СЕЗОННЫЕ ПОТОКИ МЕТАНА В ПОЙМЕННОМ БОЛОТЕ СРЕДНЕТАЕЖНОЙ ПОДЗОНЫ (СЕВЕРО-ВОСТОК ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ)

М.Д. Сивков, Е.Н. Патова

Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, Сыктывкар

E-mail: sivkov@ib.komisc.ru

SEASONAL FLOWS OF METHANE IN THE FLOODPLAIN BOG OF THE MIDDLE TAIGA ZONE (NORTH–EAST EUROPEAN RUSSIA)

M.D. Sivkov, E.N. Patova

Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar

Введение

В связи с проблемой климатических изменений актуальной задачей является оценка выделения парниковых газов различными природными ландшафтами. Метан – второй по значимости парниковый газ после диоксида углерода (Carbon ..., 2013). Один из основных источников метана в северных экосистемах – переувлажненные заболоченные комплексы, где в анаэробных условиях разложение органических веществ происходит с образованием метана. Если в типичных болотных ландшафтах Западной Сибири годовые потоки метана относительно хорошо изучены, то на севере европейской части такие сведения не многочисленны (Сезонные изменения ..., 1998; Глаголев, 2008, 2010). Для средней тайги европейского Северо-Востока получены сведения о потоках метана за ряд вегетационных периодов для олиго-мезотрофного болота (Мигловец, 2014; Ecosystem ..., 2016) и первые экспериментальные данные годового потока метана для осоково-сфагновой ассоциации пойменного болота (Сивков, 2018). Более обобщающая информация по годовым потокам метана для переходных болот, широко распространенных в поймах рек и озер этой зоны, отсутствует, что определило необходимость проведения подробных исследований для оценки вклада СН₄ в баланс углерода пойменных болотных комплексов на европейском Севере.

Цель работы – анализ данных круглогодичных мониторинговых измерений потоков метана на пойменном болоте в подзоне средней тайги.

Материал и методы

Измерения потоков метана проводили на участке озерной сплавины пойменного/переходного болота c минеротрофным питанием. Болото формируется в прибрежной полосе старичного озера длиной около 1 км и шириной до 90 м (61°33′25.0″ с.ш., 50°46′28″ в.д.). Водный режим озера связан с гидрологическим режимом реки, водоем постепенно зарастает, превращаясь в болото. В озерной котловине береговую зону занимают островки переходного болота шириной 5–50 м, на одном из которых (шириной до 50 м) проводили исследования. На экспериментальном участке мощность торфяной толщи в середине участка составляла около 1 м, которая уменьшалась в направлении уреза воды. Изотопный анализ торфа показал, что основная часть его залежи сформировалась примерно за 700 лет (неопубликованные данные авторов). Уровень болотных вод (УБВ) постоянно высок, лишь на некоторых участках он снижается в среднем на 15 см, поэтому основная масса торфяной толщи болота круглогодично находится ниже уровня болотной воды. Значения рН болотных вод за время наблюдений варьировали в диапазоне 4.40–4.80, рН вод торфа – 4.45–4.68. Растительный покров озерной сплавины сформирован сосудистыми растениями Carex aquatilis Wahlenb., C. vesicaria L., Eriophorum polystachion L., E. vaginatum L., Menyanthes trifoliata L., Comarum palustre L., Equisetum fluviatile L., Oxycoccus palustris Pers., Alnus incana (L.) Moench, Betula pubescens Ehrh., Pinus sylvestris L. В моховом покрове доминируют сфагны Sphagnum angustifolium (C.E.O. Jensen ex Russow) C.E.O. Jensen и S. riparium Аngstr., с низким обилием отмечены S. girgensohnii Russow, S. teres (Schimp.) Аngstr. и зеленый мох Straminergon stramineum (Dicks. ex Brid.) Hedenаs.

