CC BY
24
УДК 574.42
DOI: 10.24412/1816-1863-2022-1-59-64
ЭМИССИЯ МЕТАНА В РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВАХ ТУНДРОВЫХ ЭКОСИСТЕМ СЕВЕРА ЯКУТИИ
С. В. Карсанаев, младший научный сотрудник, Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (ИБПК СО РАН ФИЦ «ЯНЦ СО РАЛ»), biokars@mail.ru, Якутск, Россия, Р. Е. Петров, младший научный сотрудник, Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», pre2003@mail.ru, Якутск, Россия, Т. Х. Максимов, доктор биологических наук, главный научный сотрудник, Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного научного учреждения Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» t_c_maximov@ibpc.ysn.ru, Якутск, Россия
О»
О
О -1
Изменения условий окружающей среды влияют на активность микробных сообществ и связанные с ними биохимические потоки вещества. В настоящее время ожидается усиление ответных реакций тундровых экосистем, в связи с ростом температуры воздуха в Арктике более быстрыми темпами по сравнению со средним глобальным значением. В процессе деградации многолетней мерзлоты увеличивается доступный для микроорганизмов субстрат почвы, который приводит к таксономическим сдвигам в сообществах метаногенов, влияя тем самым на выбросы CH4. Повышенные выбросы м етана на экспериментальных участках были в положительной зависимости от толщины активного слоя, влажности почвы и площади злакового покрова. Локальные измерения метана с использованием фотоакустического полевого газоанализатора Innova и специальных почвенных камер показали, что суточный поток метана в областях без сфагнума был примерно в два раза выше, чем на участках с его преобладанием: 8,0 ± 4,7 мг СН4 м-2ч-1 и 4,1 ± 3,1 мг СН4 м-2ч-1, соответственно. Таким образом, метанотрофные бактерии, обитающие в симбиозе со Sphagnum, обеспечивают около 50 % от общего выброса метана и играют важную роль в круговороте углерода тундровых экосистем.
The activity of microbial communities and associated biochemical flows of matter are affected by changes in environmental conditions. Due to the increase of air temperature in the Arctic, that rise faster than a global average, an increase of feedbacks of tundra ecosystems are expected. In the process of permafrost degradation, the soil substrate availability for microorganisms increases. That leads to taxonomic shifts in methanogen communities, thereby affecting CH4 emissions. The positive dependent on the thickness of the active layer, soil moisture, and the cereal cover area for increase methane emissions at the experimental sites was observed. Local measurements of methane by using the Innova photoacoustic field
59
gas analyzer and special soil chambers were performed. The daily methane flux in areas without sphagnum was approximately twice as high as in areas with its predominance: 8,0 ± 4,7 mg CH4 m-2h-1 and ¡^ 4,1 ± 3,1 mg CH4 m-2h-1, was shown. Thus, methanotrophic bacteria living in symbiosis with Sphagnum ^ provide about 50 % of the total methane emissions and play an important role in the carbon cycle of 2 tundra ecosystems. (D
Ключевые слова: изменение климата, тундровые экосистемы, многолетняя мерзлота, sphagnum, биогеохимические циклы, метан.
Keywords: climate change, tundra ecosystems, permafrost, sphagnum, biogeochemical cycles, methane.
60
Введение
Экосистемы многолетней мерзлоты в настоящее время являются чистыми поглотителями углерода с учетом эмиссии СН4 и стока СО2 в тундровых экосистемах [4, 5]. По прогнозным оценкам, в результате интенсивного повышения температуры воздуха и оттаивания многолетней мерзлоты к середине 2030-х годов тундровые экосистемы переместятся в сторону чистого источника углерода. Оценки выброса парниковых газов при деградации многолетней мерзлоты к концу XXI в. прогнозировали 20—70 % от запасенного в псевдосфере углерода [6], но поздние более консервативные оценки составили 5—15 %, если глобальное повышение температуры воздуха составит не более 2 °С [7]. Но глобальные климатические м одели к 2100 г. указывают на рост средней годовой температуры в полярных регионах до 8 °С [1].
Термокарстовые процессы приводят к деградации многолетнемерзлого материала и изменению скорости разложения органического вещества, нарушая л окальные гидрологические и почвенные условия тундровых экосистем. Термоабразионный потенциал термокарстовых процессов по сравнению с постепенным таянием мерзлоты зависит от конкретных участков микрорельефа и критических условий (криоструктура, уровень грунтовых вод, мощность ледового комплекса) [6, 8]. Текущие оценки показывают, что термокарст присутствует в 20 % областей многолетней мерзлоты, но ожидается усиление термокарстовых процессов с ростом температуры воздуха. Почвы многолетней мерзлоты содержат приблизительно половину глобальных подземных запасов органического углерода, что эквивалентно 1330—1580 млрд т и это вдвое превышает количество углерода, присутствующего в атмосфере в настоящее время, в виде углекислого газа и метана [6, 9].
