CC BY
66
УДК 631.4
О СОВРЕМЕННОМ СОСТОЯНИИ ПОЧВЕННО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В ЮЖНОЙ ТУНДРЕ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРО-ВОСТОКА
Д.А. КАВЕРИН, А.В. ПАСТУХОВ, |Г.Г. МАЖИТОВА
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар [email protected], [email protected]
Экосистемы высоких широт являются наиболее уязвимыми и чувствительными к потеплению климата, которое обусловливает оттаивание многолетней мерзлоты и ведет к существенным изменениям многих компонентов ландшафта и, в первую очередь, почвенного покрова. В настоящей работе охарактеризованы особенности строения и свойств тундровых мерзлотных почв и подстилающих многолетнемерзлых пород как единого почвенно-геокриологического комплекса. Дана оценка его состояния в аспекте современных и прогнозируемых изменений климата.
Ключевые слова: изменение климата, почвенно-геокриологический комплекс, СТС, ММП, температурный режим, органическое вещество
D.A. KAVERIN, A.V. PASTUKHOV, |G.G. MAZHITOVA. THE PRESENT STATE OF SOIL-GEOCRYOLOGICAL COMPLEX IN THE SOUTHERN TUNDRA OF THE EUROPEAN NORTHEAST
Ecosystems of high latitudes are the most vulnerable and sensitive to global warming. Climate change causes permafrost thawing which leads to substantial changes in many components of landscape and soil cover, as well. We identified the structural features and properties of tundra permafrost-affected soils and underlying deposits as an integrated soil-geocryological complex. An assessment of the current state of this complex is given in terms of present and projected changes in climate.
Key words: climate change, soil-geocryological complex, active layer, permafrost, thermal regime, organic matter
Экосистемы высоких широт являются наиболее уязвимыми и чувствительными к климатическим изменениям, которые, как ожидается, будут наиболее выраженно проявляться в высоких широтах. Отчеты Межправительственной группы экспертов по изменению климата при ООН (1РСС) [1] и многочисленные публикации [2, 3 и др.] уже показывают потепление климата в большинстве регионов Арктики, в том числе российской. На европейском Северо-Востоке России в последние десятилетия отмечается существенная деградация многолетнемерзлых пород [4]. Однако имеется и противоположная точка зрения, согласно которой в настоящее время отмечается начальный период прохождения 64-летней ветви похолодания (19982065 гг.), что сопровождается синхронным снижением температуры грунтов [5].
Современные прогнозы по отчетам 1РСС предполагают увеличение среднегодовых температур на 4-7°С к концу XXI в. [1]. Рядом авторов моделируются и прогнозируются изменения, которые можно ожидать в связи с этим в криолитозоне, в том числе евразийской [5, 6 и др.].
Потепление климата обусловливает оттаивание многолетней мерзлоты, что ведет к сущест-
венным изменениям многих компонентов ландшафта и, в первую очередь, почвенного покрова. К настоящему времени авторами статьи получены многочисленные данные по оттаиванию многолетнемерзлых пород в Субарктике европейского Северо-Востока (в рамках программ Циркумполярного мониторинга деятельного слоя - CALM, Температурный режим криолитозоны - TSP). Эти данные подтверждают происходящую деградацию многолетней мерзлоты, которая, очевидно, продолжится и в будущем [8].
Оттайка многолетней мерзлоты приводит к развитию термокарстовых процессов, изменению экологических функций тундровых почв, их геохимического баланса и гидротермического режима. Многолетнемерзлое почвенное органическое вещество обладает особой чувствительностью к изменению температур по сравнению с немерзлотными почвами, так как отличается более высоким содержанием легкорастворимых компонентов [9]. При деградации многолетней мерзлоты в деятельный слой перейдет дополнительное количество лабильного органического вещества, находившегося ранее в мерзлом состоянии, что существенно скажется на его составе и специфике разложения. Ми-
нерализация почвенной органики может привести к повышенной эмиссии парниковых газов в атмосферу.