В современной литературе эмиссию метана рассматривают как результирующую скоростей производства метана, переноса и потери посредством окисления (Strack, 2004; Глаголев, 2006 и др.), поэтому эмиссию мы оценивали как результирующую метаногенеза (образования метана), диффузионного переноса и метанотрофного окисления (утилизации метана), не вдаваясь в детали гросс-продуцирования данного газа и его окисления. Круглогодичные систематические измерения эмиссии метана в микроландшафтах выполнены в 2014 г. методом закрытых камер (Crill, 1991; Oechel, 1994). За вегетационный сезон принимали период от схода снега на участках весной до установления устойчивого снежного покрова осенью. Измерения выполняли на четырех мониторинговых локальных участках, наиболее типичных для растительных сообществ исследованного болота и имеющих особенности по структуре растительности и локализации относительно уреза воды. Участок № 1 находится примерно в центре болота, растительность представлена только сфагновыми мхами, доминирует S. angustifolium. Участок № 2 занимает центральную часть болотного комплекса, наиболее обильны пушица и осоки, в нижнем ярусе – сфагновые мхи и клюква. Участок № 3 занимает промежуточное положение между центральной частью болота и участками, примыкающими к урезу воды. Здесь произрастают в основном осоки и хвощи, нижний ярус формируют сфагновые мхи и клюква. Участок № 4 – самый влажный, находится на периферии болота, отличается высоким уровнем болотных вод. Здесь растут крупные осоки, хвощ, вахта, нижний ярус сообществ формирует S. riparium.

На каждом участке установили по две металлические рамки размерами 40×40 см² с желобом для создания гидрозатвора. Измерения выполняли три раза за сутки с интервалом 3–5 суток летом и по одному разу в дневное время весной и осенью с интервалом 5–7 дней. Со специально оборудованных мостков пробы воздуха начинали отбирать спустя 3 мин после установки камеры на рамку. По истечении этого времени концентрация СН₄ в камере в любое время суток и на любом участке изменялась линейно благодаря высокопроизводительному вентилятору. Зимой с момента установления снежного покрова и до его схода измерения выполняли в периоды потеплений при внешней температуре не ниже –3...–5 °С, снег убирали заблаговременно, камеру размещали на заранее установленные в болото рамки. Максимальная глубина снежного покрова к концу зимнего периода измерений составляла до 80 см. Измерения начинали спустя 1 ч после уборки снега (Сивков, 2018).

Отбор проб выполняли в 20-миллилитровые трехкомпонентные шприцы Apexmed (Россия) четыре раза в течение 15 мин и спустя 3–8 ч в лабораторных условиях анализировали на содержание метана. Специальные измерения показали отсутствие изменений концентрации метана в применяемых нами шприцах в 12-часовом периоде. В течение года проведены измерения температуры воздуха в приземном слое с использованием станции микроклимата НОВО-021 (США), а также мохового покрова и торфа на глубинах 1, 5, 10, 20, 30, 40, 60 см от поверхности моховой дернины с применением автономных температурных логгеров DS-1922L (США).

В течение всего сезона после отбора газовых проб сразу же измеряли УБВ в предварительно установленных рядом с участками пластмассовых трубках диаметром 2 см. Измерения выполняли после оттаивания в них льда весной и вплоть до замерзания в них воды. За уровень болотных вод принимали модуль разницы между текущим и максимальным в сезоне значением УБВ, который наблюдали поздней осенью.

Измерения метана выполняли на газовом хроматографе Цвет-800 (Россия) с пламенно-ионизационным детектором. Использовали двухметровую стальную колонку с сорбентом Porapak N 80/100. Газ-носитель – гелий; расход гелия через колонку составлял 30 мл мин^–1, водорода – 40, воздуха – 300 мл мин^–1. Температура колонки – 50 °С. Для калибровки хроматографа использовали две стандартные смеси производства «Линде-Газ-Рус» (Россия) с концентрациями метана 5.0 и 17.5 ppm, имеющие абсолютную погрешность 4 %. Калибровку выполняли перед каждой серией измерений после двухчасового прогрева прибора.

Для оценки кислорода ниже УБВ проведены измерения его концентрации с помощью прибора HQ 30D (Hich, США) с погружаемым флуоресцентным датчиком растворенного кислорода LDO (Lange, Германия).

Статистический анализ

Удельные потоки метана рассчитывали по результатам измерений СН₄ в камере, используя линейную регрессию. В расчет принимали только регрессии с коэффициентами детерминации не ниже 0.999. Исходные данные для разных участков за вегетационный сезон составляли временные ряды из 17–30 значений и 6–8 результатов потоков метана в зимний сезон. Суточные значения удельных потоков рассчитывали как среднее из трех измерений за сутки. Сезонные удельные потоки метана за периоды без снега и со снегом рассчитывали аппроксимацией сезонных кривых эмиссии метана полиномиальной функцией. Определялись на степени аппроксимирующей функции, если использование более высокой степени не улучшало прогнозные свойства (по значению скорректированного R²) и аппроксимирующая функция показывала наименьшую сумму квадратов отклонений (разницы расчетных и экспериментальных значений). В таблицах и в тексте приведены средние и стандартные ошибки средних двух и более измерений. Все статистические анализы выполняли в программе Statistica 13.

