CC BY
26
УДК 57.015.6 DOI: 10.24412/2071-6176-2022-3-71-79
РАЗНООБРАЗИЕ ПОДХОДОВ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СОДЕРЖАНИЯ
УГЛЕРОДА В ТОРФАХ
О.А. Леонова
Обсуждаются результаты применения разных методов к определению содержания углерода в торфах различного происхождения на болотах Тульской области. Показано, что, несмотря на отличия в полученных результатах, тенденции изменения содержания углерода по профилям торфяных отложений весьма сходны.
Ключевые слова: содержание углерода, торфяные залежи, болота
Введение
Болотные экосистемы участвуют в биохимическом круговороте углерода, что выражается в поглощении углекислого газа из атмосферы болотными растениями и последующей его эмиссии, как результата комплекса процессов, протекающих в торфяной залежи [1-6]. Наиболее активно процесс аккумуляции протекает на болотах таежной зоны, где сосредоточено более 30 % запасов углерода почв [7-10]. Однако, углеродный баланс, складывающийся из совместного действия биогеохимических процессов, показывает различные колебания интенсивности депонирования углерода во временных и пространственных масштабах.
Среднерусская возвышенность является слабозаболоченным регионом - доля болот не превышает 0,5 % [11]. Несмотря на это, здесь сформированы разные типы болот, которые отличаются как по структуре растительности, строению торфяной залежи, так и по специфике функционирования. Отсутствие достаточных сведений о роли болот региона в депонировании углерода не позволяет в полной мере оценить их роль в круговороте углерода [12-14].
Целью данной работы является изучение содержания углерода в торфах разного происхождения на болотах северо-востока Среднерусской возвышенности с использованием различных методов. Результаты работы позволят оценить точность и эффективность выбранных методов определения содержания углерода в торфах.
Объекты и методы исследования
Регионом исследования является Тульская область, расположенная на северо-востоке Среднерусской возвышенности, на границезоны широколиственных лесов и лесостепи. В качестве объектов исследования
выбрано 6 болотных экосистем различного возраста и генезиса, сформированных в разных геоморфологических условиях (рисунок). Объектами являютсяпойменныеи водораздельные болота. Среди пойменных изучены болота «Большеберезовское» и «Подкосьмово», которые образовались в пойме реки Непрядва (приток р. Дон) и имеют низинные торфяные отложения мощностью 1,2-2,0 м. Водораздельные болота («Клюква», «Главное», «Кочаки» и «Источек») образованы в карстово-суффозионных понижениях глубиной от 2,5 до 6 и более метров. Торфяные отложения низинные, переходные или смешанные, по структуре - целостные, разорванные или сплавинные. Торфяные отложения были пробурены буром конструкции Инсторфа до минерального дна болот. Образцы торфа (каждые 10 см) отбирали по профилям залежей, пакетировали и хранили в холодильнике до проведения лабораторных исследований.
Объекты исследования
Определение содержания углерода в торфяных образцах проводили двумя методами. Первым является метод «мокрого сжигания» по Тюрину в модификации Симакова [15]. Он основан на окислении углерода торфа избытком бихромата калия. Окисление происходит в сильнокислой среде и сопровождается восстановлением хрома. Избыток бихромата в растворе после окисления титруют раствором соли Мора. По разности мг*экв
бихромата до и после окисления определяют содержание органического углерода в торфе [15].
Вторым применяемым методом было определение содержания углерода с учетом доли органического вещества и зольности в единице объема торфа. Для определения объемного веса образцы влажного торфа размером 1 см3 извлекали из кернов и помещали в металлический бюкс, сушили при 105°С, а затем взвешивали. В дальнейшем, определяли зольность высушенного образца сжиганием в муфельной печи при температуре 800°С и последующем выдерживанием при этой температуре до постоянной массы. Образовавшуюся золу взвешивали. Зольность торфа рассчитывали, как отношение массы золы к массе торфа (в %). По разнице массы сухого торфа и зольности определяли долю органического вещества в каждом образце торфа [16]. Определение содержания углерода (%) в образцах торфа по профилю залежи проводили, зная объемный вес, содержание органического вещества в единице объема торфа, а также массовую долю (масс. %) углерода (данные получены наСН^О-анализатореЬЕСОТгиЗресМюго в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН) [17].
