CC BY
18
ГИДРОЛОГИЯ.
ГИДРОЛОГИЧЕСКИМ РЕЖИМ И ЭМИССИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ
В БОЛОТАХ ГОРНОГО АЛТАЯ
Л.И. Инишева1, О.Н. Смирнов1, Н.Г. Инишев2, В.А. Горельский2 1 Томский педагогический государственный университет, г. Томск 2Томский государственный университет, г. Томск
2
В настоящее время наблюдается увеличение парникового эффекта, связанного с хозяйственной деятельностью человека и обусловленного в основном нарушением баланса углерода. Признано, что природные экосистемы России обусловливают колебания содержания диоксида углерода в атмосфере. По оценкам, выполненным на основе разных методов, ежегодный сток углерода в экосистемах России составляет от 5+0,5 млрд. т, или почти 10 % от глобального стока в наземные ЭС за счет нетто-продукции, оцениваемой как разность между ассимиляцией диоксида углерода и дыханием растений. Правильные представления о проблеме цикла органического углерода на территории России можно составить на основе баланса. Нетто-первичная продукция на территории России оценена в 4,4-4,5 Гт/год. Общая эмиссия представляет собой суммарную биогенную продукцию СО2 в почве, складывающуюся в основном из дыхания как почвенных микроорганизмов, так и корней растений. Территория России является абсолютным стоком СО2 в размере 0,6-1,0 Гт/год.
Болота - единственные в наземной биоте экологические системы, которые в естественном состоянии выполняют аккумулирующую функцию, депонируя углерод атмосферы в виде торфяных залежей, тем самым надолго исключая его из дальнейшего круговорота. В болотах сосредоточено 20-30 % мировых запасов углерода, и кроме того они являются мощным природным источником парниковых газов (в первую очередь СО2 и СН4) в атмосферу [1-2]. Согласно результатам исследований некоторых ученых [3-4] с поверхности естественных болот может быть выделено от 87 до 2565 мг СО2 м-2 ч-1. Большой разброс в значениях величин потока СО2 объясняется неодинаковыми условиями торфообразования. Интенсивность выделения метана из болот в среднем почти в 2000 раз меньше по сравнению с интенсивностью выделения СО2. Однако необходимо иметь ввиду, что тепличный эффект метана в 20 раз превышает действие углекислого газа.
Натурных оценок потока парниковых газов в атмосферу из торфяных болот Горного Алтая нет. Поэтому целью работы является оценка гидрологических условий болот Алтая и эмиссии парниковых газов.
Объекты и методы исследований. Природные условия образования болот в Горном Алтае ранее были описаны нами в [5]. Исследования проводились на болотных стационарах ТГПУ Турочакский, Кутюшский и Баланак [6].
Метод стационарных исследований позволяет изучать процессы торфообразования, к которым относится динамика водного, теплового и гидрохимического режимов болот и их балансов; трансформационные и обменные процессы в торфяной залежи, биологическая продуктивность, газовый режим и другие процессы.
Полевые исследования включали изучение снежного покрова, уровенного режима болотных вод, влажности торфяной залежи. Для определения состояния снежного покрова проводились маршрутные снегомерные съемки в период максимального снегонакопления
[7].
В течение вегетационного периода еженедельно измеряются уровни болотных вод в соответствии с [8]. За нулевую отметку принята условная величина средней поверхности болотного ландшафта в каждом из пунктов наблюдений. Температурный режим торфяных залежей изучали с помощью стационарных логгеров «Термохрон», «АБИ». На каждом пункте измерялась температура воздуха на высоте 2-х м от поверхности земли.
В течение вегетационных периодов проводилось измерение эмиссии СО2 и СН4 камерно-статистическим методом в трех повторностях на газовом хроматографе «Кристалл-5000.1». Статистическая обработка экспериментальных данных выполнялась с помощью пакета программ БТАТИТЮА 6.0
Результаты исследования и обсуждение. Исследованиями были охвачены разные по метеорологическим условиям годы (табл. 1). Если 2011 и 2012 гг. по гидротермическому коэффициенту за вегетационный период близки к среднемноголетнему значению, то 2010 г. выделяется повышенной увлажненностью. Но и в разные месяцы в средние годы по ГТК погодные условия далеки от среднемноголетних показателей. Так в 2011 г. май был много влажнее, а июнь-июль - суше по сравнению со среднемноголетними показателями ГТК. Рассмотрим гидрологическое состояние болот в эти годы.