Результаты

Температурный режим торфа. Как показали сезонные наблюдения, рост температуры аэробного слоя 0–15 см мохового покрова, следуя за температурой внешнего воздуха, завершился в середине июля, в торфяном слое ниже уровня болотных вод 20–60 см – к середине августа (рис. 1). Со второй половины августа в слоях ниже 5 см от поверхности болота суточные температурные колебания были незначительными. Результаты измерений температуры в разных слоях мохового покрова показывают, что даже при существенной суточной амплитуде температуры воздуха (около 18 °С) колебания температуры торфа более или менее выражены в 10-сантиметровом аэробном слое, в нижележащих слоях на глубине более 20 см их практически не наблюдали (рис. 2).

Рис. 1. Температурный режим торфяной залежи на глубине от 1 до 60 см за бесснежный период (на примере участка № 3).

Рис. 2. Суточный ход температуры в разных слоях напочвенного покрова и торфяной залежи в момент измерения потока метана в июле (на примере участка № 3). По оси абсцисс – часы в сутках, по оси ординат – температура, °C.

Сезонная эмиссия метана в разных сообществах растений. На рис. 3 представлен типичный ход эмиссии метана в годичной шкале на примере участка № 3, а также сезонной температуры торфяной залежи на глубине 30 см от поверхности и уровня стояния болотной воды относительно его максимального уровня в году. Как на участке № 3, так и на других участках динамические кривые сезонной эмиссии метана представляют собой одновершинные кривые с оптимальными значениями в июле. Они полностью согласуются с сезонными температурами торфяной залежи на глубинах 30 см для участков № 1–3 и 20 см для участка № 4 от ее поверхности (R>0.92), в отличие от температур в других слоях напочвенного покрова и торфа. В табл. 1 приведены результаты измерений удельных потоков метана на экспериментальных участках и эмиссий за вегетационный сезон и зимний период. Максимальный удельный поток метана 13.19 мг СН₄ м^–2 ч^–1 наблюдали на участке № 4. Средняя величина 12.33±0.35 мг СН₄ м^–2 ч^–1 удельного потока в июле на этом участке достоверно выше (р<0.000), чем на других участках.

Рис. 3. Сезонный ход эмиссии метана, уровня болотных вод и температуры на участке № 3. СН₄ – удельный поток метана, мг м^–2 ч^–1; УБВ – уровень болотной воды, см; Темп. – температура торфа (°С) на глубине 30 см. Точки соответствуют средним за сутки измерениям эмиссии метана (n=2–6).

Самый низкий показатель потока метана 2.81 мг СН₄ м^–2 ч^–1 выявлен на участке № 1 с единичными побегами осок, средняя величина эмиссии 1.94± 0.20 мг СН₄ м^–2 ч^–1 достоверно ниже (р<0.0000) относительно других участков. Различия средних значений эмиссий метана на участках № 2 и 3 существенно не отличались (р=0.145).

За вегетационный период максимальный уровень удельного потока метана 39.4 г СН₄ м^–2 зарегистрирован на участке № 4, зимняя эмиссия метана здесь также была максимальной. На удаленных от уреза воды участках № 2 и 3 при прочих равных показателях среды наблюдали не столь высокие уровни эмиссии метана – 23.6 и 27.5 г СН₄ м^–2 соответственно. Самые низкие величины выделения метана – 6.5 и 1.14 г СН₄ м^–2 – в вегетационном и зимнем периодах отмечены на участке № 1.

Зависимость эмиссии метана от температуры в сезонной динамике. Анализ экспериментальных данных показал, что лучше всего удельные потоки метана в сезонном интервале времени были согласованы с изменениями температуры торфа на глубине 30 см на участках № 1–3 и 20 см на участке № 4, а функционально кривую зависимости эмиссии от температуры описывала экспоненциальная функция (рис. 4).

Рис. 4. Зависимости потоков метана (мг СН₄ м^–2 ч^–1) от температуры на участках № 1 и 2. Точки на графиках представляют средние значения измерений (n=2–3).

