Газовый режим низинных болот на моренных суглинках и песчаных подстилающих породах Западной Сибири

УДК 631.433

Газовый режим низинных болот на моренных суглинках и песчаных подстилающих породах Западной Сибири

Инишева Л. И., Сергеева М. А., Смирнов О. Н., Бурхович С. А.

Томский государственный педагогический университет Томск, Россия

inisheva@mail.ru margharita.sergeeva@yandex.ru agroecol@yandex.ru s.burhovich@mail.ru

В работе приведены результаты многолетнего мониторинга газового режима и эмиссии парниковых газов эвтрофных болот: Самара (подстилающие породы – илистая темно-серая гумусированная глина с содержанием раковин пресноводных моллюсков) и Таган (подстилающие породы – пески и супеси). В торфяной залежи болота Самара пределы концентрации газов были равны по СО2 0,9–1,8 ммоль/дм3, по СН4 – 0,23–0,29 ммоль/дм3, в болоте Таган – соответственно 0,12–1,2 и 0,02–0,33 ммоль/дм3. Эмиссия СО2 в торфяной залежи болота Самара изменялась в пределах от 22,0 до 260,3 мг СО2/(м2×час), потоки – 32,4–115,2 г С/(м2×год), эмиссия СН4 была равна в экстремальных величинах 2,8–9,7 мг СН4/(м2×час) и потоки 12,4–16,5 г С/(м2×год). В торфяной залежи болота Таган экстремальные значения эмиссии за многолетний период были по СО2 – 14,5–129,2 мг СО2/(м2×час) и потоки 52,4–77,3 г С/(м2×год); по СН4 соответственно 0,1–11,4 мг СН4/(м2×час) и потоки 3,5–4,9 г С/(м2×год). Исследования показали, что разные погодные условия не являются определяющим фактором динамики газового режима в торфяных залежах (ТЗ) эвтрофного генезиса. Значительная роль в его динамике принадлежит сочетанию погодных условий отдельных месяцев и последействием предыдущих погодных условий, стратиграфии залежи, свойства которой определяются, в том числе и составом подстилающих пород. В болоте Таган показатели газового режима и эмиссии характеризуются бо́льшим интервалом варьирования, а для метана характерны очень низкие минимальные значения. Это позволяет сделать вывод о лучшей разгрузке газов в ТЗ, подстилаемой грунтами

легкого механического состава. Приведены средние и экстремальные значения показателей газового режима. Получены корреляционные связи эмиссии СО2 и СН4 с другими режимами в ТЗ.

Ключевые слова: газовый режим, эмиссия, диоксид углерода, метан, эвтрофные болота, Западная Сибирь.

ВВЕДЕНИЕ

Известно (Bridges, Batjes, 1996; Васильев, 2000), что участие болот в увеличении парниковых газов в атмосфере выглядит довольно скромно. Они компенсируют лишь 1,8–5 % глобального прироста СО2 в атмосфере, для России этот показатель составляет 0,6 %. Вместе с тем количественные аспекты динамики газового состава в болотах и эмиссии парниковых газов остаются мало исследованными, несмотря на огромные площади, занимаемые на территории Сибири. Торфяная залежь (ТЗ) является одним из самых сложных объектов по изменчивости свойств в пространстве и по глубине. Так, для болотных экосистем олиготрофного типа плотность сложения изменяется в пределах 0,02–0,06 г/см3 в самой верхней части (очес) до 0,10–0,15 г/см3 в глубине ТЗ, как вследствие увеличения давления вышележащих слоев, так и в связи с процессами торфообразования, сопровождаемыми миграцией элементов от подстилающих пород. В результате этих процессов в профиле ТЗ формируется самостоятельная газовая фаза, обусловленная в том числе и кинетическими особенностями биохимических процессов каждого слоя ТЗ. Скорость биогенной газогенерации обычно выше, чем интенсивность потенциальной диффузии в жидкой среде, поэтому создаются условия локального превышения порога растворимости газов и их скопления в виде самостоятельной физической фазы (Glagolev et al., 2001). До половины генерируемых газов и более может уходить вглубь ТЗ и депонироваться в ней в составе сплошной воздушной фазы, а также в растворенном и адсорбированном виде (Смагин, 2005). Эти процессы в большой степени зависят от климата и литологического состава

ISSN 2414-4738 Published by V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol

подстилающих пород (Кузнецова и др., 2020). Основное количество зольных элементов в торфах накапливается на исходном этапе торфообразования, когда их источником служат минеральные подстилающие породы. Так происходит перераспределение элементов по профилю ТЗ с постепенным снижением их концентрации ближе к поверхности. Этот процесс назван биогенной формой миграции элементов и описан В. К. Бахновым (1986). Поэтому изучение динамики газового режима ТЗ болот и эмиссии парниковых газов на протяжении длительного периода на разных по литологическому составу подстилающих породах актуально, так как позволяет прогнозировать развитие болотообразовательного процесса и контролировать образование парниковых газов.