Чтобы дать оценку современного состояния тундровых почв и подстилающих их многолетнемерзлых пород как примеров пространственновременных изменений в субарктических экосистемах, происходящих под влиянием потепления климата, нами были определены как текущие (морфологические и физико-химические свойства), так и динамические (температурный режим, мощность сезонно-талого слоя, сезонная динамика поверхности) параметры почво-грунтов.
Объекты и методы исследований
Объектами исследования являются: минеральные мерзлотные почвы (тундровые поверхно-стно-глеевые мерзлотные, торфяно- и торфянисто-глеевые мерзлотные); органогенные мерзлотные почвы (сухоторфяные мерзлотные почвы бугров, торфяные мерзлотные почвы выровненных участков торфяных плато). Исследование тундровых мерзлотных почв проводилось в системе «сезонноталый слой (СТС) - многолетнемерзлые породы (ММП)». Классификационные названия почв определялись в соответствии с таксономической системой почв СССР (1977). Район исследований: южная тундра европейского Северо-Востока (зона несплошной многолетней мерзлоты).
Полевые работы включали заложение, описание почвенных профилей с последующим отбором проб почвенных горизонтов, ручное бурение с отбором льдистых кернов до глубины 1,5-2 м в пределах верхних горизонтов многолетней мерзлоты, машинное бурение до глубины 10 м. Глубина сезонной протайки измерялась с помощью градуированного металлического зонда. Просадка поверхности почвы рассчитывалась в конце теплого сезона с использованием нивелира отечественного производства, дающего ошибку 4 мм на 1 км возвратного хода. Влажность в поверхностных горизонтах почвы определялась весовым методом. Измерения почвенных температур проводились с помощью цифровых логгеров фирмы HOBO, установленных на глубины 0, 20, 50, 100 см в почве и 3, 5 и 10 м в многолетнемерзлой толще; рН определялся потенциометрически со стеклянным и проточным хлорсеребряным электродами; валовое содержание органического углерода и азота - на анализаторе ANA-1500. С помощью С14 датировки проведено определение возраста органического углерода в пределах сезонно-талого и многолетнемерзлого слоев торфянисто-глеевой и сухоторфяной мерзлотных почв.
На основе спутниковых снимков Landsat ETM+ и QuickBird и полевых исследований составлены почвенные карты ключевых участков исследований в бассейнах рек Сейда и Большая Роговая масштабом 1:25000 с использованием программных продуктов ERDAS IMAGINE 9.0 и ArcGIS 9.2. Почвенные карты создавались методом автоматической управляемой классификации (supervised classification), в результате чего спутниковые снимки были преобразованы в растровые карты, содер-
жащие информацию о почвенном типе для каждого класса пикселей. На конечном этапе растровые карты (формат .img) были конвертированы в векторные (формат .shp).
Результаты и обсуждение
Сезонно-талый и верхний многолетнемерзлый слои тундровых мерзлотных почв характеризуются динамикой температурного режима, синхронной с постепенным повышением среднегодовой температуры воздуха в регионе. Исследования температурного режима почв, проводящиеся Институтом биологии Коми НЦ УрО РАН с 1996 г. на площадке Циркумполярного мониторинга деятельного слоя (CALM) на европейском Севере России (окрестности г. Воркуты), выявили постепенное повышение среднегодовой температуры мерзлотной почвы. За период наблюдений на площадке было выявлено, что в 2006-2008 гг. отрицательные среднегодовые почвенные температуры в верхнем слое почвы (0-50 см) сменились положительными. Данный факт был зафиксирован на фоне растущего тренда температуры воздуха. Многолетнее повышение почвенных температур за последние 15 лет привело к увеличению сезонной протайки, сопровождаемой оттайкой верхней части многолетней мерзлоты и просадкой поверхности почвы (начальная стадия термокарста). Многолетняя динамика постепенного увеличения глубины протайки осложняется формированием и исчезновением в нижней части СТС льдистых перелетков, образование которых обусловлено гидротермическими условиями вегетационного периода. В настоящее время зафиксировано опускание уровня многолетней мерзлоты ниже 1 м, что позволяет, согласно ряду почвенных классификаций, отнести данные профили в сезонно-мерзлотные типы (рис. 1). Мониторинг тундровых мерзлотных почв региона позволяет оценить их отклик на динамику изменения температуры воздуха, а в перспективе, при наличии более длительного ряда наблюдений, и на изменение климата.