В течение последних десятилетий пространственная и временная эволюция метана в атмосфере отслеживается мониторинговыми сетями наземных станций и наблюдений с самолетов, а недавно был дополнен спутниками снимками [5]. Согласно этим данным, водно-болотные биогеоценозы широко распространены в циркумполярных регионах между 60 и 70° северной широты и имеют ежегодный поток СН4, равный 19 ± 7 г СН4 м-2год-1, примерно четверть выбросов тропических водно-болотных угодий [10]. Оценки чистых выбросов СН4 из экосистем, расположенных в криолитозоне, находятся в пределах 4—17 млн т СН4 год-1 или 1—7 % от общего годового объема естественных выбросов СН4 [11].
В настоящее время ожидается значительная обратная связь тундровых экосистем циркумполярного региона, поскольку температура в Арктике будет расти значительно быстрыми темпами по сравнению со средним глобальным значением [1]. Локальные полевые исследования указывают на значительные выбросы СН4 из арктических озер и Восточно-Сибирского арктического шельфа, на сегодняшний день нет четких доказательств того, что выбросы СН4 в Арктике со временем будет увеличиваться. Но фактические атмосферные измерения на станциях долгосрочного мониторинга не показывают значительного увеличения выбросов СН4 в Арктике [5], [11]. Это говорит о том, что выход метана, который мог быть получен при более потеплении климата и деградации мерзлоты, улавливается метанотро-фами до достижения атмосферы, и/или что окислительный потенциал поглотителей увеличивается в соответствии с выбросами СН4. В настоящее время циркумполярные регионы являются поглотителями углерода [4]. Это так же связано с тем, что поглощение СО2 обеспечивает отрицательное радиационное воздействие
в 231 раз больше, чем положительное воздействие выбросов CH4 в атмосферу [12].
Модели и методы
Целью исследования было понимание потоков метана в зависимости от особенностей биогеоценозов. Для достижения поставленной цели использовались прямые камерные измерения в типичных экосистемах равнинных тундр: сухие возвышенные участки на буграх между полигонами с доминированием карликовой березы (Betula nana subsp. Exilis); переувлажненные низины в местах деградации повторно-жильного льда с преобладанием сфагнума; и запруженные впадины с мощным слоем торфа и доминированием осок.
Наблюдения за биогеохимическими процессами мерзлотных экосистем велись с 2010 по 2020 г. на территории Национального парка «Ктылалык» (Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный заповедник «Остров Врангеля») на которой расположена научная тундровая станция Чокурдах (70°49'44.9'' с. ш., 147°29'39.4'' в. д., высота н. у. м. 48 м), региональной мониторинговой сети SakhaFluxNet. Район исследований располагался в 140 км к югу от Северного Ледовитого океана на Яно-Ин-дигирской низменности Северо-Востока России. Основными природными зонами данного региона являются тундры и лесотундры на южной границе района. В районе исследований пойма на 50 м ниже уровня моря. Вторичные геоморфологи -ческие признаки очертаний исследуемой области указывают на то, что территория была д ном озера, которое м еняло свои размеры и постепенно переместилось к северу. Образцы кернов, отобранные на данной территории, были датированы позд-
ним голоценом. В ландшафте отложения ледового комплекса были представлены в виде холмов разных размеров высотой до нескольких д есятков метров. Толщина сплошной мерзлоты в этой области — 400—700 м. Средняя толщина активного слоя колеблется до 0,6 м на холмах, и до 1,5 м в пойменной зоне [8].
Глубина оттаивания сезонно-талого слоя, относительная влажность и температура почвы измерялись ежегодно в ходе экспедиционных работ летом c 2010— 2020 гг. Толщина активного слоя измерялась с помощью металлического зонда. Исследования потоков метана в тундровых экосистемах проводились с использованием цилиндрической закрытой камеры диаметром и высотой 30 см, подключенной к фотоакустическому газоанализатору INNOVA 1312 (Lumasenseinc, США). В водоемах измерения осуществлялись непосредственно на поверхности воды с применением плавучих камер схожих по размерам с почвенными. Чтобы избежать искусственного выброса метана из почвы, за шесть часов до измерений на землю устанавливались специальные пластиковые кольца для установки почвенных камер и трапы для его сбора. Трап — это закрытый сосуд, где собирается газ.