Целью данной работы было изучение динамики газового режима и формирование эмиссии парниковых газов в эвтрофных болотах южно-таежной зоны Западной Сибири, сформировавшихся на разных подстилающих породах в многолетнем цикле погодных условий.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на эвтрофных болотах Самара (56°57′ с. ш., 82°29′ в. д.) и Таган (56°21′ с. ш., 84°47′ в. д.). Эвтрофное болото Самара площадью около 400 га расположено на первой надпойменной террасе реки Бакчар и является частью сложной болотной системы, протянувшейся более чем на 20 км вдоль уступа второй надпойменной террасы по левому берегу реки Бакчар. Согласно И. В. Курьиной с соавторами (2016) его возраст – 7620±130 14С лет BP (Before Present). Образование болота шло путем заболачивания суши в присклоновой части террасной котловины по топяному типу. Торфяная залежь мощностью 300 cм сложена до глубины 125 см послойно травяным и осоковым торфом (на глубине 75–100 см – вахтовым торфом), далее до подстилающей породы – травяно-гипновыми торфами. Торфяная залежь характеризуется степенью разложения 15–30 % и зольностью 8–15 %. Подстилающие породы представлены илистой темно-серой гумусированной глиной, содержащей раковины пресноводных моллюсков.

Болото Таган имеет площадь 4068 га, занимает левобережную террасу реки Томи и подстилается песками и супесями. Возраст ТЗ – 5465±140 14С лет BP (СО РАН–7646). Образование болота шло путем заболачивания ложбины древнего стока по лесотопяному типу с преобладанием травяных и древесно-травяных видов торфа. Торфяная залежь мощностью 300 cм сложена до глубины 125 см травяным и осоковым торфом (на глубине 75– 100 см вахтовым торфом), далее до глубины 225 см послойно древесно-травяным, осоковым, древесным торфами. На глубине 225–250 см торф представлен папоротниковым видом и ближе к подстилающим породам – древесным и древесно-травяным видами торфов. Степень разложения по торфяному профилю 25–35 % с увеличением до 50 % к подстилающим породам и зольностью 6–12 %.

На болоте Самара исследования проводились с 2001 по 2007 годы, на болоте Таган – с 2009 по 2013 годы. Исходные данные по метеоусловиям получены в интернете – http://meteocenter.net/ (2000–2012 годы) и http://aisori–m.meteo.ru/ (2013 год). При характеристике погодных условий использовали показатель – гидротермический коэффициент (ГТК) по Г. Т. Селянинову, представляющему отношение суммы осадков за период с температурой выше 10 °С к испаряемости, выраженной суммой температур за этот же период уменьшенной в 10 раз. Репрезентативность этого показателя для характеристики погодных условий обоснована в работах М. И. Будыко (1974). Наблюдения за уровнями болотных вод (УБВ) проводили в специально оборудованных колодцах в каждом пункте в соответствии с Наставлением гидрометеорологическим станциям и постам (1990) с периодичностью раз в неделю. За нулевую отметку принята условная отметка средней поверхности болотного ландшафта. За среднюю поверхность болота принимали поверхность, соответствующую отметке средней высоты элементов микрорельефа (Методические указания…, 2011), положение уровня определяли как разность отметок репера и зеркала болотных вод. Для изучения водного режима отбирались пробы торфа до глубины УБВ

еженедельно в 5-ти повторностях. Влажность определяли весовым методом согласно ГОСТ 11305-83. Датирование ТЗ выполнено на радиоуглеродной установке QUANTULUS-1220 (бензольно-сцинтилляционный вариант) в лаборатории геологии и палеоклиматологии кайнозоя Института геологии и минералогии СО РАН. Газовый режим в ТЗ изучали

«peepers»-методом (Steinmann, Shotyk, 1996), который подробно описан в монографии Л.И. Инишевой (Инишева, 2020). Для измерения эмиссии СО2 и СН4 использовался абсорбционный (Макаров, 1977) и камерный метод (Глаголев и др., 2010) с определением газового состава на хроматографе «Кристалл–5000.1». Все лабораторные анализы проводились в аккредитованной лаборатории Томского государственного педагогического университета (РОСС RU.0001.516054). Статистическая обработка результатов анализа осуществлялась в пакете Miсrosoft Office 6.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Известно, что в эвтрофных болотах опад минерализуется не менее чем на 60 %. Таким образом, процесс трансформации органического вещества в ТЗ таких болот проходит с большой интенсивностью, несмотря на переувлажненное их состояние. Это объясняется также высокой зольностью торфов и соответственно богатством подвижных элементов питания для проявления активности микробиологического сообщества. Этому благоприятствует и плотность сложения эвтрофной ТЗ.