По литературным данным [5, 8, 9], в верхней части ММП должен существовать горизонт повышенной льдистости, который играет роль льдистого буфера, предохраняющего мерзлоту от резкого скачкообразного протаивания, - т.н. переходный слой. При этом, авторы рассматривают строение и свойства мерзлотных профилей в трехкомпонентной системе «СТС - переходный слой - промежуточный слой». С целью диагностики т.н. переходного слоя изучаемые профили также рассмотрены нами согласно трехкомпонентной структуре (табл. 1). По морфологическим и физико-химическим свойствам верхний горизонт многолетней мерзлоты характеризуется как зона постепенных изменений в системе «СТС - ММП» (табл. 1). Многолетнемерзлые горизонты в пределах глубин 1,5 - 2 м отмечаются разнообразным криогенным строением, сопоставимым с таковым нижележащих многолетнемерзлых горизонтов. При этом для ММП часто свойственно преобладание криогенных текстур слоистого типа, т.е. в подстилающих ММП далеко
Рис. 1. Динамика изменения мощности сезонно-талого слоя, сопровождаемая просадкой поверхности и деградации верхнего слоя ММП на площадке CALM R2 в 1996-2011 гг.
Таблица 1
Основные параметры трехкомпонентной системы почвенно-геокриологического комплекса
Параметры/
слои
Содержа- Средне-
Криогенное Влажность/ ние C(%) рН Сезонная годовые
строение льдистость в сугли- динамика темпе-
нистых профилях температуры ратуры, ГС
Многолетние
изменения
(динамика)
Сезонноталый слой
Сезонные
массивные,
слоистые
криотекстуры
Постепенное снижение влажности к подошве СТС, либо минимальное содержание влаги в средней части СТС
Значительные вариации в содержании углерода
Кислые
Значительные
сезонные
флуктуации
температуры
+1...-5
Многолетнее увеличение глубины протайки, осадка поверхности
Верхний слой ММП (глубина 0,52м)
Широкое разнообразие криотекстур, преобладают текстуры тонкослоистого типа
Увеличение влажности (льдистости) по сравнению с СТС, на фоне ММП увеличение льдистости обычно не наблюдается
Содержание углерода Кислые -обычно не слабо-превышает кислые 1%
Сезонные колебания температуры выражены не резко, запаздывание температурного сигнала
-0. -4
Постепенная деградация многолетней мерзлоты
Эпигенетические ММП (глубже 2 м)
Широкое разнообразие криотекстур, преобладают текстуры слоистого типа
Широкие вариации в содержании льда
Содержание Слабокис- Сезонные ко-углерода
обычЕо не лые - лебания тем-нейтраль- ператур не
превышает
1% ные выражены
-0 ...-2
Не выражены, либо деградация ММП
не всегда наблюдается увеличение льдистости и содержания углерода. В связи с недостаточностью признаков, классический переходный слой в мерзлотных почвах южной тундры европейского Северо-Востока однозначно не может быть выделен. Для подстилающих мерзлых горизонтов мы предлагаем использовать термин «верхний слой ММП» как синоним геологического термина «верхняя часть разреза ММП». Кроме того, рассмотрение мерзлотных профилей в регионе можно проводить и по более простой -двухкомпонентной системе «СТС - ММП».
Большая часть минеральных мерзлотных профилей характеризуется относительно низкими запасами углерода, тогда как основными его источ-
никами являются органогенные мерзлотные почвы болот и торфяных плато. Значительная часть запасов мерзлотного углерода сосредоточена в криогенных почвах торфяных плато (табл. 2).
