CC BY
22
УДК 57.015.6 DOI: 10.24412/2071-6176-2023-1-129-138
ОЦЕНКА ЗАПАСОВ УГЛЕРОДА В ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖАХ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА НА БОЛОТАХ СЕВЕРО-ВОСТОКА СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ
О.А. Леонова
В статье обсуждаются результаты определения запасов углерода в торфяных залежах различного происхождения на болотах Тульской области. Показано, что запас углерода зависит от ботанического состава торфов, степени их разложения, мощности торфяных залежей и продолжительности торфообразовательного процесса. Выявленные показатели свидетельствуют о специфике функционирования разных типов болот.
Ключевые слова: запасыуглерода, торфяные залежи, болота.
Введение
Болота являются важной частью биогеохимического цикла углерода. Поглощение углекислого газа из атмосферы осуществляют болотные растения в результате процесса фотосинтеза, а интенсивность этого процесса определяется биомассой растительных сообществ. После отмирания растений происходит их разложение микроорганизмами, что обеспечивает частичную эмиссию углекислого газа с поверхности болотного массива. Однако, основная доля углерода аккумулируется в торфяных отложениях и выводится из атмосферы [1-5]. Следовательно, вертикальный прирост торфяных отложений происходит одновременно с процессом депонирования углерода, что доказывает роль болот в углеродном балансе [5-7].
Интенсивность связывания углерода растительностью болот напрямую влияет на его запасы в торфяных залежах [8, 9]. На болотах разного типа этот процесс протекает с разной скоростью и потому запасы углерода в разных типах болот отличаются [10-12]. Оценка запасов углерода в торфяных отложениях болот является актуальной научной проблемой. Такие данные особенно актуальны для слабозаболоченных регионов, поскольку позволят не только оценить специфику функционирования болотных экосистем в таких условиях, но и охарактеризовать их значение.
Одним из слабозаболоченных регионов Европейской России является Среднерусская возвышенность, где доля болот не превышает 0,5% от площади территории [13]. Тем не менее, в регионе сформированы болота разных типов. Они отличаются поположению в рельефе, характеру подстилающих пород, особенностям водно-минерального питания, времени возникновения и структуре растительного покрова. От этих
параметров зависят мощность и состав торфяных отложений, а значит, интенсивность депонирования углерода и его запасы в залежах [14].
Целью данной работы является оценка запасов углерода в торфяных отложениях различного генезиса на болотах северо-востока Среднерусской возвышенности. Результаты исследования позволят оценить роль разных типов болот указанной территории в аккумуляции атмосферного углерода [14].
Исследования проводили в Тульской области, занимающей северовосточную часть Среднерусской возвышенности. Объектами исследования явились 6 болотных массивов, сформированных в разных геоморфологических условиях (рис. 1): в поймах и в депрессиях на водоразделах.
Среди пойменных болот объектами изучения являлись болота Подкосьмово и Большеберезовское, сформированные в пойме реки Непрядва (приток р. Дон). Торфяные залежи болот низинного типа (степень разложения торфов - от 30 до 70%), по структуре целостные, подстилаются аллювиальными глинами и имеют мощностью 120 и 200 см соответственно. Питание болот осуществляется сильноминерализованными аллювиальными и грунтовыми водами, выходящими на
Объекты и методы исследования
Пойменные:
1.Большеберезовское болото
2. Болото Подкосьмово
Водораздельные:
3. Болото Главное
4. Болото Кочаки
5. Болото Источек
6. Болото Клюква
Рис. 1. Объекты исследования
поверхность в основании коренного берега долины реки. Все это способствует формированию эвтрофной растительности [15].
Водораздельные болота сформированы в депрессиях карстово-суффозионного происхождения как в области распространения зандровых отложений (болото Клюква), так и вне таковых (болота Главное, Кочаки, Источек). Такие болота характеризуются как эвтрофной, так и мезо- и олиготрофной растительностью. Торфяные отложения могут быть целостными, разорванными и сплавинными [13], их мощность от 200 до 600 см и более. По составу торфов в залежах доминируют низинные виды, но имеются также переходные (болота Главное и Кочаки) и верховые (болото Клюква) торфа.