Болото Самара. Концентрация газов в ТЗ. В период исследования вошли 3 года среднемноголетних (2001, 2002 и 2007 годы с ГТК, соответственно 1,3, 1,4 и 1,3), 2 года

влажных (2004 и 2005 годы с ГТК 1,6 и 1,8) и 2 года сухих (2003 и 2006 годы с ГТК 0,8 и 0,9). Весенний максимум УБВ отмечался во все годы исследований. И только в 2002 году (ГТК 1,4) наблюдался второй пик подъема УБВ и в конце сентября. Динамика УБВ характеризовалась монотонным снижением на протяжении теплого периода к сентябрю (рис. 1). За период исследования низкие УБВ отмечались в 2003 году (ГТК 0,8).

D:\СТАТЬИ\2023\Экосистемы\Редакторские правки\Рисунки\Рис. 1.tif

Рис. 1. Уровень болотных вод в репрезентативные по погодным условиям годы (болото Самара)

В остальные годы динамика УБВ были похожей. В результате влажность в поверхностном слое ТЗ до глубины 20–30 см колебалась в пределах 0,8–1,0 полной влагоемкости (ПВ).

При таких погодных условиях концентрации СО2 и СН4 в экстремальных значениях изменялись в ТЗ соответственно в пределах0,04–1,44 ммоль/дм3 и 0,01–0,46 ммоль/дм3. Рассмотрим динамику концентрации СО2 и СН4 в ТЗ на примере 3-х лет: влажный (2005 год), сухой (2006 год) и среднемноголетний (2007 год). Концентрация СО2 в среднем по ТЗ за все годы изменялась в пределах 0,9–1,8 ммоль/дм3, концентрация СН4 от 0,23 до 0,29 ммоль/дм3 (рис. 2).

D:\СТАТЬИ\2023\Экосистемы\Редакторские правки\Рисунки\Рис. 2.tif

Рис. 2. Динамика концентрации CO2 (a) и CH4 (b) (болото Самара)

Предполагалось, что в эвтрофном болоте Самара, характеризующемся довольно равномерной стратиграфией залежи, процессы образования СО2 и СН4 по профилю ТЗ будут характеризоваться монотонным характером распределения. Однако это предположение оказалось справедливым только по отношению к СН4. В мае влажного года была зарегистрирована наиболее низкая концентрация СН4 в среднем по профилю за все годы исследований, в теплом июле и сентябре его концентрация также существенно не

увеличилась. Более высокие значения концентрации наблюдались в сухой и среднемноголетний годы. Возможно невысокие концентрации СН4 и наличие свободных от воды пор в профиле залежи, которые заполнялись СН4 определили частичную независимость распределения газов от погодных условий.

Концентрация СО2 в среднем по ТЗ характеризовалась более контрастными значениями. Так в мае во влажный год при низких температурах и наличии мерзлой прослойки концентрация СО2 была самой низкой, а в сухой и среднемноголетний годы его концентрация в этот месяц увеличивалась в 1,8 раза. Однако в июле ситуация изменилась на противоположную: в сухой и среднемноголетний год концентрация СО2 уменьшилась. Нестабильность динамики концентраций СО2 по годам явно свидетельствует о наличии и других влияющих факторов, кроме погодных условий.

Обратимся к образованию СО2 и СН4 в профиле ТЗ на примере других контрастных лет (2005 год, ГТК 1,8 и 2006 год, ГТК 0,9) (рис. 3). Концентрация СО2 за все месяцы 2-х лет равномерно увеличивалась вниз по ТЗ до подстилающих пород и только в мае 2005 года и сентябре 2006 года такая закономерность не прослеживалась. В эти же годы динамика СН4 по профилю ТЗ характеризовалась увеличением концентрации вниз к подстилающей породе, но характер динамики по профилю был пульсирующим. Таким образом, концентрация парниковых газов в ТЗ изменялась в небольших пределах, а их динамика в разные по метеоусловиям годы и месяцы имела неустойчивый режим, но с общим трендом в сторону увеличения к подстилающей породе. Можно предположить, что отмечаемые зависимости все же подтверждают точку зрения о наличии зависимости концентрации СО2 и СН4 в ТЗ от погодных условий отдельных месяцев или их сочетаний за теплый период.

