CC BY
18
УДК 502.7
DOI: 10.29003/m826.0514-7468.2018_41_4/410-416
ЭМИССИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА НА ТАЗОВСКОМ ПОЛУОСТРОВЕ
В.Н. Башкин, Р.В. Галиулин1
Статья посвящена in situ исследованию эмиссии диоксида углерода (CO2), как парникового газа, на Тазовском полуострове (Ямало-Ненецкий автономный округ) в условиях стандартного тундрового эксперимента, т. е. с использованием открытых сверху камер (ОСК), в которых температура приземного слоя воздуха повышается в среднем на 2-3°С по сравнению с контрольными площадками. В ОСК по сравнению с нормальной температурой контрольных площадок эмиссия CO2 возрастала и вела к потере углерода из системы «почва-растение». Повышение температуры в ОСК способствовало увеличению биомассы лишайников как доминирующего растительного компонента кустарничково-лишайниковой тундры. Дана оценка значимости этого процесса для восстановления нарушенных почв.
Ключевые слова: тундровые экосистемы, in situ исследование, эмиссия диоксида углерода, открытые сверху камеры, контрольные площадки.
Ссылка для цитирования: Башкин В.Н., Галиулин Р.В. Эмиссия диоксида углерода на Тазовском полуострове // Жизнь Земли. 2019. № 4. С. 410-416. DOI: 10.29003/m826.0514-7468.2018_41_4/410-416
Поступила 01.10.2019 / Принята к публикации 06.11.2019
CARBON DIOXIDE EMISSION IN THE TAZ PENINSULA
V.N. Bashkin1, Dr. Sci (Biol.), R.V. Galiulin2, Dr. Sci (Geogr.)
1 Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of RAS 2 Institute of Basic Biological Problems of RAS
Article is devoted to in situ research of carbon dioxide (CO2) emission as a greenhouse gas in the Taz peninsula (Yamalo-Nenets autonomous okrug) under standard tundra experiment conditions i.e. use the open-top chambers (OTC) in which temperature of a surface ground air layer is increased on average on 2-3°C in comparison with control sites. In OTC the CO2 emission increased and led to loss carbon from the «soil-plant» system in comparison with the normal temperature of control sites. The rise of temperature in OTC promoted biomass of lichens increasing as the dominating plant component of the dwarf shrub-lichen tundra. The assessment of the importance of this process for the restoration of disturbed soils is given.
Keywords: tundra ecosystems, in situ research, carbon dioxide emission, open-top chambers, control sites.
Введение. К парниковым газам относятся газообразные вещества, которые создают над Землей эффект парника, поглощая и удерживая в атмосфере излучаемое с земной поверхности избыточное тепло. Парниковыми газами, вносящими основной вклад в общий парниковый эффект, являются водяной пар (Н2О), диоксид
1 Башкин Владимир Николаевич - д.б.н., профессор, г.н.с. Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, vladimirbashkin@yandex.ru; Галиулин Рауф Валиевич -д.г.н., в.н.с. Института фундаментальных проблем биологии РАН ФГБУН ФИЦ ПНЦБИ РАН, rauf-galiulin@ rambler.ru.
410 Жизнь Земли 41(4) 2019 410-416
углерода (CO2), метан (СН4) и озон (O3) в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс [8]. Наибольший интерес для нас представляли CO2 и СН4 с долей вклада в общий парниковый эффект, соответственно, 9-26 и 4-9 % после водяного пара, доля вклада которого находится в пределах 36-72 %. Так, эмиссия CO2 и СН4 в атмосферу на Тазовском полуострове (68°09' с. ш., 76°02' в. д.), как в районе локализации объектов ООО «Газпром добыча Ямбург», может быть связана как с функционированием объектов газовой промышленности, так и тундровых экосистем (рис. 1).
В этих условиях эмиссия CO2 в атмосферу может происходить при:
1) горении природного газа при различных технологических процессах, связанных с работой компрессоров, газоперекачивающих агрегатов, газовых турбин и сжигании природного газа на газофакельных установках;
2) дыхании почвенных микроорганизмов и корней растений, где вклад, в частности, микробного дыхания в эмиссию CO2 из почвы в разных экосистемах значительно варьирует и составляет, по разным оценкам, от 10 до 90 % [5, 9]; кроме того, установлено, что соотношение вклада микроорганизмов и корней в эмиссию CO2 зависит от фотосинтетической активности растений и количества поступающего в почву органического материала [4].