Весомый вклад в запасы углерода минеральных почв вносит присутствие в почвах крио-турбированных горизонтов. Проведенные нами оценки запасов почвенного углерода говорят о более высоких запасах почвенного органического вещества в регионе, чем это отмечалось ранее [12].
Считается, что органическое вещество немерзлотных и многолетнемерзлых грунтов имеет различный молекулярный состав и возраст (момент консервации в них углерода), а следовательно, раз-
Таблица 2
Распределение запасов почвенного углерода в основных группах почв
Почвы
А ° ° (Л
0 +'
8Ъ
ф у
CD *
1
CD
CL
О
2 (л
° п CD У
О
2 сл ® 2
о
ш
га Q
00 сл
CD +1 -О <n
1 ^
Роговая Торфяные 57.0 ± 66.8 ± 8.4 ± 44.0 ± 7
мерзлотные 9.6 33.7 3.8 30.5
Минеральные 28.0 ± 8.0 ± 6.3 ± 11.5 ± 11
мерзлотные* 12.8 5.4 6.8 11.9
Сейда Торфяные 62.2 ± 137.4 9.6 ± 111.2 ± 32
мерзлотные 11.7 ±52.4 2.0 48.7
Минеральные 16.9 ± 7.7 ± 6.4 ± 1.6 ± 7
мерзлотные* 6.0 5.8 2.9 1.6
* К данной группе относятся торфяно-, торфянисто-и поверхностно-глеевые мерзлотные почвы; п - количество анализируемых почвенных проб
личную скорость минерализации и, соответственно, чувствительность к изменениям температуры [13]. Органическое вещество, находящееся в многолетнемерзлом состоянии, более богато легкорастворимыми компонентами (белки, простые сахара, полисахариды) и целлюлозой, тогда как в верхних органогенных горизонтах и в деятельном слое преобладает труднорастворимый лигнин [9, 14]. По мнению этих авторов, даже незначительная повышенная чувствительность органического вещества при оттаивании, учитывая его общие огромные запасы в высоких широтах, способна уже в XXI в. привести к значительному повышению эмиссии парниковых газов в наземных экосистемах.
Для характеристики органического вещества, находящегося в многолетнемерзлом состоянии, были отобраны почвенные образцы из деятельного слоя (надмерзлотного) и верхнего многолетнемерзлого горизонта в минеральных и
торфяных почвах (Воркутинский р-н Республики Коми). В Норвежском Университете Естественных наук, в отделе растений и экологических наук под руководством Л.Странд методом кислотного гидролиза почвенное органическое вещество было раз-
делено на два пула (фракции): лабильный, т.е. растворимый при химической экстракции, и устойчивый, состоящий из лигнина, липидов, гуминовых кислот и древесного угля (по методике Rovira and Rammn Vallejo [15]). Затем определен возраст «устойчивых фракций» в радиоуглеродной лаборатории Института географии РАН, так как считается, что «старый» почвенный гумус чувствительнее к изменениям температуры окружающей среды, чем относительно «молодой» [9, 16]. Дополнительно проводились модельные эксперименты, позволяющие определить эмиссию СО2 в почвах при повышении температуры.
Проведенные аналитические и экспериментальные исследования показали, что молекулярная структура почвенного органического вещества сама по себе не определяет степень его устойчивости; на самом деле определяющими являются экологические и биологические факторы: ризосфера и корни растений, почвенные микроорганизмы, и ключевой фактор -циклы промерзания и оттаивания мерзлоты [17].
Недавние экспериментальные исследования показали, что устойчивый пул органического вещества является наиболее чувствительным к температурным изменениям и первым подвергается декомпозиции (минерализации) [18]. Полученные результаты не выявили существенной разницы по содержанию и химическому составу органического вещества в сезонно-талом (деятельном) и многолетнемерзлом слоях почв. Для исследуемых почв характерен большой разброс данных по органическому составу, однако это не связано с наличием/отсутствием многолетней мерзлоты. Реакция на повышение температуры практически одинакова и в мерзлотных и немерзлотных горизонтах почв, и эмиссия CO2 при повышении температуры на 10°С практически удваивается (рис. 2).