Бурение торфяных залежей модельных болот проводили в наиболее глубокой части (при помощи бура конструкции Инсторфа) до минерального дна. По профилю залежей проводили отбор 1 см3 торфа через каждые 10 см для определения объемного веса. Для этого каждый отобранный образец торфа помещали в металлический бюкс, сушили при 105 °С, а затем взвешивали. В дальнейшем, эти образцы использовали для определения содержания углерода [16]. Запас углерода в каждом горизонте торфяной залежи рассчитывали, исходя из произведения содержания углерода (%) и объемного веса торфа. Полученное значение умножали на мощность торфяного горизонта (10 см). Послойное суммирование запасов углерода в горизонтах залежи позволило определить запас углерода на 1 м2 каждого болота.
Обсуждение результатов
Проведенные исследования показали, что в пойменном болоте Подкосьмово, сформированном в суббореальном периоде голоцена [17], запасы углерода в горизонтах торфяной залежи варьируются от 83 до 136 кг/м2. Максимальные значения соответствуют торфу с высокой степенью разложения (50-55%) и объемным весом (0,35 г/см3).
Запасы углерода по профилю торфяной залежи болота Большебере-зовское, образованного в атлантический период голоцена, имеют более широкий диапазон варьирования - 49-207 кг/м2 (рис. 2). Наиболее высокие значения соответствуют торфу со степенью разложения 45% и объемным весом 0,57 г/см3.
Следует отметить, что наиболее низкие значения запасов углерода на рассматриваемых болотах характерны для придонных горизонтов залежей (49-83 кг/м2), что обусловлено привносом глинистых частиц. При этом, максимальные значения отмечены на глубинах, где в составе торфов присутствуют древесные остатки. Так, для Большеберезовского болота на глубине 70-100 см запас составил 166-194 кг/м2, для болота Подкосьмово на глубине 50-80 см - 126-136 кг/м2.
Запас углерода, кг/м2
О 50 100 150 200 250 0 200 400 0 50 100 150 200 0 20 40 60 50 100 о 100 200 300 400 500
Условные обозначения:
■—■ - Иодкосьмово —- - Большеберезовское
• - Клюква
•—• - Главное центр к—а. -1 "лавное край ■-■ - Кочаки
♦ - Источен
Рис. 2. Запасы углерода по профилям торфяных залежей болот северо-
востока СРВ (Тульская область)
Водораздельные болота изучаемой территории весьма разнообразны по генезису, что отражено в характере растительности и свойствах торфяных отложений. Так, образование болота Клюква началось в бореальном периоде голоцена [17] в понижении на склоне водораздела в области распространения зандровых отложений. Питание бедными грунтовыми водами и атмосферными осадками способствовало формированию олиготрофной растительности. Торфяная залежь болота имеет мощность 250 см и образована верховыми и переходными торфами (степень разложения - от 5 до 35%).
Оценка запасов углерода в торфяной залежи болота показала, что показатель варьирует от 29 до 511 кг/м2 (рис. 2). Наиболее высокие значения (291-511 кг/м2) характерны для травяно-сфагнового переходного торфа (глубины 90-100 и 200-210 см), имеющего наиболее высокий объемный вес (0,5-0,9 г/см3). Минимальные запасы углерода (29 кг/м2) отмечены в торфе на глубине 170-180 см, что коррелирует с низкими значениями объемного веса (0,06 г/см3).
Болота Источек, Главное и Кочаки сформированы в карстово-суффозионных понижениях, расположенных вне зандровых отложений, и
подстилаются озерными глинами или делювиальными суглинками. Питание осуществляется выклинивающимися грунтовыми и стекающими поверхностными водами, реже - атмосферными осадками, что способствует формированию растительности разного типа [18].
Болото Источек образовалось в атлантический период и характеризуется целостной торфяной залежью мощностью 500 см, которая образована различными низинными торфами (степень разложения - от 18 до 50%). Растительный покров болота образован эвтрофными ценозами [18].
