Введение к работе
Актуальность и основания для исследования. В настоящее время динамика содержания парниковых газов (СО2 и СН4) в атмосфере является одной из наиболее актуальных проблем экологии, поскольку наблюдается постоянное увеличение их концентрации в атмосфере. Одной из глобальных проблем исследования круговорота углерода является оценка баланса углерода в различных экосистемах, в том числе болотных, определение роли отдельных элементов в углеродном балансе на биосферном уровне. На долю торфяных болот приходится около 3,5% поверхности Земли, а мировые запасы торфа в углеродном эквиваленте составляют 120–455 млрд. т углерода. На территории Западной Сибири болотные экосистемы занимают почти 50% площади, и в них содержится около 36% общего пула почвенного углерода России (Вомперский, 1994,1999; Gorham, 1991; Бирюкова, Орлов, 1996; Ефремов и др., 1994, Титлянова и др. 1998).
В 60–70-х годах XX века в рамках международной биологической программы (МБП) разрабатывались фундаментальные проблемы структуры, функционирования и биологической продуктивности в различных регионах планеты, затронувшие все основные биомы, в том числе и болотные. Несмотря на это, до сих пор остаются нерешенные вопросы, так, например, слабо изучена подземная продукция, составляющая по разным оценкам от 40 до 90% (Aerts et al, 1992; Titlyanova et al, 1999). Практически не исследованы особенности продукции древесного яруса болотных экосистем (Храмов, Валуцкий, 1976; Козловская и др., 1978).
Основная масса углерода, связанного в органическом веществе (ОВ) торфа освобождается в аэробных условиях гетеротрофными организмами, образующими главный поток СО2, идущий с поверхности болот. В анаэробных условиях в результате разложения ОВ образуется метан. По некоторым оценкам 0,5–7% ежегодной первичной нетто-продукции болотного фитоценоза превращается в СН4 (Brown et al., 1989; Aselman, Crutzer, 1989 и др.).
Несмотря на значительно возросший интерес к изучению углеродного баланса биосферы, имеющиеся данные по круговороту углерода в болотных экосистемах, как правило, представляют оценки отдельных элементов углеродного баланса, что не позволяет провести достоверную оценку баланса углерода. Использование разных методов при оценке одних и тех же параметров, например, эмиссии СО2 и метана, также снижает точность оценок. Для выполнения региональных оценок не хватает достоверных данных по площадям и типам болотных экосистем. Современные методы оценки площадей болот с помощью космоснимков, выполняемые без сопровождения наземными маршрутными исследованиями также дают неверное представление о реальных площадях, занимаемых болотами и тем более о запасах углерода в болотных экосистемах. Проблема исследования углеродного баланса болот по-прежнему является весьма актуальной и, к сожалению, слабо изученной, особенно в условиях Западной Сибири, где степень заболоченности территории как указано выше, очень высока.
Основной целью работы является получение современных оценок баланса углерода болотных экосистем южно-таежной подзоны Западной Сибири, основанных на многолетних комплексных исследованиях основных потоков (биологической продуктивности, эмиссии парниковых газов) и запасов углерода.
Задачи исследования:
-
Изучить особенности продуктивности болотных экосистем олиготрофного и эвтрофного типов в нативных условиях и при антропогенном воздействии.
-
Исследовать влияние гидротермических условий на запасы биомассы и продукцию исследуемых болотных экосистем.
-
Выявить особенности трансформации растений-торфообразователей в нативных условиях торфяных залежей болот олиготрофного и эвтрофного типов, а также в условиях антропогенного воздействия.
-
Исследовать эмиссию углекислого газа с поверхности болотных экосистем олиготрофного и эвтрофного типов в нативном состоянии и при антропогенном влиянии.
-
Изучить влияние погодных и гидротермических условий на интенсивность выделения углекислого газа исследуемыми болотными экосистемами.
-
Оценить запасы и баланс углерода в болотных экосистемах олиготрофного и эвтрофного типов.
Научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследований. Впервые на основе непрерывных многолетних комплексных наблюдений на различных олиготрофных и эвтрофных типах болотных фитоценозов южнотаежной подзоны Западной Сибири получены устойчивые оценки биологической продукции и эмиссии СО2. Выполнена оценка продуктивности древесного яруса рямовых участков олиготрофных болот и показано, что их вклад в общую продукцию может достигать 50%.
Получены новые данные о влиянии осушения на чистую первичную продукцию (NPP), трансформацию растений-торфообразователей и эмиссию СО2 олиготрофных болотных экосистем. Осушение олиготрофных болотных экосистем приводит к увеличению NPP; способствует более интенсивной деструкции сфагновых мхов и наоборот замедляет скорость деструкции кустарничков и трав; эмиссия СО2 с поверхности олиготрофных болот в результате осушения увеличивается в 1,2–2 раза в зависимости от степени осушения.