Эмиссия в атмосферу другого парникового газа - СН4 может происходить при:
1) технологических продувках, связанных с добычей, переработкой, транспортировкой и распределением природного газа, а также утечками из технологического оборудования;
2) функционировании эвтрофных (низинных) болот, внутриболотных озёр и мерзлотных бугров, как типа болотных микроландшафтов [1].
Между тем, представляло особый интерес исследовать эмиссию CO2 в тундровых экосистемах в условиях происходящего в настоящее время усиления континентальности климата, характеризуемой большими годовыми колебаниями температуры воздуха, т. е. тёплым, но коротким летом и очень студёной и длительной зимой [3]. В условиях тёплого и короткого лета становится чрезвычайно важным подтвердить факт, что повышение эмиссии CO2 ведёт к возрастанию биомассы растений.
Цель этой работы состояла в in situ исследовании эмиссии CO2 в условиях Тазовского полуострова для практического обоснования возможности ускоренного восстановления плодородия техногенно нарушенных тундровых почв с помощью разработанной нами ранее инновационной биогеохимической технологии [3].
1 - Полуостров Ямал
2 - Тазовский полуостров
3 - Гыданский полуостров
4- Место проведения стандартного тундрового эксперимента
Рис. 1. Карта-схема Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий АО).
Fig. 1. The map-scheme of the Taz Peninsula (Yamalo-Nenets autonomous okrug): 1 - the Yamal Peninsula, 2 - the Taz peninsula, 3 - The Gydan Peninsula, 4 - the place of standard tundra experiment.
^^Seu¿uíí-
2019, том 41, № 4
Инновационная биогеохимическая технология восстановления плодородия нарушенных тундровых почв. Инновационная биогеохимическая технология восстановления плодородия нарушенных тундровых почв - это подход по регенерации в них прерванных биогеохимических циклов химических элементов на 3-х уровнях: микроорганизмов, низших беспозвоночных организмов и фитоценозов. Известно, что значение биоты (бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи) для почвы состоит не только в количестве поставляемой биомассы (за один год достигает 20-50 т/га), что сближается с наземной биомассой растений, а главным образом в той работе, которую они производят по минерализации органических остатков в почве, т. к. микроорганизмы, отмирая, высвобождают различные химические элементы, которые вступают в новые циклы биогеохимического круговорота. Что касается низших беспозвоночных организмов почвы (простейшие, черви, моллюски, тихоходки, членистоногие), то они являются также важнейшим фактором в циклах химических элементов, в перераспределении энергии, фотосинтетически связанной в фитомассе, в накоплении и возобновлении запасов почвенного гумуса и плодородии почв. И, наконец, роль фитоценозов (травянистых и лесных) заключается в том, что они являются основным механизмом фиксации солнечной энергии и образования фитомассы на суше с вовлечением в ткани растений углерода, воды и таких элементов-биофилов, как азот, фосфор, сера, кальций, магний, калий, кремний, железо и др.
Схема биогеохимической технологии восстановления плодородия нарушенных тундровых почв представлена на рис. 2.
Суть инновационной биогеохимической технологии рекультивации нарушенных тундровых почв состоит во внесении местного торфа в эти почвы с учётом их гранулометрического состава или полной влагоёмкости в зависимости от рельефа местности, посеве и выращивании на них смеси многолетних злаковых трав с использованием получаемого из местного торфа гумата калия, как стимулятора роста и развития этих растений. Со временем многолетние злаковые травы в ходе их произрастания вытесняются коренными для тундры мхами (Bryophyta) и лишайниками (Lichenes), в свою очередь являющимися одним из важных источников образования того же самого торфа. И поэтому важно было исследовать влияние повышения температуры надземного
слоя воздуха на рост и развитие коренных для тундры мхов и лишайников, как свидетельство полного восстановления плодородия нарушенных почв.