D:\СТАТЬИ\2023\Экосистемы\Рисунки для экосистемы 2\Рис. 3.tif

Рис. 3. Динамика концентрации CO2 (a) и CH4 (b) в торфяной залежи болота Самара за теплые периоды 2005 и 2006 годов

Эмиссия и поток парниковых газов. Рассматривая динамику эмиссии СО2 из болота Самара, можно отметить, что их экстремальные значения отличались широким интервалом варьирования 22,0–260,3 мг СО2/(м2×час). В мае из 6 лет в условиях близкого залегания УБВ, выделение СО2 из ТЗ характеризовалось небольшими величинами экстремальных значений – 22,0–65,9 мг СО2/(м2×час) (табл. 1). Высокие значения эмиссии можно было наблюдать в июне – июле и в отдельные годы – в августе (118,0 и 260,3 мг СО2/(м2×час)). Согласно средним значениям за теплый период высокая эмиссия была в сухой год 128,6 мг СО2/(м2×час) (ГТК 0,8), а также во влажный 100,7 мг СО2/(м2×час) (ГТК 1,8). Если провести сравнение эмиссии СО2 в ТЗ в годы с аналогичным или близкими ГТК (например, 2000 и 2004 годы), то её значения оказались близкими 83,3 и 85,9 мг СО2/(м2×час) как в сухой, так и во влажный год.

Таблица 1

Динамика эмиссии диоксида углерода (болото Самара)

Месяц

ГТК/Год

Май Июнь Июль Август Сентябрь Среднее значение Суммарный поток,

г С/(м2×год)

мг СО2/(м2×час)
0,8/ 2000 65,9 114,9 112,9 90,8 32,1 83,3±30,5 73,9
1,3/ 2001 51,6* 45,4 115,4 118,0 38,8 73,8±34,5 65,3
0,8/ 2003 37,3 104,6 134,5 260,3 106,3 128,6±71,7 115,2
1,6/ 2004 32,2* 57,2 182,5 91,6 66,0 85,9±50,9 76,5
1,8/ 2005 27,1* 109,9 197,9 65,9 102,6 100,7±55,7 88,1
1,3/ 2007 22,0 38,0 60,0* 34,1 36,2 38,1±12,1 32,4

Примечание к таблице. * – рассчитанные значения. После среднего значения указан доверительный интервал.

Суммарный поток СО2 в разные по погодным условиям годы изменялся от 32,4 до 115,2 г С/(м2×год) со средним значением за годы исследований – 75,2 г С/(м2×год). Наибольший суммарный поток углерода в виде СО2 был отмечен в сухой 2003 год – 115,2 г С/(м2×год), во влажный год его величина была меньше в 1,3 раза.

Экстремальные значения эмиссии СН4 на болоте Самара характеризовались пределами варьирования от 2,8 до 9,7 мг СН4/(м2×час) с наибольшей средней эмиссией за теплый период в сухой 2006 год – 7,3 мг СН4/(м2×час) (табл. 2). Во влажный год этот показатель уменьшился до значений 6,4 и 5,5 мг СН4/(м2×час), а в среднемноголетний год эмиссия СН4 была равна 5,8 мг СН4/(м2×час). То есть по средним показателям за теплый период величина эмиссии СН4 в разные годы практически была одинаковой, но различалась по месяцам. В сухой год высокие значения эмиссии СН4 были в мае – июле и как выше уже отмечалось, эти значения были самыми высокими. Влажные годы совпали по высоким значениям эмиссии в июле – августе, а май, июнь и сентябрь имели разную направленность.

Суммарный поток метана за период исследования составил в экстремальных значениях 12,4–16,5 г С/(м2×год), что свидетельствует о близких величинах эмиссии независимо от ГТК года.

Болото Таган. Концентрация газов в ТЗ. Исследования на болоте Таган проводили с 2009 по 2013 годы, из которых выделялись относительно сухие годы (2010, 2012 и 2013 годы, ГТК соответственно был равен 0,9, 1,1 и 1,0), среднемноголетний год (2011 год, ГТК 1,4) и влажный год (2009 год, ГТК 1,8). На рисунке 4 приведены значения УБВ за отдельные годы исследований, характеризующие их динамику в разные по погодным условиям теплые периоды.

Анализ наблюдений за УБВ на болоте показал, что в весенний и иногда в летний период уровень поднимается выше поверхности понижений и это создает переувлажненность ТЗ. В разные годы по ГТК влажность в слое 0–50 см за летний период не снижалась за предел 0,7

ПВ, а во влажные годы длительное время находилась на уровне ПВ. Но подстилающие породы легкого механического состава обеспечивали хороший водообмен в торфяном профиле. Эти условия определили возможность формирования в ТЗ однородного по ботаническому составу торфа, со свойствами, отличными от ТЗ на глинистых подстилающих породах болота Самара. Поэтому стратиграфия болота Таган сформировалась торфами древесно-травяного и древесного видов.