Рис. 2. Изменение эмиссии С02 в почвах при увеличении температуры по данным Д.Рассе [19].
По полученным нами данным, радиоуглеродный возраст почв достаточно типичен для зоны пониженной биологической активности, какой является восточноевропейская тундра и лесотундра (табл. 3). По возрасту органического вещества в деятель-
n
Таблица 3
Физико-химические свойства и возраст минеральных и органогенных горизонтов тундровых почв
Тип почвы Слой Глубина отбора образцов, см C, % N, % Соотно- шение C/N рНвод C 14-дата, лет назад
Тундровая торфянисто-глеевая мерзлотная СТС 27-37 2,12 0,12 18 5,81 2595(±60)
ММП 55-65 1,36 0,09 15 6,4 2955(±30)
Тундровая СТС 30-40 1,85 0,12 15 4,69 -
торфянисто-глеевая СТС 40-50 0,16 0,01 16 6,1 -
Сухоторфяная мерзлотная почва бугра СТС 40-50 53,69 2,85 19 4,59 8240(±75)
ММП 60-70 18,91 1,22 16 5,51 9105(±95)
Торфяная мерзлотная СТС 50-60 2,55 0,18 14 6,43 -
почва торфяного плато ММП 70-80 0,36 0,01 36 7,48 -
ном слое и верхней части ММП существенных отличий выявлено не было.
В многолетнемерзлых горизонтах снижается общее содержание углерода и азота. Однако расчеты соотношения углерода к азоту также не выявили закономерных отличий между сезонноталыми и многолетнемерзлыми горизонтами. Органическое вещество в пределах СТС и ММП характеризуется умеренным обогащением углеродом. В широкой выборке минеральные горизонты исследованных почв выделяются соотношением C/N в диапазоне 6-18, в органогенных слоях данный диапазон значительно шире (1-48), что обусловлено различиями в составе торфа и степени его разло-женности.
Выводы
Для европейского Северо-Востока охарактеризовано современное состояние почвенно-геокриологического комплекса как двухкомпонентной системы «СТС - верхний слой ММП». На основании имеющихся и полученных данных охарактеризована многолетняя динамика температурного режима тундровых мерзлотных почв и подстилающих их многолетнемерзлых пород. На основе строгого количественного подхода определены основные морфологические, физические и физико-химические параметры тундровых мерзлотных минеральных и органогенных почв. Установлено их криогенное строение и подсчитаны запасы углерода в деятельном слое и подстилающих ММП. Определен возраст органического вещества СТС и ММП для минеральных и органогенных почв.
Особенности криогенного строения, относительно высокие температуры СТС и ММП в настоящее время обусловливают достаточно низкий уровень устойчивости многолетней мерзлоты в почвах и подстилающих породах. Прогнозируемое изменение климата в регионе приведет к практически полной оттайке мМп в течение XXI в., при этом
значительные запасы органического вещества перейдут в талое состояние. Наши исследования показали, что на фоне существенных изменений температурного режима органическое вещество верхней части ММП характеризуется относительно высокой стабильностью.
Работа выполнена в рамках проекта молодых ученых УрО РАН «Экологическая устойчивость тундровых мерзлотных почв европейского Северо-Востока в условиях изменения климата», программы ОНЗ РАН №14 ««Состояние окружающей среды и прогноз ее динамики под влиянием быстрых глобальных и региональных природных и социально-экономических изменений» и Проекта № 12-Е-4-1004 ««Формирование и функционирование почв криолитозоны европейского Северо-Востока в условиях изменения климата и антропогенных воздействий».
Авторы посвящают данную работу светлой памяти Г.Г. Мажитовой, по инициативе и под руководством которой были начаты данные исследования.