Метод in situ исследования эмиссии CO2 в стандартном тундровом эксперименте. In situ исследование влияния повышения температуры приземного слоя воздуха на эмиссию CO2 и биомассу различных тундровых растений проводили с помощью открытых сверху камер (ОСК) по стандарту Международного тундрового эксперимента (International Tundra Experiment) [2, 6, 7]. ОСК представляют собой прозрачные пластмассовые усеченные гексагональные пирамидальные сооружения, которые были 412
Рис. 2. Концептуальная модель инновационной биогеохимической технологии восстановления плодородия нарушенных тундровых почв.
Fig. 2. The conceptual model of innovative biogeochemical technology of disturbed tundra soil fertility restoration.
установлены на Тазовском полуострове на расстоянии примерно 5 км от вахтового поселка Ямбург (67°55' с. ш., 74°51' в. д.) (рис. 3).
Эти сооружения (в шести повторно-стях) накладывались на участок, где произрастали типичные для данной местности тундровые растения: высшие сосудистые растения (кустарничники листопадные, кустарничники вечнозеленые и осоки) и споровые растения (лишайники и зелёные мхи). Как оказалось, в ОСК средняя температура приземного слоя воздуха в среднем повышается на 2-3°С по сравнению с кон-
Рис. 3. Схематическое изображение ОСК в форме прозрачных пластмассовых усечённых гексагональных пирамидальных сооружений на исследуемом участке (вид сверху).
Fig. 3. The schematic image of the open-top chambers (OTCs) in the form of transparent plastic truncated hexagonal pyramidal structures on research site (at top view).
трольными площадками, что позволяет в
in situ условиях исследовать эффект повышения температуры на эмиссию CO2 и биомассу растений. Для исследования содержания CO2 в воздушной среде внутри ОСК и на контрольных площадках (т. е. вне ОСК) пробы воздуха отбирались в герметично закрывающиеся ёмкости, в которых содержание CO2 анализировали методом газовой хроматографии в in vitro условиях. Содержание углерода и азота в почве и биомассе растений определяли методом сухого сжигания в токе кислорода на элементарном анализаторе Elementar Vario EL III.
In situ исследование эмиссии CO2 и биомассы растений в стандартном тундровом эксперименте. Первоначально в течение суток была исследована динамика скорости эмиссии CO2 из ОСК и контрольных площадок. В представленных данных эмиссия CO2 (в среднем за 15 дней) была обусловлена дыханием почвенных микроорганизмов и корней растений за минусом абсорбции СО2 при фотосинтезе (рис. 4). В целом скорость эмиссии СО2 напрямую зависела от температуры, обусловленной поступающей солнечной радиацией. Однако, если на контрольных площадках динамика эмиссии СО2 была выражена в течение суток довольно слабо - варьирование в узких пределах от 0,02 до 0,04 ммоль/м2 в час, то в ОСК скорость эмиссии СО2 изменялась в среднем от 0,02 до 0,19 ммоль/м2 в час.
Максимум эмиссии СО2 наблюдался около 3 часов дня. К 8 часам вечера скорость эмиссии СО2 резко снижалась до 0,06-0,07 ммоль/м2 в час, однако всё же оставалась более высокой по сравнению с контрольными площадками. В вечерние и ночные часы (до 3 часов ночи) скорость эмиссии СО2 оставалась приблизительно на этом же уровне. С 3 часов ночи до 9 часов утра происходило постепенное снижение скорости эмис-
сии СО2 до значений, характерных для
Рис. 4. Динамика скорости эмиссии СО2 из контрольных площадок и ОСК в течение суток (средние данные за 15 дней).
Fig. 4. The rate dynamics of CO2 emission on the control sites and open-top chambers (OTCs) within 24 hours (average data for 15 days): I -control sites, II - open-top chambers (OTCs).
^^SetMUii-
2019, том 41, № 4
контрольных площадок. После этого наблюдалось резкое повышение скорости эмиссии СО2 с максимумом в 3 часа дня.
Рассчитанная за период наблюдения суммарная эмиссия СО2 позволяет сделать предварительный вывод о том, что несмотря на небольшое повышение среднесуточной температуры (на 2-3°С) в ОСК, скорость эмиссии СО2 возрастала в среднем за день в 6 раз по сравнению с контрольными площадками, и достигала величины почти 1 г С02/м2 в день (рис. 5).