Оценка запасов углерода по горизонтам торфяной залежи показала, что показатель варьирует от 21 до 398 кг/м2 (рис. 2). При этом, максимальные значения характерны для древесно-травяного и травяно-сфагнового низинных торфов с высоким объемным весом (0,8-0,9 г/см3) -245 кг/м2 (20-30 см) и 398 кг/м2 (150-160 см). На глубине 400-450 см, соответствующей гипновым и травяным низинным торфам, запасы углерода снижаются до 21 кг/м2, что коррелирует с низкими значениями объемного веса торфов (0,15 г/см3).
Болото Главное образовано в нескольких карстовых провалах, объединенных общей торфяной залежью. При этом, центральная и окраинная части имеют разный генезис, что отражают состав и структура торфяных отложений, а также характер растительности. В центральной части болота торфяная залежь представлена сплавиной, которая плавает на поверхности воды, заполнившей карстовый провал глубиной более 12 метров. Мощность сплавины 2 метра и она образована переходными торфами (степень разложения 5-23%). Возраст нижней части сплавины -800-900 лет [17]. На сплавине сформированы мезо- и олиготрофные растительные сообщества.
Запасы углерода в торфяной сплавине центральной части болота Главное варьируются от 17 до 64 кг/м2 (рис. 2). При этом, максимальные значения характерны для горизонта 0-70 см (38-64 кг/м2),в других горизонтах показатель составляет, в среднем, 27 кг/м2. Полученные значения коррелируют с показателями объемного веса торфов по профилю залежи.
Окраинная часть болота имеет целостную или разорванную по структуре торфяную залежь мощностью до 450 см, образованную низинными торфами (степень разложения - до 45%). Радиоуглеродное датирование придонных образцов торфов показало, что формирование залежи началось в субатлантическом периоде [17]. Растительность этой части болота представленаэвтрофными сообществами.
Запасы углерода в торфяной залежи на окрайке болота Главное имеют более широкий диапазон варьирования. Максимальные значения отмечены на глубине 370-380 см - 144 кг/м2, что соответствует древесно-травяному низинному торфу с наиболее высокими показателями
объемного веса (0,6 г/см3). Близкие значения отмечены в сфагновом низинном торфе на глубине 40-50 см - 108 кг/м2. Снижение объемного веса торфов(до 0,02 г/см3) отражается на показателях запаса углерода, значения которого могут понижаться до 5-7 кг/м2.
Болото Кочаки образовалось в середине субатлантического периода голоцена и имеет разорванную торфяную залежь, которая состоит из двух частей, разделенных линзой воды [19, 20]. В составе как придонной, так и сплавинной частей представлены низинные торфа и только в верхнем горизонте сплавины отмечается переход на атмосферное питание, что обеспечило формирование мезо- и олиготрофных ценозов в современном растительном покрове.
В разорванной торфяной залежи запасы углерода изменяются в широких пределах от 3 до 88 кг/м2 (рис. 2). В придонных образцах торфа запас углерода минимален - 3-8 кг/м2, что связано с примесью глинистых частиц с минерального дна болота. Торф на глубине 450-470 см характеризуется высокой влажностью и низким объемным весом до 0,07 г/см3 (это является следствием разрыва залежи при резком обводнении понижения) и потому запасы углерода в таком торфе невысокие - 11-13 кг/м2. Максимальные значения отмечены в сплавинной части залежи на глубине 20-30 см (88 кг/м2) и 70-80 см (69 кг/м2), где представлены травяно-сфагновые торфа с объемным весом 0,24-0,3 г/см3. Запас углерода в остальной части сплавины составляет, в среднем, 37 кг/м2.
Проведенные исследования свидетельствуют о различиях в запасах углерода для торфов разного ботанического состава и степени разложения, что обусловлено гидролого-геологическими условиями. Наиболее высокие значения свойственны травяно-сфагновым переходным или низинным торфам. Постепенное напластование торфов с разными запасами углерода способствует формированию торфяных залежей, в которых общий запас углерода определяется мощностью отложений и продолжительностью их формирования (возраст болот).