Авторы благодарят за содействие в аналитической обработке почвенных образцов зав. отд. почвоведения Института биологии Коми НЦ УрО РАН к.б.н. Е.М. Лаптеву, доктора Г. Хугелиуса (Университет Стокгольма) за помощь в создании базы данных Института биологии Коми НЦ УрО РАН по запасам почвенного углерода.
Литература
1. МГЭИК: Изменение климата, 2007 г.:
Обобщающий доклад. Вклад рабочих групп I, II и III в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата / Под ред. Р.К. Пачаури, А. Рай-зингер и др. МГЭИК. Женева, 2007. 104 с.
2. Bockheim J.G., Hinkel K.M. Characteristics and significance of the transition zone in drained thaw-lake basins of the Arctic Coastal Plain, Alaska // Arctic. Vol. 58, № 4. P. 406- 417.
3. Walker, DA. et al. (2008) Arctic patterned-ground ecosystems: A synthesis of field studies and models along a North American Arctic Transect. J. Geophys. Res. 113, G03S01.
4. Оберман Н.Г. Глобальное потепление и изменения криолитозоны Печоро-Уральского региона // Разведка и охрана недр. 2007. №4. С. 63-68.
5. Какунов Н.Б., Сулимова Е.И. Изменение климатических параметров и развитие многолетнемёрзлых пород // Инженерные изыскания. 2008. №6. С. 56-59.
6. Zimov SA., Schuur EA.G., Chapin III F. S. Permafrost and the Global Carbon Budget // Science. 2006. Vol. 312(5780). P. 1612-1613.
7. Shur Y., Hinkel K.M., Nelson F.E. The transient layer: Implications for geocryology and climate-change science // Permafrost and Periglacial Processes. 2005. No. 16. Р. 5 -17.
8. Мажитова Г.Г., Каверин ДА. Динамика глубины сезонного протаивания и осадки поверхности почвы на площадке циркумполярного мониторинга деятельного слоя (CALM) в европейской части России // Криосфера Земли. 2007. Т. 11. № 4. С. 20-30.
9. Davidson EA., Janssens IA., Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change // Nature. 2006. Vol. 440. P. 165-173.
10. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-е, 1988. 213 с.
11. Губин С.В., Лупачев А.В. Почвообразование и подстилающая мерзлота // Почвоведение. 2008. № 6. C. 655-667.
12. Hugelius G, Kuhry P. Landscape partitioning and environmental gradient analyses of soil organic carbon in a permafrost environment // Global Biogeochemical Cycles. 2009. Vol. 23. GB3006. doi:10.1029/2008GB003419.
13. Rodionow A., Flessa H., Kazansky O., Guggen-berger G. Organic matter composition and potential trace gas production of permafrost soils in the forest tundra in northern Siberia // Geoderma. 2006. Vol. 135. P. 49-62.
14. Michaelson G.J., Dai X.Y. and Ping C.-L. Organic matter and bioactivity in cryosols of arctic Alaska // Crysols, Permafrost Affected Soils. Ed. by J.M Kimble. Springer-Verlag New York. 2004. Р. 463-477.
15. Rovira P., Ramтn Vallejo V. Labile and recalcitrant pools of carbon and nitrogen in organic matter decomposing at different depth in soil: an acid hydrolysis approach // Geoderma. 2002. Vol. 107. P. 109-141.
16. Vanhala P., Karhu K., Tuomi M. et al. Old soil carbon is more temperature sensitive than the young in an agricultural field // Soil Biology and Biochemistry. 2007. Vol. 39(11). P. 29672970. doi:10.1016.
17. Schmid M., Margaret S. Torn, Abiven S. et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. Vol. 478. P. 49-56. doi:10.1038/nature10386
18. Conant R.T., Haddix M., Paustian K. Partitioning soil carbon responses to warming: Model-derived guidance for data interpretation // Soil Biology and Biochemistry. 2010. Vol. 42(11). P. 2034-2036.
19. Rasse D., Moni C., Pengerud A. et al. CO2 from Arctic soil // Klima. 2011. Vol. 4. P. 22-24 (in Norwegian).
Статья поступила в редакцию 21.12.2011.