Параллельные химические анализы почвы показали, что содержание углерода в горизонте аккумуляции почвенного органического вещества достоверно снизилось на 4,7 % в ОСК по сравнению с контрольными площадками, в то время как содержание азота повысилось, и общий эффект повышения температуры в ОСК на доступность почвенного азота был достоверным.
Тенденция изменения эмиссии СО2 в течение суток была схожей для ОСК и контрольных площадок (рис. 6). Чистый баланс СО2 в тундровой экосистеме, т. е. разница между его стоком и эмиссией, был положительным рано утром вместе с началом фотосинтеза, что означает наличие стока СО2 в систему «почва-растение».
В течение дня «дыхание» экосистемы доминировало над фотосинтезом, показывая отрицательные значения скорости обмена СО2, которые на графике означают чистую эмиссию СО2 в атмосферу. На контрольных площадках суточный баланс СО2 был близок к нулю, т. е. скорость фотосинтеза и интенсивность «дыхания» в исследуемый период были уравновешены. В среднем значения чистого баланса СО2 при максимальной освещённости были достоверно более низкими в ОСК, чем на контрольных площадках, что означает повышенную эмиссию СО2 в атмосферу из ОСК (рис. 7). Общие потери углерода из системы «почва-растение» были в 8 раз выше в ОСК по сравнению с контрольными площадками. Соответственно, «дыхание» экосистемы в ОСК возросло в 5 раз, а скорость фотосинтеза - в 3 раза.
Как будет показано далее, надземная биомасса некоторых тундровых растений в ОСК достоверно увеличилась после двух лет наблюдения. Однако связанная с этим процессом
0,0
0,2-
'л 0,4-х
ч>
ч: 0,6 Н s 0,88 i,o-i-
1,2" 1,4
m I
и
I — Контрольные площадки 11 — Открытые сверху камеры (ОСК)
Рис. 5. Суммарная за день эмиссия СО2 из контрольных площадок и ОСК, средние данные за 15 дней по трём повторностям.
Fig. 5. Total amount of CO2 emission from the control sites and open-top chambers (OTCs) within 24 hours, average data for 15 days in 3 replicates: I - control sites, II - open-top chambers (OTCs).
Рис. 6. Изменение баланса СО2 в тундровой экосистеме в течение суток на контрольных площадках и в ОСК через 2 года.
Fig. 6. Changing of CO2 balance in tundra ecosystem within 24 hours on the control sites and in open-top chambers (OTCs) in 2 years. I - control sites, II - open-top chambers (OTCs).
возросшая фотосинтетическая фиксация углерода не компенсировала намного большие потери СО2 из экосистемы при повышении температуры надземного слоя воздуха в ОСК, что может быть обусловлено ростом «дыхания» почвенных микроорганизмов и корней растений. Соотношение углерода к азоту в биомассе растений было неизменным. Следовательно, рост тундровых растений не был лимитирован содержанием азота при повышении температуры. Изменение надземной биомассы отдельных видов тундровых растений при повышении температуры надземного слоя воздуха в ОСК показано на рис. 8.
Как видно, надземная биомасса растений достоверно увеличилась после двух лет, в основном за счёт лишайников (Lichenes), которые отличились сильным откликом на повышение температуры и составили 95 % от общей надземной растительной биомассы. Листопадные растения - берёза карликовая (Betula nana), голубика обыкновенная (Vaccinium uliginosum), ива сизая (Salix glauca), вечнозелёные растения - брусника (Vaccinium vitis idaea), багульник стелющийся (Ledum decumbens), осоки (Carex) и зелёные мхи (Bryidae) не показали достоверных изменений биомассы при повышении температуры. Однако листовая поверхность берёзы карликовой достоверно увеличилась на 63 % в ОСК по сравнению с контрольными площадками. Общее содержание углерода и азота в надземной растительной биомассе было также достоверно выше в ОСК по сравнению с контрольными площадками.
Заключение. Таким образом, на Тазовском полуострове в стандартном тундровом эксперименте в условиях повышения температуры надземного слоя воздуха в ОСК было установлено, что скорость эмиссии СО2 сильно возрастает и ведёт к потере углерода из системы «почва-растение» в ОСК по сравнению с нормальными температурами контрольных площадок. Это подтверждает гипотезу о том, что в результате повышения температуры баланс углерода тундровых экосистем, как минимум в краткосрочный период, может измениться от стока углерода до его эмиссии. В эксперименте было также отмечено статистически доказанное увеличение биомассы лишайников как доминирующего компонента кустарничково-ли-шайниковой тундры.