Таблица 1
Гидротермический коэффициент по Селянинову, метеостанция Турочак
Годы Месяц Май-сентябрь
май июнь июль август сентябрь
2010 1,1 1,8 1,6 3,5 2,8 2,1
2011 2,0 1,0 0,9 1,5 1,7 1,4
2012 0,9 1,8 1,5 1,54 2,2 1,6
ГТК среднемногол. 0,8 1,73 1,85 1,59 1,47 1,5
Запасы воды в снеге в 2010 г. были невысокими: 77 мм - на Турочакском болоте и 91 мм - на Кутюшском. Следовательно, высокая увлажненность торфяной залежи определялась большими осадками вегетационного периода. В более сухой по вегетационному периоду 2012 г. (в 2011 г. снегосъемка не проводилась) снегозапасы были в 1.4-2 раза выше (соответственно. Кутюшское - 132 мм, Турочакское - 134 мм, Баланак - 119 мм) по сравнению с 2010 г.
Рассмотрим формирование в этих погодных условиях уровней болотных вод (УБВ). Во влажном 2010 г. УБВ синхронно снижались включительно до августа, когда вследствие выпадения обильных дождей поднялись близко к поверхности (табл. 2). Такой закономерности не отмечалось лишь в Турочакском болоте, в котором УБВ поднялся к поверхности только в середине сентября и в этот год было наибольшее понижение УБВ: до 40 см - от поверхности и до 70 см (max) - в 2012 г. Этот год оказался рекордным по снижению УБВ и для болота Баланак. Вместе с тем в 2011 г. УБВ болота Турочакское был самым высоким из всех исследуемых болот.
Представляет интерес и сравнение температурного режима болот разного генезиса (рис. 1). Основополагающими работами многих исследователей [9-10] было показано, что торфяная залежь по биофизическим свойствам разделяется на два горизонта: верхний -относительно небольшой (менее 1 м) и нижний, представляющий основной горизонт торфяной залежи.
Таблица 2
Уровни болотных вод, среднемесячные за 2010-2012 гг., см
Объекты Май Июнь Июль Август Сентябрь
2010
Баланак -10 -18 -13 -6 -23
Кутюшское -10 -17 -18 -19 -36
Турочакское -21 -27 -29 -36 -25
2011
Баланак -17 -26 -32 -24 -
Кутюшское -25 -36 -48 -44 -42
Турочакское -26 -13 -24 -31 -
2012
Баланак -24 -36 -34 -53 -38
Кутюшское -22 -22 -34 -43 -26
Турочак -33 -45 -41 -60 -47
Примечание: «-» - отсутствие данных.
Различия заключаются прежде всего в интенсивности протекающих в этих слоях физических и биохимических процессов. По предложению В.Д. Лопатина [11] верхний горизонт стали называть активным, или деятельным слоем (акротелм), нижний - инертным слоем (или катотелм).
Известно, что точное положение границы между активным и инертным горизонтом всегда является до некоторой степени условным. Главным фактором, определяющим интенсивность биохимических процессов в нативном слое являются, по мнению гидрологов - болотоведов, периодические колебания уровня болотных вод (УБВ). Активная зона -безусловно зона активного влагооборота.
Вместе с тем следует выделить и особенность теплопроводности торфа, составляющие компоненты которого это: растительное вещество, вода и воздух, и потому его теплопроводность - 0,20 Дж/(м.с. °С), в то время как грунта - 2,43, воздуха - 0,38 Дж/(м.с. °С). При поступлении потока тепла в торфяных болотах будет происходить нагревание в основном поверхностного слоя, но при этом степень и глубина прогрева будет зависеть от УБВ. Заметим, что объемная плотность активного слоя верховых болот может иметь объемную плотность 0,01-0,1, низинных - 0,3-0,4 г/см3.
Практически при всех наблюдаемых в природе степенях увлажнения теплопроводность активного слоя болот значительно меньше теплопроводности не только плотных минеральных грунтов (с объемной плотностью 1,4-1,6 г/см3), но и верхних весьма рыхлых гумусовых горизонтов (с объемной плотностью 0,9 г/см3). Благодаря низкой температуропроводности торфяные почвы практически при любой встречающейся в натурных условиях влажности крайне медленно прогреваются весной, суточная температурная волна распространяется в них лишь на весьма незначительную глубину -обычно не глубже 20-30 см в верхних слоях. Рассмотрим динамику температуры в торфяных залежах исследуемых болот (рис. 1).
По температурному режиму выделяется болото Кутюшское. Прогревание его торфяной залежи происходит постепенно и на температуру воздуха реагирует только поверхностный слой (10 см). В то же время в низинных торфяных болотах (Турочак и Баланак) на температуру воздуха отзываются слои 20 и 30 см. Динамика же изменения температуры в торфяных залежах одинакова во всех болотах, но отмечается некоторое запаздывание в прогревании торфяной залежи Кутюшского болота. Начиная с 40 см, температурный режим в торфяных залежах имеет равномерную, постепенно увеличивающуюся и одинаковую по количественным параметрам динамику температуры.