Таблица 2

Динамика эмиссии метана, (болото Самара)

Месяц

ГТК/год

Май Июнь Июль Август Сентябрь Среднее значение Суммарный поток,

г С/м2×год

мг СН4/(м2×час)
1,6/ 2004 4,6 2,8 6,1 8,2 6,0 5,5±1,8 12,4
1,8/ 2005 6,1 8,7 7,2 6,3 3,8 6,4±1,6 15,0
0,9/ 2006 7,3 8,4 9,7 5,1 6,1 7,3±1,8 16,5
1,3/ 2007 6,4 5,5* 4,6 5,6* 6,7 5,8±0,7 12,8

Примечание к таблице. * – рассчитанные значения. После среднего значения указан доверительный интервал.

Рис. 4. Динамика уровня болотных вод на болоте Таган в сухой (2011), влажный (2009) и среднемноголетний (2013) годы

Рассмотрим концентрацию СО2 в средних значениях по глубине ТЗ за 5 лет с 2009 по 2013 годы (рис. 5). Пределы изменения концентрации СО2 в среднем по ТЗ за весь период были равны 0,12–1,2 ммоль/дм3.

Рис. 5. Динамика концентрации СО2 на протяжении теплого периода года за ряд лет (болото Таган)

В поверхностном слое ТЗ в мае 2012 и 2013 годов концентрации СО2 были практически одинаковы, не реагируя на разные погодные условия. На глубине 100 см в мае 2012 года отмечалось увеличение СО2 в 1,6 раза (в 2013 году произошло небольшое снижение до глубины 150 см). К подстилающей породе динамика имела противоположный характер – снижение в 2 раза в 2012 году по сравнению с поверхностным слоем и увеличение в 1,7 раза в 2013 году. В июле 2012 и 2013 годов концентрация СО2 от 0,02 и 0,01 ммоль/дм3) увеличивалась до глубины 100–150 см соответственно до 0,4 и 0,28 ммоль/дм3 с последующим небольшим её снижением. Отметим также, что в 2013 году в сентябре динамика СО2 с концентрации 0,12 ммоль/дм3 у поверхности достигла высоких значений концентрации – 0,76 ммоль/дм3 к подстилающей породе. Из этого следует, что при похожих погодных условиях динамика концентрации СО2 на болоте Таган существенно различалась.

Обратимся к динамике концентрации метана в ТЗ и рассмотри средние по торфяной залежи значения (рис. 7). Пределы изменения концентрации СН4 в среднем по ТЗ за весь период были равны 0,02–0,33 ммоль/дм3.

Концентрация метана в 2009 и 2010 годах была низкой, несмотря на разность этих лет по ГТК (соответственно 1,8 и 0,9). В последующие 3 года концентрация метана изменялась в более широком интервале значений 0,05–0,33 ммоль/дм3, с наибольшими значениями в июле и сентябре среднемноголетнего по ГТК 2011 года. Также важно отметить, что не совпали годы с наибольшей концентрацией СО2 и СН4 (по средним значениям в ТЗ). Если по отношению к СО2 это был 2009 год, то для СН4 – 2011 год.

Далее, как и выше по концентрации СО2, проанализируем динамику концентрации СН4 в ТЗ за 2012 и 2013 годы (рис. 8).

В поверхностном слое ТЗ метан в эти 2 года в мае и июле не был обнаружен, и только в сентябре в 2012 году было зафиксировано его значение – 0,04 ммоль/дм3. Концентрация СН4 на глубине 50 см в засушливом мае 2013 года увеличилась до 0,07 ммоль/дм3 и осталась на таком уровне вплоть до подстилающей породы. Концентрация СН4 в мае 2012 года (ГТК 1,0) увеличилась в слое 50 см до 0,18 ммоль/дм3, и далее продолжала возрастать до 0,30 ммоль/дм3 к подстилающей породе. Рассмотрим динамику концентрации СН4 по ТЗ в июле этих же лет. В июле профильное распределение СН4 в ТЗ до глубины 150 см характеризовалось разнонаправленным режимом. В самом поверхностном слое СН4 отсутствовал. Вниз по профилю ТЗ практически всегда происходило увеличение концентрации СН4, исключение составил сентябрь. На примере этих лет проявилась частичная зависимость концентрации СН4 от погодных условий отдельных месяцев.

C:\Users\Маргарита\Desktop\1.tif

Рис. 6. Динамика концентрации СО2 в торфяной залежи (болото Таган)

Рис. 7. Динамика концентрации СН4 на протяжении теплого периода года за ряд лет (болото Таган)

D:\СТАТЬИ\2023\Экосистемы\Рисунки для экосистемы 2\Рис. 8.tif

Рис. 8. Динамика концентрации СН4 в торфяной залежи (болото Таган)

Эмиссия и поток парниковых газов. Активность эмиссии парниковых газов из болота Таган изучали за два года – 2011 и 2012, последний год – более сухой (ГТК соответственно 1,4 и 1,1) (табл. 3).