Результаты и обсуждения
Измерение потоков метана в зависимости от микрорельефа и растительного покрова указывает на чистое выделение метана из увлажненных низинных участков без B. nana и поглощение на сухих участках с карликовой березой. Полученные результаты (рис. 1) согласуются с ранее измеренными отрицательными потоками метана на аналогичных участках с пятнами кустарников и положительными
О»
О
О -1 S
сТ s
0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 0,6 -0,8 -1,0 -1,2
20 30 40 50 60 70 Глубина активного слоя, см а)
r2 = 0,65"
• Контроль о Участок без В. nana
20 30 40 50 60 70 Влажность почвы, % б)
20 30 40 50 60 70 Betula nana, % покрытия
0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2
r2 = 0,60"
20 30 40 50 60 70 Злаки, % покрытия
г)
Рис. 1. Отношение потоков метана (СН4) к: а — толщине активного слоя; б — влажности почвы; в — покрытию В. nana и г — покрытию злаками
61
IK
О (Г)
10
8
> 6
' Я 4
Я 2
О
0
s 0 -2 -4
Ф-
с B. nana « без B. nana
с Sphagnum sp.
без Sphagnum sp.
Рис. 2. Потоки метана в различных экотонах равнинной тундры с полигональным рельефом
на севере Якутии
62
потоками (чистый выброс) на участках с осоками [5, 13].
По нашим данным, кроме температуры почвы и воздуха, основным контролирующим фактором микробной активности и потоков CH4 в многолетнемерзлых грунтах является степень увлажненности [4]. Так высота уровня грунтовых вод на экспериментальных площадках положительно коррелировала с эмиссией CH4 (рис. 1, б) [13]. Наши д анные подтверждаются 18-летним исследованием влияния накопления снега в арктической тундре вблизи озера Тулик, на Аляске [11]. Результаты показали, что более глубокий снежный покров обеспечивал более высокую температуру и влажность почвы, что приводило к чистой эмиссии метана, из области накопления. Ожидается, что изменение климата приведет к увеличению количества осадков в Арктике [2]. Хорошо известно, что уровень грунтовых вод, близкий к поверхности, усиливает выбросы метана в результате снижения доступного кислорода в пределах активного слоя, тем самым стимулируя жизнедеятельность метаногенов при ослаблении окисления метана [11].
Изучение зависимости направления потоков метана от растительного покрова выявило ряд особенностей. К ним можно отнести существенные выбросы метана, до 0,2 ± 0,4 мг СН4 м-2ч-1 на участках без карликовой березы, эмиссия была в положительной зависимости от толщины активного слоя, влажности почвы (рис. 1, а, б, г). На сухих возвышенных участках с доминированием Betula nana subsp. Exilis потоки метана были отрицательными, поглощение метана экосистемой в среднем составило -0,6 ± 0,3 мг СН4 м-2ч-1. (рис. 2). Биогеохимические
особенности образования метана в тундровых водно-болотных экосистемах исследуемой области указывали на то, что низкие значения потока метана наблюдались в биогеоценозах с доминированием мхов рода Sphagnum sp.
Это объяснялось тем, что метанотроф-ные бактерии вступали в симбиоз с полупогруженными в воду мхами рода Sphagnum sp., и из кислорода, полученного от мха, они окисляли метан до двуокиси углерода [3]. Локальные измерения м етана с использованием фотоакустического полевого газоанализатора Innova и специальных почвенных камер показали, что суточный поток метана в областях без сфагнума был примерно в два раза выше, чем на участках с его преобладанием: 8,0 ± 4,7 мг
СН4 м-2ч-1 и 4,1 ± 3,1 мг СН4 м-2ч-1, соответственно. В результате деятельности метанотрофных бактерий, обитающих в симбиозе со Sphagnum sp., эти биогеоценозы обеспечивают 50 % снижение от общего выброса метана и играют важную роль в биологическом круговороте углерода тундровых экосистем.
Таким образом, основные движущие силы выбросов CH4 и их чувствительность к изменению климата были в значительной степени определены для конкретных сред и демонстрировали, что комбинированные экологические м еры контроля ч истых выбросов CH4 не могут быть обобщены для различных экосистем и должны решаться индивидуально.