Результаты и обсуждение
Применение разных методов оценки содержания углерода в торфах пойменных эвтрофных болот «Большеберезовское» и «Подкосьмово» показало, что показатель, определенный по методу Тюрина, в среднем, составляет 27% и изменяется в пределах от 12 до 48 % по профилю торфяных залежей. Анализ результатов, полученных вторым методом (через расчет зольности в органическом веществе), показал некоторые отличия - содержание углерода составляет, в среднем, 33 % и варьирует от 14 до 41 % (табл. 1). При этом, наиболее высокие значения для «Большеберезовского» болота получены 2-ым методом, а для болота «Подкосьмово» - по методу Тюрина.
Более детальное сравнение результатов определения содержания углерода разными методами по профилю болота «Подкосьмово» позволило выявить существенные отличия. Так,содержание углерода по методу Тюрина, в среднем, составляет 48 % по профилю торфяной залежи болота, варьируя от 7 до 71% (табл. 1). Применение второго метода свидетельствует о более низких значениях: диапазон изменения показателя по профилю залежи составляет 8-40 % (среднее - 29 %). Возможной причиной выявленных отличий является высокая зольность образцов по профилю торфяной залежи. Тем не менее, послойное сравнение результатов, полученных разными методами, показало, что динамика содержания углерода, несмотря на имеющиеся отличия, сохраняется [18,
Таблица 1
Содержание углерода по профилям торфяных залежей пойменных
болот (%)
Глубина, см Содержание углерода по болотам, %
«Большеберезовское» «Подкосьмово»
1 2 1 2
0-10 12,8 15,9 40,6 22,7
10-20 21,2 24,6 41,4 25,0
20-30 29,6 35,2 42,2 28,0
30-40 25,9 31,6 55,8 30,7
40-50 22,2 34,0 69,4 34,9
50-60 24,9 32,9 70,5 39,0
60-70 27,7 36,7 71,5 40,8
70-80 27,4 40,5 67,1 39,7
80-90 27,0 41,8 62,7 34,9
90-100 26,4 38,8 37,7 32,3
100-110 25,7 39,2 13,1 12,7
110-120 28,6 38,8 7,4 8,3
120-130 31,4 36,3
130-140 40,0 36,0
140-150 48,7 36,9
150-160 37,0 36,9
160-170 25,4 34,8
170-180 22,9 33,8
180-190 20,5 27,7
190-200 25,1 14,1
Примечания: 1 - содержание углерода (%) по методу Тюрина; 2 - содержание углерода (%) через расчет доли органического вещества
Водораздельные болота на территории Тульской области формируются в разных геолого-геоморфологических условиях, что определяет не только характер растительности, но и свойства торфяных отложений. Так, водораздельное болото «Клюква» сформировано на склоне водораздела и подстилается песчаными зандровыми отложениями. Растительность болота олиготрофная, а торфяная залежь представлена верховыми и переходными торфами (смешанный тип залежи). Проведенные исследования по содержанию углерода в торфах с использованием двух методов показали существенные отличия. Показатели по профилю залежи, определенные по методу Тюрина,
варьируют от 16 до 39 % (в среднем, 31 %). Результаты применения 2-ого метода показалидиапазон варьированиясодержания углерода от 40 до 57 % (в среднем -48 %) (табл. 2). Важно отметить, что, несмотря на выявленные отличия, наиболее высокие показатели характерны для торфов с древесными остатками.