35 30 25 20 15 10 5 0
а)
/ \\ А
V
Июль Август Сентябрь 35 30 25
го о.
> 20 (13
.
0)
115 0) I-
10 5 0
Август Сентябрь
Август Сентябрь
Рис. 1. Температурный режим торфяных залежей болот Горного Алтая в 2012 г.: а - Баланак, б - Кутюш, в - Турочак
Температура и влажность - важные параметры процесса трансформации органического вещества торфов, отлагаемых в торфяных залежах. Выше были рассмотрены влажностные и температурные характеристики торфяных болот разного генезиса, и они различались. Причина этого - различные условия образования и, соответственно, разный растительный покров в эпоху голоцена и формирование соответствующей торфяной залежи по ботаническому составу. Современный же процесс эмиссии газов обязан прежде всего гидротермическому режиму.
Из многочисленных экспериментальных исследований, выполненных в самых разных географических зонах, следует, что скорость эмиссии возрастает с увеличением УБВ и температуры. Для условий болот Горного Алтая эмиссия СО2 изменяется в пределах 14,43-3,25 мг/(м2*ч), и в 2011 г. отмечалось поглощение СО2 (-42,66 мг/(м2*ч). Показатели экстремальных значений эмиссии СН4- (0,50-28,93 мг/(м2*ч). Проведенные расчеты корреляции эмиссии парниковых газов с другими параметрами торфообразования показали их отсутствие, что предполагает получение дополнительных данных (табл. 3).
Таблица 3
Эмиссия диоксида углерода и метана, мг/(м2*ч)
СО2 СН4
Объект
май июнь июль август сент. май июнь июль август сент.
2011
Турочак -42,66 14,43 26,14 56,07 - -9,10 12,00 8,04 8,59 -
Кутюшское 89,60 53,02 49,13 - 12,33 - 10,39 7,00 -
Баланак - 72,61 64,89 36,15 - - 5,57 9,61 10,37 -
2012
Турочак 17,18 - 49,72 - 25,30 1,25 - 1,61 - -
Кутюшское 93,25 - 74,78 - 33,70 28,93 - 0,61 - 0,50
Примечание: «-» - не определяли
Июнь
Июнь
Июль
Июнь
Июль
0
10
20
30
40
60
80
20
160
Выводы. Погодные условия за годы исследований существенно различались по отдельным месяцам вегетационного периода, но по средним показателям ГТК за май-сентябрь повышенной влажностью характеризовался 2010 г. Уровни болотных вод чаще повторяли динамику выпадения осадков, но были и особенности пока не выяснены. Явно кроме осадков здесь оказывали влияние и другие факторы. Например, УБВ болота Турочакское в 2011 г. были ближе к поверхности по сравнению с другими болотами, в то время как в другие годы наблюдался обратный эффект. Полученные результаты исследований по эмиссии парниковых газов указывают на индивидуальность их образования в условиях Горного Алтая, что определяет необходимость дальнейших исследований в этом направлении.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (гранты № 12-04-31716, №12-05-31247 и № 13-05-98026 р Сибирь) и проектом по государственному заданию Министерства образования и науки РФ на 2012-2014 гг. № 5.1161.2011.
Список литературы
1.Болота Западной Сибири - их роль в биосфере / Под ред. А.А. Земцова. - Томск: ТГУ СибНИИТ, 1998. - 72 с.
2.Кравченко И.К., Токарева Е.В. Влияние азотных соединений на окисление метана в верховом болоте, Тверская область // Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования. Материалы совещ. - М.: ГЕОС, 1999. - С. 201-203.
3.Кобак К.И. Биотические компоненты глобального углеродного цикла. - СПб: Гидрометеоиздат, 1988. - 246 с.
4. Sundqiust E.T. The global carbon dioxide budget // Science. - 1993. - 259. - Р. 934-941.
5.Инишева Л.И., Шурова М.В., Ларина Г.В., Хмелева И.Р., Инишев Н.Г., Смирнов О.Н. Торфяные болота северо-восточной части территории Горного Алтая // Изв. Бийского отд-ния рус. географ.общ-ва. Вып. 32. - Бийск, 2011. - С. 59-66.
6.Инишева Л.И., Виноградов В.Ю., Голубина О.А., Ларина Г. В. и др. Болотные стационары Томского государственного педагогического университета. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 118 с.
7. Указания по производству снегомерных наблюдений на гидрометеорологических станциях и постах. - Л., 1965. - 408 с.
8.Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 6. Ч. II. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 226 с.
9.Иванов К.Е. Гидрология болот. - Л., 1958. - 295 с.
10. Романов В.В. Гидрофизика болот. - Л., 1961. - 357 с.
11. Лопатин В.Д. Очерк растительности Гладкого болота (Тосненский район Ленинградской области) // Уч. записки ЛГУ. Сер. географ. - 1949.