Выводы
Изменения условий окружающей среды влияют на активность микробных сообществ и связанные с ними биохимические потоки вещества. Подобные измене-
-2 -1
ния наблюдались при изменении микрометеорологических условий исследуемой области. В процессе оттайки многолетней мерзлоты появлялся доступный для микроорганизмов субстрат почвы, который приводил к таксономическим сдвигам в сообществах метаногенов, влияя тем самым на выбросы CH4 [3]. В наших исследованиях обводненные низменности яв-ляись источником метана со средней скорость эмиссии до 0,2 ± 0,4 мг СН4 м-2ч-1. Сухих возвышенные участки с доминированием Betula nana subsp. Exilis, являлись стоком метана. Поглощение мета-
на экосистемой в среднем составляло — 0,6 ± 0,3 мг СН4 м-2ч-1.
Была установлена отрицательная зависимость между выбросами CH4 и растительными сообществами водно-болотных экосистем. Установлено, что сфагновые мхи способны ограничивать скорости выделения метана, что имеет большое значение в регулировании локальных потоков парниковых газов. Так средние потоки метана был примерно в два раза выше в областях без Sphagnum sp, чем на участках с их преобладанием: 8,0±4,7 мг СН4 м-2ч-1 4
О»
О
О -1
4
__1
и 4,1 ± 3,1 мг СН4 м 2ч 1 соответственно.
Библиографический список
1. Jia G., Shevliakova E., Artaxo P. et al. Land—climate interactions. In: Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems. — IPCC, 2019. — P. 133—206.
2. Tveit, A. T., Urich T., Frenzel P., Svenning M. M. Metabolic and trophic interactions modulate methane production by Arctic peat microbiota in response to warming // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S.A. — 2015. — Vol. 112. — № 19. — 10 p.
3. Parmentier F. J. W., van Der Molen M. K., van Huissteden J., Karsanaev S. V., Kononov A. V., Su-zdalov D. A., Maximov T. C., Dolman A. J. Longer growing seasons do not increase net carbon uptake in the northeastern Siberian tundra // Journal of Geophysical Research. — 2011. — Vol. 116. — 11 p.
4. Петров Р. Е., Максимов Т. Х., Карсанаев С. В. Изучение межгодовой и сезонной динамики изменчивости баланса углерода и м ноголетнемерзлых пород в типичной тундровой экосистеме на Северо-Востоке России // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. — 2018. — Т. 26. — № 4. — С. 89—96.
5. Van Huissteden J. Thawing permafrost: Permafrost carbon in a warming Arctic. — Cham, Switzerland: springer nature, 2020. — 508 p.
6. Schuur E. A. G. Expert assessment of vulnerability of permafrost carbon to climate change // Climate Change. — 2015. — Vol. 119. — P. 359—374.
7. Chadburn S. E., Krinner G., Porada P. et al. Carbon stocks and fluxes in the high latitudes: using site-level data to evaluate Earth system models // Biogeosciences. — 2017. — Vol. 14. — № 22. — P. 5143—5169.
8. Iwahana G. Takano S., Petrov R. E., Tei S., Shingubara R., Maximov T. C., Fedorov A. N., Desyatkin A. R., Nikolaev A. N., Desyatkin R. V., Sugimoto A. Geocryological characteristics of the upper permafrost in a tundra—forest transition of the Indigirka River Valley, Russia // Polar Science. — 2014. — Vol. 8. — № 2. — P. 96—113.
9. Tarnocai C., Canadell J. G., Schuur E. A. G., Kuhry P. et al. Soil Organic Carbon Pools in the Northern Circumpolar Permafrost Region // Global Bio geochemical Cycles. — 2009. — Vol. 23. — № 2. — 11 p.
10. Mitsch, W. J., Bernal B., Nahlik A. M., Mander U., Zhang L. et all. Wetlands, carbon, and climate change // Landscape ecology. — 2013. — Vol. 28. — № 4. — P. 583—597.
11. Walter A., Daanen R., Anthony P., Schneider T., Ping C.-L., Chanton J. P., Grosse G. Methane emissions proportional to permafrost carbon thawed in Arctic lakes since the 1950s // Nature Geoscience. — 2016. — Vol. 9. — № 9. — P. 679—682.
12. Pohlman J. W., Greinert J., Ruppel C., Silyakova A., Vielstadte L., Casso M., Mienert J., Bunz S. Enhanced CO2 uptake at a shallow Arctic Ocean seep field overwhelms the positive warming potential of emitted methane // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2017. — Vol. 114. — No. 21. — P. 5355—5360.
13. Nauta A. L., Heijmans M. M. P. D., Blok D. et al. Permafrost collapse after shrub removal shiftstundra ecosystem to a methane source // Nature Climate Change. — 2015. — Vol. 5. — No. 1. — P. 67—70.