Таблица 2
Содержание углерода по профилям торфяных залежей водораздельных
болот (%)
Глубина, см Содержание углерода по болотам, %
«Клюква» «Главное» край «Главное» центр «Кочаки» «Источек»
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
0-10 39,3 42,7 27,4 33,5 23,0 34,40 22,2 34,4 21,2 43,0
10-20 37,3 42,7 27,4 35,8 21,5 36,39 21,6 30,4 19,8 43,0
20-30 32,7 40,5 29,3 34,4 20,0 33,00 21,1 30,2 18,3 43,0
30-40 30,5 41,9 30,2 36,7 20,9 41,25 16,3 27,8 18,3 44,0
40-50 34,6 41,4 31,1 38,5 21,7 36,00 11,5 25,1 18,2 44,0
50-60 35,6 43,1 31,1 37,5 22,2 43,00 16,7 28,8 21,6 41,9
60-70 38,7 49,5 32,1 40,3 22,7 42,93 22,0 27,4 25,0 41,8
70-80 36,3 49,7 32,7 38,3 27,8 43,22 20,4 29,5 26,8 43,8
80-90 35,1 49,3 33,2 44,1 33,0 42,00 18,9 32,4 28,6 47,0
90-100 33,9 54,9 33,2 42,3 30,3 38,40 20,1 33,2 27,9 41,4
100-110 35,4 50,0 32,5 36,0 27,5 43,56 21,3 35,6 27,2 42,9
110-120 36,9 52,9 32,2 33,6 28,2 41,14 25,2 37,3 28,8 44,7
120-130 35,3 54,3 31,8 24,0 28,9 24,50 29,2 38,4 30,3 45,9
130-140 33,7 56,9 32,4 39,2 29,5 35,25 29,3 37,8 30,8 46,0
140-150 27,9 52,9 32,7 44,1 30,1 38,33 29,4 39,9 31,3 46,8
150-160 22,1 53,2 32,9 40,8 29,1 43,75 29,7 39,9 27,7 42,0
160-170 37,4 52,1 33,2 41,1 28,1 42,86 30,0 40,7 24,2 40,3
170-180 34,8 47,9 33,3 38,4 27,4 41,67 27,4 40,0 28,4 42,5
180-190 32,3 47,9 33,4 40,9 26,2 45,00 24,9 35,0 32,6 45,2
190-200 30,0 47,9 33,5 42,9 32,6 43,75 22,7 35,5 27,2 45,7
200-210 27,6 52,7 33,5 42,9 20,5 35,0 21,8 42,6
210-220 30,7 52,9 33,7 25,0 22,3 37,8 24,5 43,3
220-230 33,8 54,2 33,6 33,3 24,2 40,6 27,3 46,9
230-240 25,3 48,3 33,6 27,5 22,7 37,3 29,8 42,7
240-250 16,8 52,3 33,6 25,0 21,2 38,2 32,3 47,6
250-260 33,5 34,0 27,5 43,0 32,1 43,2
260-270 33,4 45,0 33,8 47,7 32,0 46,0
270-280 33,4 43,5 31,2 47,6 32,3 47,5
Окончание
Глубина, см Содержание углерода по болотам, %
«Клюква» «Главное» край «Главное» центр «Кочаки» «Источек»
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
280-290 33,3 45,8 28,7 45,4 32,6 43,6
290-300 33,1 47,2 28,8 45,1 29,0 45,7
300-310 33,0 35,3 25,5 43,9
310-320 32,9 43,8 26,0 41,6
320-330 27,7 43,8 26,3 44,2
330-340 25,1 44,6 26,6 45,6
340-350 22,4 42,7 24,3 41,6
350-360 16,9 29,5 22,0 43,0
360-370 14,1 36,9 25,7 40,9
370-380 12,7 24,0 29,5 42,2
380-400 11,3 9,6 27,7 43,8
400-410 28,2 1,3 26,0 46,0
410-420 25,3 28,3 20,8 39,1
420-430 22,3 15,7 14,1
430-440 11,5 21,4 17,0
440-450 10,7 27,1 29,8
450-460 12,8 17,0 21,8 43,0
460-470 14,2 17,6 16,6
470-480 15,6 21,8 12,3
480-490 4,7 8,6 8,0
490-500 18,8 23,0 5,7
500-510 18,8 23,0 3,3
510-520 18,8 22,5
520-530 22,3 33,0
530-540 25,8 36,5
540-550 23,9 35,1
550-560 22,1 34,3
560-570 18,3 19,9
570-580 14,6 7,3
580-590 8,2 2,7
Примечания: 1 - содержание углерода (%) по методу Тюрина; 2 - содержание углерода (%) через расчет доли органического вещества
Болота «Главное», «Кочаки» и «Источек» подстилаются озерными или делювиальными суглинками и подпитываются более минерализованными выклинивающимися грунтовыми или стекающими
поверхностными водами, что определяет структуру растительности и торфяных залежей.