Общий запас углерода в торфяных залежах отражает специфику функционирования болотных экосистем и их роль в депонировании углерода. Полученные значения общего запаса углерода, рассчитанные для 1 кв.м залежи, позволили сравнить болота разных типов.
Наиболее высокие запасы углерода на 1 м2 характерны для водораздельного болота Источек и составляют 4464 кг (рис. 3). Такие показатели, вероятно, связаны с образованием болота в атлантическом периоде голоцена и мощностью торфяной залежи (500 см). Следует отметить, что залежь образована низинными торфами, характеризующимися достаточно высокой степенью разложения и объемным весом.
lili
Z5
л .«f .с Jl
</ / ^
Водораздельные Пойменные
Рис. 3. Общий запас углерода в 1м2 торфяных залежей
В торфяной залежи болота Клюква, несмотря на более древний возраст (бореальный период голоцена), общий запас углерода ниже и составляет 3288 кг/м2. Полученные значения следует объяснять меньшей мощностью торфяной залежи, хотя запасы углерода в переходных торфах, доминирующих в залеже, в целом, наиболее высокие.
В торфяных залежах болот Главное и Кочаки запасы углерода существенно ниже, что обусловлено не только «молодостью» болот, возникших в начале или середине субатлантического периода голоцена, но высокой обводненностью карстовых депрессий, в которых происходит развитие болот. В таких условиях разложение отмерших растительных остатков происходит крайне медленно, что приводит к активному вертикальному приросту торфов, характеризующихся низкой степенью разложения. Например, в окраинной части болота Главное общий запас углерода составляет 1571 кг/м2, а в центральной части (сплавина) - 707 кг/м2. На болоте Кочаки показатель имеет близкие значения - 1450 кг/м2.
В торфяных залежах пойменных болот Большеберезовское и Подкосьмово, образовавшихся в атлантический и суббореальный периоды голоцена, запасы углерода отличаются, что можно объяснить продолжительностью торфообразовательного процесса. Так, общий запас углерода в торфяной залеже Большеберезовского болота составляет 2690 кг/м2, а для болота Подкосьмово - 1353 кг/м2 (рис. 3).
Следует отметить, что Большеберезовское болото сходно по мощности торфяной залежи с болотом Клюква (2 метра), а по времени возникновения - с болотом Источек. При этом, запасы углерода в залеже Большеберезовского болота ниже по сравнению с другими объектами. Это подтверждает предположение, что общие запасы углерода в залежах определяются как возрастом болот, так и мощностью торфяных отложений.
Таким образом, запас углерода в торфяных залежах болот зависит от комплекса факторов. Помимо указанных выше, важную роль играют условия водно-минерального питания, определяющие ботанический состав торфов, степень их разложения и объемный вес. Проведенное сравнение болот свидетельствует об их разном вкладе в углеродный обмен.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ-регион № 23-2410054 «Оценка роли разных типов болот Среднерусской возвышенности в углеродном обмене с атмосферой как основа для создания карбонового полигона (на примере Тульской области)».
Список литературы
1. Головацкая Е.А. Моделирование углеродного баланса болотных экосистем южной тайги при различных сценариях изменения климата. Томск, 2007. 26 с.
2. Evaluation of a plot-scale methane emission model using eddy covariance observations and footprint modelling / Budishchev A, Mi Y, van Huissteden J., Belelli-Marchesini L. [et al.] // Biogeosciences. 2014. V. 11(17). P. 4651-4664. DOI: https://doi.org/10.5194/bg-11-4651-2014.
3. Бабиков Б.В., Кобак К.И. Поглощение атмосферного углекислого газа болотными экосистемами территории России в голоцене. Проблемызаболачивания // ИВУЗ. Леснойжурнал. 2016. № 1. С. 9-36.
4. Ratcliffe J., Payne R. J. Palaeoecological studies as a source of peat depth data: A discussion and data compilation for Scotland // Mires and Peat. 2016. V. 18(13). P. 1-7.
5. Inconsistent Response of Arctic Permafrost Peatland Carbon Accumulation to Warm Climate Phases / Zhang H., Gallego-Sala A. V., Amesbury M. J. [et al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2018. V. 32. P. 16051620.
