежи параллельно значениям ППП. В интервале глубин между 130 и 60 см (осоково-тростниковый и пушицевый торфа) содержание углерода стабильно высокое и составляет от 49.9 до 52.6%. Содержание азота в образцах варьирует в пределах 0.76-2.17%, составляя в среднем 1.48%. Наибольшие значения содержания N и сниженное соотношение С:N отмечены в осоково-тростниковом торфе на глубине 130-90 см. Содержание азота колеблется в пределах 1.2-1.9%. В пушицевом и древесно-пушицевом торфе на глубинах от 90 до 60 см содержание азота постепенно снижается до 0.9% и соотношение С:N возрастает. Начиная с глубины 60 см вверх по разрезу содержание Сорг направленно снижается, при этом на глубине 60-30 см (пушицевый и древесно-пушицевый торфа) выявлены колебания значений Сорг от 45 до 50%, на глубинах выше 30 см (пушицево-сфагновые и сфагновые торфа) значения Сорг находится в диапазоне 40-45%, за исключением резкого минимума до 22.5% на глубине 16 см (пушицево-сфагновый торф). В этой же части торфяной залежи, начиная с глубины 60 см, выявлены периодические пилообразные колебания содержания азота, кода его высокие значения (до 1.8%) в 2-3 образцах (5-7 см) сменяются экстремально низкими значениями (до 0.7%), что указывает на резкие смены условий минерального питания болотной экосистемы. Как показали полевые описания и анализ ботанического состава торфа, для слоев торфа, залегающих выше 60 см, характерно большое количество включений фрагментов угольков и угольных прослоев в торфе. Возможно, при торфяных пожарах, происходила, как утрата части органического углерода, так и изменения трофности местообитаний после выгорания торфа. Суммарный запас углерода в болоте составил около 183.99 тонн. Скорость накопления углерода изменялась от 4.9 г С/м2 в год на нижней границе торфа до 22.6 г С/м2 в год на глубине 25 см, при среднем значении 9.2 г С/м2 в год. Значения CAR гораздо ниже, чем в болоте Алексеево, но близки к таковым в болоте Жегаловское (Мордовский заповедник), которое также часто подвергалось пожарам в течение голоцена. Результаты статистического анализа выявили сходные закономерности, с полученными нами при анализе торфяной залежи болота Алексеево. Значения CAR достоверно положительно коррелируют с количеством древесных остатков, С:N и степенью гумификации. Отрицательная связь CAR выявлена с содержанием остатков осок и сфагновых мхов. Результаты многомерной статистики (РСА) также во многом повторяют характеристику залежи болота Алексеево. 4. Мезотрофное болото Мостовое расположено на окраине дер. Лесуново (другое название этого болота – Лесуново) на высокой пойме реки Гусь. Площадь болота 4.8 га. Торфяная залежь (мощностью 120 см) подстилается оторфованными старичными отложениями. Начало торфонакопления – около 8950 кал. л.н. Торфяную залежь слагают осоковый, вахтовый, древесно-травяной, древесный (березовый), пушицевый и сфагновый виды торфа. Значения ППП резко возрастают на глубине 120-115 см до 80% и до глубины 60 см находятся в диапазоне 80-94%. Выше по разрезу содержание органического вещества снижается, достигая минимума на глубине 36 см (до 60%). В верхнем горизонте сфагнового торфа ППП возрастают до 95-98%. Расчеты скорости накопления углерода показали, что за исключением верхних 36 см, скорость накопления углерода изменялась в диапазоне примерно от 10 до 40 г С/м2 в год. Увеличение CAR (до 80 г С/м2 в год) выявлено на глубинах 36-16 см. В этом же интервале отмечено сокращение ППП. В самом верхнем слое сфагнового торфа значения CAR снизились до 12-15 г С/м2 в год. 5. Анализ распределения скорости накопления углерода и азота по глубинам торфяных залежей болот Алексеево, Жегаловское и Лесуново по возрасту позволил выявить близкие закономерности их депонирования в голоцене. Для нижних горизонтов торфяных залежей болот, сформировавшихся в среднем и начале позднего голоцена (в течение временного интервала 8000–3500 кал. л.н.), были характерны относительно низкие скорости накопления углерода. В позднем голоцене установлен рост накопления углерода в болотах. Повышение значений CAR в обоих изученных болотах получено для интервала 3500–300 (400) кал. л.н.

Прикрепленные к НИР результаты

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".