Болото «Главное» представлено двумя различными по генезису частями. Центральная часть является сплавиной с олиго- и мезотрофной растительностью, торфяные отложения сформированы переходными торфами. Содержание углерода в торфах такого типа меняется в пределах 20-33 % и составляет, в среднем, 25 % по методу Тюрина. Применение 2-ого метода показало, что по профилю сплавины показатели варьируют от 24 до 45 % (в среднем - 39%).Сравнение результатов, полученных разными методами, показало сходство в динамике содержания углерода по профилю сплавины (табл. 2).
Окраинная часть болота «Главное», как и болото «Источек», характеризуется эвтрофной растительностью. Торфяные отложения целостные, образованы низинными видами торфа. Содержание углерода в торфах изучаемых болот изменяется в пределах от 11 до 33%, в среднем -27 % (метод1), в пределах 9-47 %, в среднем - 38 % (метод 2). Сравнение результатов показало, что наиболее существенные отличия отмечены для болота «Источек». При этом, результаты, полученные 2-ым методом, часто в 2 раза превышают показатели по методу Тюрина. Это обусловлено высокой степенью разложения торфов и активно протекающими процессами гумификации, что обеспечивает аккумуляцию углерода в гумусовых веществах торфов.
Болото «Кочаки» характеризуется мезотрофной растительностью, которая формируется на разорванной торфяной залежи, состоящей из придонной (низинные торфа) и сплавиной (переходные торфа) частей. Содержание углерода в торфяных отложенияхварьирует в широких пределах - от 8 до 31 % (метод 1) и от 2 до 40 % (метод 2) (табл. 2).
Таким образом, содержание углерода в торфах может быть определено разными методами. Применение метода Тюрина и метода учета зольности в органическом веществе торфапоказало, что наиболее высокие показатели получены 2-ым методом. При этом, максимальные показатели свойственны верховым и переходным торфам олиготрофных болот. Исключение составляет эвтрофноеболото Подкосьмово, характеризующееся высокой зольностью низинных торфов.
Сравнение результатов, полученных разными методами, несмотря на имеющиеся отличия, показало сходную тенденцию изменчивости. Однако, соответствие опубликованным в литературе данным [20-22] свойственно результатам, полученным с учетом зольности в органическом веществе торфа (2-ой метод). Кроме того, данный метод позволяет избежать высокой погрешности в аналитических работах и потому является более точным [23].
Список литературы
1. Головацкая Е.А. Моделирование углеродного баланса болотных экосистем южной тайги при различных сценариях изменения климата. Томск, 2007. 26 с.
2. Оценка вклада растительных сообществ водораздельных карстово-суффозионных болот в СО2-обмен / Е.М. Волкова, А.В. Ольчев, Т.А. Каратаева [и др.] // Современная ботаника в России. Тольятти, Кассандра, 2013. С. 181-182.
3. 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, 11(17). 2014. р. 4651-4664. DOI: https://doi.org/10.5194/bg-11-4651-2014
4. Бабиков Б.В., Кобак К.И. Поглощение атмосферного углекислого газа болотными экосистемами территории России в голоцене. Проблемызаболачивания // ИВУЗ. Лесной журнал. 2016. №1. С. 9-36.
5. Ratcliffe J., Payne R. J. Palaeoecological studies as a source of peat depth data: A discussion and data compilation for Scotland // Mires and Peat vol. 18(13). 2016. P. 1-7.
6. Inconsistent Response of Arctic Permafrost Peatland Carbon Accumulation to Warm Climate Phases / H. Zhang, A. V. Gallego-Sala, M. J. Amesbury [et. al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2018. V. 32. P. 1605-1620.
7. Вомперский С.Э. Роль болот в круговороте углерода // Биогеоценотические особенности болот и их рациональное использование. М., Наука, 1994. С. 5-37.