METHANE EMISSION IN PLANT COMMUNITIES OF TUNDRA ECOSYSTEMS ON THE NORTH YAKUTIA
S. V. Karsanaev, junior researcher, Institute for Biological Problems of Cryolithozone of the Siberian Branch of the RAS — Division of Federal Research Centre "The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", biokars@mail.ru, Yakutsk, Russia,
63
R. E. Petrov, junior researcher, Institute for Biological Problems of Cryolithozone of the Siberian x Branch of the RAS — Division of Federal Research Centre "The Yakut Scientific Centre o of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", pre2003@mail.ru, Yakutsk, o Russia,
T. C. Maximov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Chief Researcher, Institute for Biological Problems of Cryolithozone of the Siberian Branch of the RAS — Division of Federal Research Centre "The Yakut Scientific Centre of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", t_c_maximov@ibpc.ysn.ru, Yakutsk, Russia
References
1. Jia G., Shevliakova E., Artaxo P. et al. Land—climate interactions. In: Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems. IPCC. 2019. P. 133—206.
2. Tveit, A. T., Urich T., Frenzel P., Svenning M. M. Metabolic and trophic interactions modulate methane production by Arctic peat microbiota in response to warming. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2015. Vol. 112, No. 19. 10 pp.
3. Parmentier F. J. W., van Der Molen M. K., van Huissteden J., Karsanaev S. V., Kononov A. V., Suzdalov D. A., Maximov T. C., Dolman A. J. Longer growing seasons do not increase net carbon uptake in the northeastern Siberian tundra. Journal of Geophysical Research. 2011. Vol. 116. 11 p.
4. Petrov R. E., Maksimov T. H., Karsanaev S. V. Izuchenie mezhgodovoj i sezonnoj dinamiki izmenchivosti balansa ugleroda i mnogoletnemerzlyh porod v tipichnoj tundrovoj ekosisteme na Severo-Vostoke Rossii [Investigation of interannual and seasonal dynamics of variability of carbon balance and permafrost rocks in a typical tundra ecosystem in the North-East of Russia]. Prirodnye resursy Arktiki i Subarktiki. 2018. Vol. 26. No. 4. P. 89—96.
5. Van Huissteden J. Thawing permafrost: Permafrost carbon in a warming Arctic. — Cham, Switzerland: springer nature. 2020. 508 p.
6. Schuur E. A. G. Expert assessment of vulnerability of permafrost carbon to climate change. Climate Change. 2015. Vol. 119. P. 359—374.
7. Chadburn S. E., Krinner G., Porada P. et al. Carbon stocks and fluxes in the high latitudes: using sitelevel data to evaluate Earth system models. Biogeosciences, 2017. Vol. 14. № 22. P. 5143—5169.
8. Iwahana G., Takano S., Petrov R. E., Tei S., Shingubara R., Maximov T. C., Fedorov A. N., Desyat-kin A. R., Nikolaev A. N., Desyatkin R. V., Sugimoto A., Geocryological characteristics of the upper permafrost in a tundra—forest transition of the Indigirka River Valley, Russia. Polar Science. 2014. Vol. 8. № 2. P. 96—113.
9. Tarnocai C., Canadell J. G., Schuur E. A. G., Kuhry P. et al. Soil Organic Carbon Pools in the Northern Circumpolar Permafrost Region. Global Bio geochemical Cycles. 2009. Vol. 23. No. 2. 11 p.
10. Mitsch, W. J., Bernal B., Nahlik A. M., Mander U., Zhang L., Anderson C. J., Jmrgensen S. E., Brix H. Wetlands, carbon, and climate change. Landscape ecology. 2013. Vol. 28. No. 4. P. 583—597.
11. Walter A., Daanen R., Anthony P., Schneider T., Ping C.-L., Chanton J. P., Grosse G. Methane emissions proportional to permafrost carbon thawed in Arctic lakes since the 1950. Nature Geoscience. 2016. Vol. 9. No. 9. P. 679—682.
12. Pohlman J. W., Greinert J., Ruppel C., Silyakova A., Vielstadte L., Casso M., Mienert J., Bunz S. Enhanced CO2 uptake at a shallow Arctic Ocean seep field overwhelms the positive warming potential of emitted methane. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2017. Vol. 114. No. 21. P. 5355—5360.
13. Nauta A. L., Heijmans M. M. P. D., Blok D. et al. Permafrost collapse after shrub removal shiftstundra ecosystem to a methane source. Nature Climate Change. 2015. Vol. 5. No. 1, P. 67—70.
64