Таблица 3

Динамика эмиссии СО2 (болото Таган)

Месяц

ГТК/год

Май Июнь Июль Август Сентябрь Суммарный поток,

г С/м2×год

мг СО2/(м2×час)
1,4/2011 73,8 64,6 102,0 56,1 89,1 77,3
1,1/2012 72,3 29,4 14,5 16,2 129,2 52,4

Эмиссия СО2 в ТЗ изменялась от 14,5 до 129,2 мг С/(м2×час), в то время как концентрация СО2 по профилю ТЗ в целом характеризовалась невысокими значениями. Поэтому можно предположить, что величина эмиссии СО2 из болота не определяется концентрацией СО2 в ТЗ. Отчасти это можно объяснить тем, что газы, образующиеся внутри залежи, могут распространяться в ней в различных направлениях, в том числе уходить вглубь и депонироваться в ней в составе сплошной воздушной фазы, а также в растворенном и адсорбированном виде (Смагин, 2007). По всей вероятности, влияние оказывают и другие

неучтенные факторы, например, микробиологические процессы. Например, рассчитанные матрицы корреляций эмиссии парниковых газов с показателями микробного сообщества в ТЗ показали связь эмиссии СО2 с длиной грибного мицелия на глубине 0–25, 25–50 и 100–125 см (r=0,80–0,96). А также с численностью спор грибов в слое 250–275 см (r=0,72).

В условиях 2012 года значения эмиссии СО2 из болота Таган были существенно ниже по сравнению с 2011 годом за исключением мая (когда они были одинаковыми) и сентября, в который отмечалось превышение эмиссии по сравнению с 2011 годом в 1,5 раза. Возможно выпадение осадков после сухого периода стимулировало протекание биохимических процессов в ТЗ, в результате которых величина эмиссии СО2 увеличилась до 129,2 мг С/(м2×час). В погодных условиях более влажного месяца активность эмиссии СО2 в ТЗ была выше, что особенно проявилось в июле. В сентябре также отмечались высокие значения эмиссии на фоне невысоких ГТК. В этот период температура воздуха понижалась, но благодаря высокой теплоемкости торфов в глубине залежи температура была выше, чем на поверхности. Проведенные наблюдения за эмиссией СО2 с болота Таган показали, что поток углерода в среднем за теплый период изменялся в пределах 52,4–77,3 г С/(м2×год).

Выше нами отмечалось, что концентрация СН4 в ТЗ болота Таган увеличивалась ближе к подстилающей породе. Причина повышенного биосинтеза СН4 на глубине заключалась во внешних условиях, а также в структуре ТЗ. Водно-физические свойства ТЗ в свою очередь зависят от структуры скелета растений-торфообразователей и резким ее изменением по глубине. В результате болота, подстилаемые разными минеральными породами, характеризуются и разным водным режимом на протяжении формирования ТЗ и, соответственно, разным ботаническим составом торфов, слагающих ТЗ. Подстилающие илистые глины на болоте Самара затрудняли водообмен с грунтовыми водами. Отсюда степень увлажнения ТЗ была высокой и сформировался топяной подтип залежи с наличием травяно-гипновых торфов. В то время как подстилающие породы легкого механического состава на болоте Таган обеспечили образование лесотопяного подтипа ТЗ с преобладанием древесно-травяных торфов. Эти свойства эвтрофных болот оказали влияние на формирование в них газового режима. Благоприятные водно-физические свойства, менее кислая среда низинных торфов в придонном слое и высокая степень деструкции их ОВ способствовали активному проявлению метаногенеза. В результате в профиле залежи возникали условия, при которых выделение СН4 характеризовалось разной интенсивностью эмиссии или даже отмечалось его поглощение. Динамику эмиссии СН4 рассмотрим в те же годы, что выше для эмиссии СО2 (табл. 4).

Таблица 4

Динамика эмиссии СН4, (болото Таган)

Месяц

ГТК/год

Май Июнь Июль Август Сентябрь Суммарный поток, г С/м2×год
мг СH4/(м2×час)
1,4/2011 5,1 4,7 4,2 2,0 1,6 3,5
1,1/2012 11,4 5,9 0,1 5,9 0,9 4,9

Пределы изменения эмиссии СН4 в ТЗ были равны 0,1–11,4 мг С/(м2×час) за 2 года. В более влажный год больше выделялось СН4 в мае – июле (ГТК соответственно 1,1, 0,8 и 3,5), а в более сухой 2012 год по его динамике особо выделялся май (эмиссия СН4 в 2 раза превышала значение эмиссии в 2011 году при ГТК 1,0), июнь и август (ГТК соответственно 0,5 и 1,6). И практически эмиссия СН4 отсутствовала в июле (ГТК 0,4) и была небольшой – в сентябре при ГТК 2,2. Таким образом, эмиссия СН4 в болоте была чаще небольшой (до 10 мг С/(м2×час) и потоки СН4 за период исследования изменялись в среднем в пределах от

3,5 до 4,9 г С/(м2×год). Близкие значения эмиссии СН4 в эвтрофных болотах были получены и другими авторами (Svensson, Rosswall, 1984; Aselman, Crutsen, 1989; Паников и др., 1993).