Нелинейные регрессии (модели) приведены в табл. 2. При достаточной частоте наблюдений в разные периоды года показатели нелинейных связей (коэффициенты детерминации R²) эмиссии с температурным фактором высокие (0.92–0.97), а все коэффициенты в моделях статистически значимые.

Полученные модели объясняют 92–97 % вариаций удельных потоков метана в зависимости от температуры в 20–30-сантиметровых горизонтах болота.

Кислород в болотной воде. Измерения показали полное отсутствие кислорода практически уже у самого УБВ. Лишь однажды после кратковременного ливневого дождя на участке № 2 наблюдали повышение кислорода до 3 мг л^–1, когда датчик был установлен на 2 см глубже УБВ, но уже спустя 4 ч кислород датчиком не регистрировался.

Обсуждение

На всех участках максимальные удельные потоки метана фиксировали в июле после достижения оптимальных значений температур в слоях торфа, расположенных ниже УБВ (табл. 1). Наиболее высокий уровень удельного потока метана зарегистрирован на участке № 4. Близость озерной воды, соответственно постоянно высокий УБВ, отсутствие кислорода в болотной воде, развитая биомасса сосудистых растений и сфагновых мхов создают на данном участке благоприятный режим для метаногенеза и обеспечивают вынос СН₄ с меньшими потерями в аэробном слое с окисляющими метан бактериями. Учитывая, что в среднем уровень болотных вод в течение сезона на основном массиве участка не был ниже 15 см от поверхности, можно с уверенностью отметить, что условия для метаногенеза на данном участке благоприятны уже в самых верхних уровнях торфяной толщи болотной сплавины. Из литературы известно, что метаногенная активность обнаруживается в болотных комплексах приблизительно на глубине 8 см от уровня стояния воды, глубже на 10–20 см достигает максимума, а потом падает экспоненциально (Глаголев, 2006). Если исходить из этих значений, то на исследованных участках основная метаногенная активность должна быть сосредоточена в слое торфа на глубине 25–40 см от поверхности болота.

Относительно низкие удельные потоки метана зарегистрированы на участке № 1, что при прочих равных условиях с участком № 2 по температурному режиму и УБВ обусловлено отсутствием здесь осок и других сосудистых растений. Известно, что различные виды растений в торфяниках могут оказывать сильное влияние на динамику выхода CH₄ в атмосферу (Kao-Kniffin, 2010; Plant species ..., 2010; Bhullar, 2014). Экспериментально было показано различие потоков метана в опыте, где присутствовали сосудистые растения и в контроле без них (Глаголев, 1999). Выявлено, что травянистая растительность усиливает продукцию CH₄, обеспечивая лабильный субстрат непосредственно в бескислородной зоне, где происходит образование метана (Saarnio, 1999; Strоm, 2005). Многие сосудистые растения при разложении создают свежую и легко разлагающуюся подстилку, а их корневые экссудаты обеспечивают субстрат для микроорганизмов, осуществляющих метаногенез (Глаголев, 1999; Strоm, 2005; Effect of plant ..., 2017). С другой стороны, сомкнутый моховой покров без сосудистых растений представляет большее препятствие для диффузии метана, удлиняя время его нахождения в аэробном слое.

Максимальная амплитуда суточных изменений эмиссии метана (30 %) проявлялась на участке № 1, где сосудистые растения отсутствуют, на других участках максимальные суточные колебания эмиссии находились в пределах 10–12 %. Отметим, что такие цифры зарегистрированы в периоды высоких суточных амплитуд температуры воздуха, достигающих 20 °С и более. Поэтому в эти периоды измерения метана проводили три раза за сутки – утром, днем и вечером, а в расчет принимали средние за сутки значения. С другой стороны, на участке № 4 с высоким уровнем УБВ суточной аритмии эмиссии метана не выявлено в течение всего сезона. Здесь суточная стабильность эмиссии метана предопределена стабильным температурным режимом в толще мохового покрова и торфа, а также высоким и стабильным УБВ в сезоне.

В летних измерениях, когда температуры торфа достигли максимальных величин, редко и только на участке № 1 наблюдали случайные выбросы метана, или так называемый «пузырьковый эффект». Возможно, такой эффект обусловлен высокой скоростью образования метана при повышенных температурах и невозможностью быстрого отведения его скоплений ввиду отсутствия здесь осок, способствующих выходу этого газа. К тому же есть сведения о том, что при повышенных температурах метанотрофы (микроорганизмы, утилизирующие метан) в аэробном слое торфа не в состоянии полностью компенсировать увеличение производства метана метаногенами (Temperature-induced ..., 2012).