8. Carbon respiration from subsurface peat accelerated by climate warming in the subarctic / Dorrepaal E., Toet S., van Logtestijn R. S. [et. al.] // Nature. 2009. V. 460. P. 616-619.
9. Yu Z. Holocene carbon flux histories of the world's peatlands: Global carbon-cycle implications // The Holocene. 2011. Vol. 21 (5). pp. 761-74.
10. Quantifying global soil carbon losses in response to warming / Crowther T. W. [et. al.] // Nature. 2016. V. 540. P. 104-108.
11. Волкова Е.М. Болота Среднерусской возвышенности: генезис, структурно-функциональные особенности и природоохранное значение: автореф. дис. д-ра. биол. наук. Санкт-Петербург, 2018. 46 с.
12. Торфяные болота России: к анализу отраслевой информации / Сирин А. А., Минаева Т. Ю. Новиков С. М. [и др.] // [под ред. А. А. Сирина и Т. Ю. Минаевой]. Москва, Изд-во Геос. 2001. 190 с.
13. Growing season variability of net ecosystem CO2 exchange and evapotranspiration of a sphagnum mire in the broad-leaved forest zone of European Russia / A. Olchev, E. Volkova, T. Karataeva [et. al.] // Environmental Research Letters. 2013. V. 8 (3). P.035051 (doi:10.1088/1748-9326/8/3/035051).
14. Динамика развития водораздельных болот на южной границе леса в европейской России / Е.М. Волкова, Е.Ю. Новенко, М.Б. Носова [и др.] // Бюл. Моск. о-ва испытателей природы. отд. биол. 2017. Т. 122. № 1. С.47-59.
15. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. 2е, перераб. и доп. М.: МГУ, 1970. 488 с.
16. A high-resolution GIS-based inventory of the West Siberian peat carbon pool / Y. Sheng, L. C. Smith, G. M. MacDonald [et.al.] // Global Biogeochemical Cycles. 2004. V. 18(3). P. 1-14. DOI: 10.1029/2003GB002190
17. Estimating carbon accumulation rates of undrained mires in Finland - application to boreal and subarctic regions / J. Turunen, E. Tomppo, K. Tolonen [et. al.] // Holocene. 2002. V. 12. P. 69-80. D0I:10.1191/0959683602hl522rp
18. Recent peat and carbon accumulation following the Little Ice Age in northwestern Québec, Canada / S. R. Piilo, H. Zhang, M. Garneau [et. al]// Environ. Res. Lett. 14. 2019.
19. Carbon storage and long-term rate of accumulation in high-altitude Andean peatlands of Bolivia /Hribljan J. A., Cooper D. J., Sueltenfuss J. [et. al] // Mires and Peat. 2015. Vol. 15(12). pp. 1-14.
20. Ефремов С. П., Ефремова Т. Т., Мелентьева Н. В. Запасы углерода в экосистемах болот // Углерод в экосистемах лесов и болот России. Красноярск: Ин-т леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, 1994. С. 128139.
21. Tolonen K., Turunen J. Accumulation rates of carbon in mires in Finland and implications for climate change // The Holocene. 1996. V. 6 (2). P. 171-178.
22. Vasander H., Kettunen A. Carbon in boreal peat lands // Boreal Peat Land Ecosystems. SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg, 2006. P. 165-194.
23. Ефремова Т.Т., Аврова А.Ф., Ефремов С.П. Расчетный метод определения углерода в торфах и моховых подстилках лесных болот по зольности растительного субстрата // Сибирский лесной журнал. 2016. № 6. С. 73-83.
Леонова Ольга Андреевна, аспирант, ya.oly2012@yandex.ru, 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 using the different methods to determine the carbon content in peat of various origins on the mires of the Tula region. It is shown that, despite
the differences in the results obtained, the trends in the carbon content on the profiles of peat deposits are very similar.
Key words: carbon content, peat deposits, mires
Leonova Olga Andreevna, post-graduate student, ya.oly2012@yandex.ru, Russia, Tula, Tula state university.