Выявлены линейные зависимости между запасами фитомассы и чистой первичной продукцией, которые существенно упрощают методику проведения исследования биологической продуктивности.
Изучена роль гидротермических условий в формировании углеродного баланса исследуемых болот. Выявлено, что температура воздуха является основным фактором влияющим на интенсивность эмиссии СО2 на всех временных масштабах (часовом, суточном, месячном). Полученные уравнения экспоненциальной зависимости эмиссии СО2 от температуры воздуха позволяют более корректно оценить суммарный годовой поток СО2. Выявлено, что в зимний период основным лимитирующим фактором эмиссии СО2 является мощность аэробного слоя торфяной залежи, обусловленная глубиной промерзания.
Выполнены оценки запасов углерода в исследуемых болотных фитоценозах и скорости депонирования углерода в течение голоцена. Полученная скорость долговременного депонирования углерода в 1,5–2 раза выше полученных ранее оценок для болот Западной Сибири. Получены новые данные о современной скорости аккумуляции углерода (NEP – net ecosystem production) в основных типах болотных фитоценозов южно-таежной подзоны Западной Сибири: величина NEP в среднем составляет около 40% от NPP.
На основании маршрутных исследований и дешифрирования космоснимков выполнено картирование растительного покрова болот ключевых участков, которое позволяет оценить вклад исследуемых болот в региональный баланс углерода. Разработанная на территорию исследования классификация растительного покрова может использоваться при биогеоценологических исследованиях.
Выявленные взаимосвязи между климатическими характеристиками и потоками углерода (биологической продуктивностью и эмиссией СО2) на олиготрофных и эвтрофных болотных фитоценозах могут быть использованы при построении локальных моделей описывающих поведение потоков в зависимости от степени антропогенной нагрузки и изменения климато-экологических факторов.
Основные защищаемые положения
1. В течение вегетационного периода количество запасаемого углерода (в виде чистой первичной продукции) значительно превышает потери углерода при разложении опада растений-торфообразователей, как для отдельных видов (в 2–25 раз в зависимости от вида растений), так и для фитоценоза в целом (в 3–7 раз в зависимости от типа фитоценоза).
2. Доля зимней эмиссии СО2 в суммарном годовом потоке углекислого газа определяется гидрологическими условиями (уровнем болотных вод) болотных фитоценозов. На болотных фитоценозах с высокими уровнями болотных вод эмиссией в зимний период можно пренебречь, так как она составляет менее 2%. На участках с низкими уровнями болотных вод (глубже 15–20 см) вклад зимней эмиссии СО2 в годовой поток достигает 10–18%.
3. Наблюдаемые изменения климата за период исследования 1999–2009 не вызывают значимых изменений во временном ходе чистой первичной продукции, эмиссии СО2 и углеродного баланса, что свидетельствует об устойчивости болотных экосистем южно-таежной подзоны Западной Сибири.
4. Болотные экосистемы южно-таежной подзоны Западной Сибири являются стоком углерода из атмосферы, депонируя его как в виде торфа (51гС/м2 в год в среднем для исследуемых болот), так и в виде растительности (90 гС/м2 в год). Современное накопление углерода (NEP) болотными экосистемами составляет в среднем 40% от чистой первичной продукции, при этом основное связывание углерода происходит за счет аккумуляции его в виде растительности.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, были представлены автором лично или в соавторстве на Всероссийской конференции «Проблемы региональной экологии» (Томск, 2000); IV (Новосибирск, 2004) и VI (Петрозаводск, 2012) съездах Докучаевского общества почвоведов; VII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2000); International Field Symposium «West Siberian Peatlands and Carbon Cycle Past and Present» (Ноябрьск, 2001); VI–IX Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011); International symposium «Functions of Soils in the Geosphere-Biosphere Systems» (Москва, 2001); Ninth Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia in 2000 (Japan, Sapporo, 2000); Международных конференциях «ENVIROMIS» (Томск, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010; Иркутск, 2012); III–VI Международных симпозиумах «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск 2002, 2004, 2006, 2008); I–VII научных школах «Болота и биосфера» (Томск, 2002–2007, 2010); ХХVII пленуме геоморфологической комиссии РАН (Томск, 2003); 2-й Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2003); II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2003); 13th IBFRA Conference (Umea, Sweden, 2006); Третьей Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006); III Международной конференции «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии (Пущино, 2007); Международных конференциях EGU-2007, -2008, -2010, -2011 (Vienna, Austria, 2007, 2008, 2010, 2011); Международных конференциях CITES-2007, -2009, -2011 (Томск, 2007, 2011; Красноярск, 2009); II и III международных полевых симпозиумах «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее» (Ханты-Мансийск, 2007, 2011); 2nd International Symposium «Peatlands in the Global Carbon Cycle» (Прага, Чехия, 2009); Международной конференции «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование – 2009» (Красноярск, 2009); Международной конференции «Проблемы экологии: чтения памяти проф. М.