В зимнее время на всех участках также отмечено выделение метана. Особенность температурного режима пойменного болота, отличающая его от других типов болот, в том, что зимой здесь промерзание верхнего слоя торфа происходит только к концу холодного периода, не каждый год и не на всех участках. Поэтому степень промерзания поверхности болота и, следовательно, скорость выделения метана зависят от суровости зимы и высоты снежного покрова. В морозные и малоснежные зимы промерзший верхний слой, по нашим наблюдениям, к концу февраля может достигать до 10–15 см. Он формируется из нескольких слоев льда, каждый из которых образуется при вытеснении воды из обводненных горизонтов торфа под давлением снега после обильных снегопадов. В таких условиях метан концентрируется подо льдом и по мере его таяния высвобождается в атмосферу. Вследствие этого реальный поток метана в зимнее время может быть на 2–4 % выше от измеренных величин (Сивков, 2018).

Из табл. 1 видно, что доля зимней эмиссии на участках составляла 15.5–20.3 % годовой и была максимальной на участке № 4. С учетом 2–4 % метана, сконцентрированного в подледном состоянии и по мере таяния льда высвобождающегося в атмосферу, максимальная эмиссия метана на исследованном болоте может составлять до 24 % годовой. Численные значения потоков метана для исследованного болота укладываются в диапазон показателей, полученных рядом исследователей, занимавшихся измерениями сезонных и годовых потоков метана камерным методом в других географических зонах. Например, в торфяниках Миннесоты на зимние потоки приходится до 21 % годового потока СН₄ (Dise, 1992), а в Нью-Гемпшире – только 4 % годовых выбросов СН₄ (Melloh, 1996). До 12 % годового объема СН₄ производят насыщенные почвы в обводненных болотах национального парка «Rocky Mountain», штат Колорадо (Winter fluxes ..., 1998). Для омботрофных болот Западной Сибири вклад в ежегодные зимние потоки метана варьировал от 3.5 до 11 % в зависимости от метода расчета (Panikov, 2000). В Финляндии в олиготрофных болотах средние значения выделения метана с сентября по май составили 8.0 г СН₄ м^–2, а в минеротрофных болотах – 19.0 г СН₄ м^–2 (Methane fluxes ..., 1998). Максимальные значения зимних эмиссий (23.8 % от годовых) отмечали на бугристых болотах штата Квебек (Канада) (Strack, 2004). Полученные нами зимние потоки СН₄ для пойменного болота близки к результатам для минеротрофных болот Финляндии, находящихся примерно на широте наших исследований, где зимняя эмиссия метана составляет 22 % от годовой (Winter CO₂ ..., 1999). Приведенные выше значения и наши результаты указывают на то, что зимние эмиссии метана составляют важную часть годовых бюджетов этого газа и их следует учитывать в годовых балансах СН₄.

Заключение

В результате исследований получены первые сведения о потоках метана в вегетационный и зимний сезоны, а также рассчитаны годовые потоки метана для переходного пойменного болота среднетаежной подзоны Республики Коми. В данном типе болот ввиду незначительных изменений в сезонной динамике уровня болотных вод доминирующим фактором для потоков метана является температурный режим торфяной толщи. Установлено, что пространственная вариабельность эмиссии метана обусловлена структурой растительных сообществ на исследованных участках и уровнем болотных вод, временная изменчивость – температурой торфяной залежи. Максимальная скорость эмиссии метана в сезонной динамике отмечена на участках с высоким уровнем болотных вод и высоким проективным покрытием осок, минимальная – на участках со сфагновым покровом при отсутствии осок.

Согласно имеющимся прогнозам, в текущем 100-летии в средних и высоких широтах будет продолжаться потепление и увлажнение климата. Известно, что функциональная активность у связанных со сфагновыми мхами микроорганизмов метанотрофов и метаногенов зависит от температуры и уровня болотных вод, поэтому можно предположить, что потепление и увеличение количества осадков могут привести к изменению скорости образования и эмиссии метана.

Полученные авторами результаты могут быть использованы при анализе сезонных потоков метана в других типах болот среднетаежной зоны и станут основой для дальнейших экспериментов для переходных/пойменных болот.