Наблюдаемый нами факт возрастания скорости эмиссии CO2 и связанное с этим процессом увеличение биомассы коренных для тундры лишайников в условиях повышения температуры в перспективе имеет чрезвычайно важное практическое значение для ускоренного восстановления нарушенных тундровых почв с помощью инновационной биогеохимической технологии [3]. По этой технологии ускорения восстановления плодородия нарушенных тундровых почв можно достичь путём увеличения их температуры, в частности, в результате внесения местного торфа как те-
Рис. 7. Влияние повышения температуры в ОСК на баланс СО2 экосистемы (БЭ) при максимальной освещённости, а также на валовое «дыхание экосистемы» (ДЭ) и общий фотосинтез экосистемы (ОФЭ) в кустарничково-лишайни-ковой тундре (• - р< 0,05, •• - р<0,01).
Fig. 7. Influence of temperature raising in OTCs on the CO2 balance of the ecosystem (BE) at maximum illumination, and also on total "respiration of the ecosystem" (RE) and total photosynthesis of the ecosystem (TPE) in the dwarf shrub-lichen tundra (• - p< 0.05, «2 - p<0.01): I-control sites, II - open-top chambers (OTCs).
^^Seu¿uíí-
2019, том 41, № 4
Рис. 8. Влияние повышения температуры в ОСК на надземную биомассу различных растений кустарничково-лишайниковой тундры (••• - p<0,005; н. д. - не достоверно).
Fig. 8. Influence of temperature raising in OTCs on aboveground biomass of different plants of the dwarf shrub-lichen tundra (••• - p<0.005; n. c. - not certain): I - control sites, II - open-top chambers (OTCs).
плового мелиоранта, обусловливаемого эмиссией CO2 в процессе разложения самого торфа и тёмным его цветом, способствующим эффективному поглощению солнечного тепла и быстрому прогреву почвы.
Работа выполнена в рамках темы Министерства науки и высшего образования РФ «Физико-химические и биогеохимические процессы в антропогенно загрязнённых почвах», № 0191-2019-0049.
REFERENCES
1. Sabrekov A.F., Glagolev M.V., Kleptsova I.E., Bashkin V.N., Barsukov P.A., Maksiutov Sh.Sh. Contribution of frozen buggers in methane emission from Western Siberia tundra swamps. Environmental dynamics and global climate change. 11 p. V. 2, No 2 (4) (2011) (in Russian) [Саб-реков А.Ф., Глаголев М.В., Клепцова И.Е., Башкин В.Н., Барсуков П.А., Максютов Ш.Ш. Вклад мерзлотных бугров в эмиссию метана из болот тундры Западной Сибири // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2011. Том 2, № 2 (4). 11 с.].
2. Bashkin V.N., Galiulin R.V. & Barsukov P.A. Assessing the in situ emission of gases in tundra ecosystems. Ecological and biogeochemical cycling in impacted polar ecosystems (Environmental Remediation Technologies, Regulations and Safety series). P. 39-48 (N. Y.: NOVA Science Publishers, 2017).
3. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Geoecological Risk Management in Polar Areas. 156 p. (Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2019).
4. Bond-Lamberty B., Wang C., Gower S.T. A global relationship between the heterotrophic and autotrophic components of soil respiration? Global Change Biology. 10, 1756-1766 (2004).
5. Hanson P.J., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial to soil respiration: A review of methods and observations. Biogeochemistry. 48, 115-146 (2000).
6. Henry G.H.R., Molau U. Tundra plants and climate change: the International Tundra Experiment (ITEX). Global Change Biology. 3 (1), 1-9 (1997).
7. Hollister R.D., Webber P.J., Tweedie C.E. The response of Alaskan arctic tundra to experimental warming: differences between short- and long-term responses. Global Change Biology. 11 (4), 525-536 (2005).
8. Kiehl J.T., Trenberth K.E. Earth's annual global mean energy budget. Bulletin of the American Meteorological Society. 78 (2), 197-208 (1997).
9. Waksman S.A. Soil Microbiology. 356 p. (New York: J. Wiley & Sons, 1952).