М. Кожова» (Иркутск, 2010); Конференции «География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию профессора Н.И. Базилевич» (Пущино, 2010); VII Всероссийском симпозиуме «Контроль окружающей среды и климата» (Томск, 2010); IV Всероссийской конференции «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Международной конференции «Динамика геосистем и оптимизация природопользования» (Иркутск, 2010); Всероссийской конференции «Биосферные функции почвенного покрова» (Пущино, 2010); Третьей всероссийской конференции «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Барнаул, 2010); Второй Национальной конференции «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2011); Joint Meeting of Society of Wetland Scientists, WETPOL and Wetland Biogeochemistry Symposium (Прага, Чехия, 2011); International conference "Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions» (Красноярск, 2011); Российской конференции «Резервуары и потоки углерода в лесных и болотных экосистемах бореальной зоны» (Сыктывкар, 2011); Всероссийской конференции «Современные проблемы генезиса, географии и картографии почв» (Томск, 2011); 14th International Peat Congress (Стокгольм, Швеция, 2012).
Личный вклад соискателя. Диссертационная работа основывается на результатах многолетних исследований (1999–2010 гг.) проведенных автором в рамках плановых научно-исследовательских работ лаборатории физики климатических систем Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (ИМКЭС СО РАН). С 1999 года начаты мониторинговые наблюдения за элементами углеродного баланса болотных экосистем на территории стационара «Васюганье», Бакчарский район, Томская область (ИМКЭС СО РАН и Института сельского хозяйства и торфа СО РАСХН). С 2003 года и по настоящее время автор является руководителем группы мониторинговых наблюдений за потоками углерода на болотных экосистемах. За все годы работы по теме диссертации автор принимал непосредственное участие в планировании и организации полевых и лабораторных экспериментов, компьютерной обработке и анализе данных, обсуждении и публикации полученных результатов.
На разных этапах исследования проводились в рамках программ СО РАН и РАН: № VII.63.1.1 «Природно-климатические изменения и их исследования для Сибири в современных условиях глобального потепления и антропогенных воздействий» и № 16 «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы» (проект № 16.10); проекта «Исследование закономерностей изменения круговорота углерода в торфоболотных экосистемах при современных изменениях климата и антропогенной нагрузке» (госконтракт № 02.442.11.7476 в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002–2006 годы»); проектов РФФИ «Роль торфоболотных экосистем в смягчении последствий изменений климата» (2008–2010 гг.), «Динамика запасов углерода и других элементов в верховых болотах Западной Сибири» (2008–2010 гг.), интеграционных проектов СО РАН № 137 «Комплексный мониторинг Большого Васюганского болота: исследования современного состояния и процессов развития», № 138 «Сибирская геосферно-биосферная программа: интегрированные региональные исследования современных природно-климатических изменений», № 66 «Разработка научных и технологических основ мониторинга и моделирования природных процессов на территории Большого Васюганского болота».
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации и защищаемые положения отражены в 124 публикациях, среди которых 9 статей в сборниках и коллективных монографиях, 1 учебно-методическое пособие, 14 статей в рецензируемых журналах, в том числе 10 в журналах рекомендуемых ВАК, 98 работ в сборниках тезисов и материалов российских и международных конференций и симпозиумов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы, включающего 433 наименования, из которых 168 на иностранных языках. Работа изложена на 326 стр. машинописного текста, содержит 114 рисунков, 47 таблиц.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность заведующему лабораторией физики климатических систем ИМКЭС СО РАН д.ф.-м.н. И.И. Ипполитову за всестороннюю поддержку и помощь в организации экспедиционных исследований на стационаре «Васюганье». Автор приносит свою искреннюю благодарность своим коллегам к.ф.-м.н. Е. А. Дюкареву, к.ф.-м.н. С. В. Смирнову, к.б.н. Е. Э. Веретенниковой, к.г.н. Н. В. Поднебесных за помощь в сборе полевого материала и проведении измерений потоков СО2 и метана и метеорологических измерений. Автор благодарен д.б.н. А. Г. Дюкареву, к.б.н. Н. Н. Пологовой, к.б.н. Ю. И. Прейс за ценные консультации и конструктивные замечания.