Нашими исследованиями ранее (Инишева, 2020) было показано, что образование парниковых газов контролируется микробным сообществом, что и явилось причиной проявляющихся связей между концентрацией СН4 в ТЗ болота Таган и его эмиссией (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость эмиссии метана от его концентрации в торфяной залежи (болото Таган)

Таким образом, проведенный анализ по динамике парниковых газов и их эмиссии в эвтрофном болоте Таган показал, что в разные по погодным условиям годы в ТЗ формировалась невысокая концентрация газов СО2 и СН4. Эмиссия парниковых газов, рассмотренная в динамике многолетних периодов, различных по погодным условиям, характеризовалась невысокими значениями, не превышающими аналогичные показатели других исследователей, выполненные часто при разовых измерениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За многолетний период, в которые входили годы с разными погодными условиями, определены концентрации газов и эмиссия парниковых газов эвтрофных болот Таган (подстилающие породы — пески и супеси) и Самара (подстилающие породы — илистая темно- серая гумусированная глина с содержанием раковин пресноводных моллюсков). Показано, что значительная роль в динамике газового режима принадлежит стратиграфии торфяной залежи, сформированной биогенным формой миграции элементов от подстилающих пород, а также погодным условиям отдельных месяцев, и последействием предыдущих погодных условий. Важно отметить тот факт, что в экстремальных значениях размах варьирования большинства показателей газового режима меньше, но одновременно выше в количественном

отношении в ТЗ болота Самара. В болоте Таган эти показатели характеризуются бо́льшим интервалом варьирования, а для метана характерны очень низкие минимальные значения. Это

позволяет сделать вывод о лучшей разгрузке газов в ТЗ, подстилаемой грунтами легкого механического состава.

Так в торфяной залежи болота Самара пределы концентрации газов были равны по СО2 0,9–1,8 ммоль/дм3, по СН4 – 0,23–0,29 ммоль/дм3, в болоте Таган – соответственно 0,12–1,2 и 0,02–0,33 ммоль/дм3. Эмиссия СО2 в торфяной залежи болота Самара изменялась в пределах от 22,0 до 260,3 мг СО2/(м2×час), потоки – 32,4–115,2 г С/(м2×год), эмиссия СН4 была равна в экстремальных величинах 2,8–9,7 мг СН4/(м2×час) и потоки 12,4–16,5 г С/(м2×год). В торфяной залежи болота Таган экстремальные значения эмиссии за многолетний период были по СО2 – 14,5–129,2 мг СО2/(м2×час) и потоки 52,4–77,3 г С/(м2×год); по СН4 соответственно 0,1–11,4 мг СН4/(м2×час) и потоки 3,5–4,9 г С/(м2×год).

Проведенные исследования показали, что разные погодные условия лет исследования не

являются определяющим фактором динамики газового режима в ТЗ эвтрофного генезиса. Значительная роль в его динамике принадлежит сочетанию погодных условий отдельных месяцев, стратиграфии залежи, свойства которой определяются, в том числе и составом подстилающих пород.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки (госзадание ТГПУ № 5.7004.2017/БЧ).

Список литературы

Бахнов В. К. Биогеохимические аспекты болотообразовательного процесса. – Новосибирск: Наука, 1986. – 193 с.

Будыко М. И. Изменения климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – 280 с.

Васильев С. В. Скорость торфонакопления в Западной Сибири // Динамика болотных экосистем Северной Евразии в голоцене. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2000. – С. 56–59.

Глаголев М. В., Сабреков А. Ф., Казанцев В. С. Физико-химия и биология торфа. Измерение газообмена на границе почва – атмосфера. – Томск: ТГПУ, 2010. – 96 с.

Инишева Л. И. Закономерности функционирования болотных экосистем в условиях воздействия природных и антропогенных факторов. – Томск: Издательство ТГПУ, 2020. – 482 с.

Кузнецова А. И., Лукина Н. В., Горновa А. В., Горнова М. В., Тихонова Е. В., Смирновa В. Э., Данилова М. А., Тебенькова Д. Н., Браславская Т. Ю., Кузнецов В. А., Ткаченко Ю. Н., Геникова Н. В. Запасы углерода в песчаных почвах сосновых лесов на западе России // Почвоведение. – 2020. – № 8. – С. 959–969.