6. Залесов С.В. Роль болот в депонировании углерода // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 7. C. 6-9. DOI: 10.23670/ IRJ .2021.109.7.033.
7. Peatland initiation in Central European Russia during the Holocene: Effect of climate conditions and fires / Novenko E., Mazei N., Kupryanov D. [et al.] //Holocen. 2021. V. 31(4). C. 545-555.
8. Large stocks of peatland carbon and nitrogen are vulnerable to permafrost thaw / Hugelius G., Loisel J., Chadburn S. [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2020. V. 117(34). P. 20438-20446. DOI: 10.1073/pnas.1916387117.
9. Yu Z. Holocene carbon flux histories of the world's peatlands: Global carbon-cycle implications // The Holocene. 2011. V. 21 (5). P. 761-774.
10. Carbon accumulation rate of peatland in the High Arctic, Svalbard: Implications for carbon sequestration / Takayuki N., Masaki U., Akiko S. [et al.] // Polar Science. 2015. V. 9. I. 2. P. 267-275. DOI: 10.1016/j.polar.2014.12.002.
11. Borren W., Bleuten W., Elena D. Lapshina. Holocene peat and carbon accumulation rates in the southern taiga of western Siberia // Quaternary Research. 2004. V. 61. P. 42-51. D0I:10.1016/j.yqres.2003.09.002.
12. Turunen J. Past and present carbon accumulation in undisturbed boreal andsubarctic mires: A review. 2003. Suo. 54(1). P. 15-28.
13. Волкова Е.М. Болота Среднерусской возвышенности: генезис, структурно-функциональные особенности и природоохранное значение: автореф. дис. ... д-ра. биол. наук. Санкт-Петербург, 2018. 46 с.
14. Growing season variability of net ecosystem CO2 exchange and evapotranspiration of a sphagnum mire in the broad-leaved forest zone of European Russia / Olchev A., Volkova E., Karataeva T. [et al.] // Environmental Research Letters. 2013. V. 8 (3). P. 35-51. DOI: 10.1088/17489326/8/3/035051.
15. Волкова Е. М., Зацаринная Д. В., Собина А. А. Особенности генезиса водораздельных сплавинных болот Тульской области // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2020. № 4. С. 65-71. DOI: 10.24411/2071-6176-2020-10407.
16. Estimating carbon accumulation rates of undrained mires in Finland - application to boreal and subarctic regions / Turunen J., Tomppo E., Tolonen K. [et al.] // Holocene. 2002. V. 12. P. 69-80. DOI:10.1191/0959683602hl522rp
17. Волкова Е. М., Новенко Е. Ю., Юрковская Т. К. Возраст болот Среднерусской возвышенности // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2020. № 4. С. 551-561. DOI: 10.31857/S2587556620040135.
18. Волкова Е. М., Калинина М. М., Дорогова А. В. Особенности генезиса водораздельных и пойменных болот Тульской области // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2019. № 4. С. 118-131.
19. Волкова Е.М. Заболачивание карстовых и карстово-суффозионнных депрессий на территории Тульской области. // В кн.: Направления исследований в современном болотоведении России. СПб. -Тула. 2010. С. 146-163.
20. Волкова Е.М. Редкие болота северо-востока Среднерусской возвышенности: растительность и генезис // Бот. журн. 2011. T. 96 № 12. C. 1575-1590.
Леонова Ольга Андреевна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
A VARIETY OF APPROACHES TO THE DETERMINATION OF CARBON
CONTENT IN PEAT
O.A. Leonova
The article discusses the results of determining carbon reserves in peat deposits of various origins in the mires of the Tula region. It is shown that the carbon stock depends on the botanical composition of peat, the degree of their decomposition, the capacity of peat deposits and the duration of the peat-forming process. The revealed indicators indicate the specifics of the functioning of different types of mires.
Keywords: carbon stocks, peat deposits, mires
Leonova Olga Andreevna, post-graduate student, [email protected], Russia, Tula, Tula state university