Курьина И. В., Веретенникова Е. Э., Ильина А. А. Отражение климатических изменений в голоцене в свойствах торфяной залежи низинного болота на юге Западной Сибири по данным комплексного палеоэкологического исследования. Материалы Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «Enviromis» 2016. – Томск: ИМКЭС СО РАН, 2016.

– С. 161–163.

Макаров Б. Н. Методы изучения газового режима почв // Методы стационарного изучения почв. – М.: Наука, 1977. – С. 55–87.

Методические указания по расчетам стока с неосушенных и осушенных болот. – Санкт-Петербург: Петербургский модный базар, 2011. – 150 с.

Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – Вып. 8. – 360 с. Паников Н. С., Титлянова А. А., Палеева М. В., Семенов А. М., Миронычева-Токарева Н. П., Макаров В. П.,

Дубинин Е. В., Ефремов С. П. Эмиссия метана из болот юга Западной Сибири // Доклады академии наук. – 1993. – Т. 330, № 3. – С. 388–390.

Смагин А. В. Газовая функция почв. – М.: Изд-во МГУ им. Ломоносова, 2005. – 301 с.

Смагин А. В. Почвенно-гидрофизическое обеспечение исследований газовой функции западносибирских болот в связи с проблемой парникового эффекта // Экологический Вестник Северного Кавказа. – 2007. – Т. 3. –

№ 3. – С. 46 –58.

Aselman I., Crutsen P. J. Freshwater wetlands and rice paddies, their net primary productivi-ty, seasonality and possible methane emission // Journal of Atmospheric Chemistry. – 1989. – N 8. – P. 307–315.

Bridges E. M., Batjes N. H. Soil gaseous emissions and global climate change // Geography. – 1996. – 81 (2). – P. 155–169.

Glagolev M. V., Smagin A. V., Lebedev V. S., Shnyrev N. A., Nozhevnikova A. N. Generarion, mass-transfer and transformation of methane in peatland (on example of Bacharskoe wetland) // International Field Symposium West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: past and present. – Noyabrsk, 2001. – Р. 79–81.

Steinmann Ph., Shotyk W. Sampling anoxic pore water in peatlands using »peepers» for in situ-filtration // Fresenius Journal of Aanalytical Chemistry. – 1996. – 354. – P. 709–713. https://doi.org/10.1007/s0021663540709

Svensson B. N., Rosswall T. In situ methane production from acid peat in plant: Communities with different moisture regime in subarctic mire // Oikos. – 1984. – Vol. 43. – P. 389–394.

Inisheva L. I., Sergeeva M. A., Smirnov O. N., Burchovich S. A. Gas regime of eutrophic bogs on moraine loam and sandy bedrock of Western Siberia // Ekosistemy. 2022. Iss. 31. P. 20–33.

The paper presents the results of long-term monitoring of gas regime and greenhouse gas emissions of eutrophic bogs: Samara (bedrock – muddy dark gray humus clay with containing freshwater mollusk shells) and Tagan (the bedrock – sand and sandy loam). The limits of gas concentration were 0.9–1.8 mmol/dm3 for CO2 and 0.23–0.29 mmol/dm3 for CH4 in the Samara peat deposit and 0.12–1.2 and 0.02–0.33 mmol/dm3, respectively, in the Tagan bog. In the peat deposit of the Samara bog, the emission of CO2 varied from 22.0 to 260.3 mg CO2/(m2×h) and the fluxes were 32.4–

115.2 g C/(m2×year), while the emission of CH4 was 2.8–9.7 mg CH4/(m2×h) and fluxes12.4–16.5 g C/(m2×year). In the peat deposit of the Tagan bog, the long-term emission extreme values for CO2 were 14.5–129.2 mg CO2/(m2×h) and fluxes 52.4–77.3 g C/(m2×year); for CH4, 0.1–11.4 mg CH4/(m2×h) and fluxes 3.5–4.9 g C/(m2×year), respectively. Studies have shown that different weather conditions are not a determining factor of the dynamics of the gas regime in eutrophic peat deposits. The combination of weather conditions in particular months together with consequences of previous weather conditions, the stratigraphy of the deposit, and composition of the basal rocks have a significant role in this process. In the Tagan bog, the gas regime and emission parameters are characterized by a large range of variation, and methane is supposed to have very low minimum values. The authors come to conclusion that the best discharge of gases is in the peat deposits, underlain by soils of light mechanical composition. The article gives average and extreme values of the gas regime parameters. Moreover, the research found the correlation of CO2 and CH4 emissions with other regimes in peat deposits.

Key words: gas regime, emission, carbon dioxide, methane, eutrophic bogs, Western Siberia.

Поступила в редакцию 15.08.22 Принята к печати 08.11.22