Образование диоксида углерода в олиготрофных торфяных залежах

ОБРАЗОВАНИЕ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

В ОЛИГОТРОФНЫХ ТОРФЯНЫХ ЗАЛЕЖАХ

Томский государственный педагогический университет

Томск, Россия, *****@***ru

В работе рассмотрены особенности образования и эмиссии диоксида углерода в олиготрофных торфяных залежах.

За последние десять лет утверждение о том, что климат меняется, из разряда гипотез перешло в разряд несомненных истин. В 1990 году правительства разных стран приступили к переговорам, результатом которых стал Киотский протокол, в котором промышленно развитые страны взяли на себя обязательства сократить эмиссию парниковых газов до определенного размера [1].

Первая Всемирная конференция по климату, состоявшаяся в 1979 году учредила Всемирную программу исследования климата. В течение 1980-х годов программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и Всемирная метеорологическая организация (ВМО) разработали ряд международных научных семинаров, на которых ученые выработали предварительный консенсус относительно сути проблемы и создали межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК). В своем первом аналитическом докладе МГЭИК представила выводы о том, что средняя температура атмосферы Земли начнет возрастать на 0,30С (+0,150С) за десятилетие. Как считают авторы [2], в течение последних десяти тысяч лет на планете ничего подобного не наблюдалось. Поэтому обязательства стран-участников рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК) и Киотский протокол к ней делают важным учет функций экосистем, среди которых приоритетное значение имеет увеличение поглощения (сток) важнейшего парникового газа диоксида углерода и других парниковых газов.

На территории России основным источником парниковых газов (в частности диоксида углерода) являются болота. Но следует отметить, что в настоящее время проводится очень мало исследований углеродного баланса заболоченных земель. Все результаты исследований представленные в печати чаще всего являются разовыми и почти не встречаются сезонные мониторинговые наблюдения. В отношении Западной Сибири подобных исследований совсем мало, несмотря на то, что данный регион характеризуется большими запасами торфа и высоким содержанием депонированного углерода. Томская область занимает центральную часть Западно-Сибирской равнины – крупнейшего торфяного региона мира. Заболоченность территории Томской области достигает 50 %, заторфованность – 36 %.

Целью данного сообщения является изучение условий образования и эмиссии СО2 из болот олиготрофного типа.

Исследования проводились на территории научно-исследовательского полигона «Васюганье», расположенного в пределах Бакчарского района Томской области и относящегося по болотному районированию к Западно-Сибирской таежной болотной области бореально-атлантических выпуклых олиготрофных моховых болот активного заболачивания [3]. В качестве модельного объекта наблюдения за динамикой формирования и эмиссии метана принята территория малого заболоченного водосбора р. Ключ (водосборная площадь 58 км2), расположенного в северо-западной части Васюганского болота (рис. 1).

- Осоково-сфагновая топь

- Низкий рям

- Высокий рям

Рис 1. Пункты наблюдения на олиготрофном болоте

Ландшафтный профиль, на котором проводились исследования, пересекает следующие основные виды болотных фитоценозов: высокий рям (пункт 2), низкий рям (пункт 3) и осоково-сфагновую топь (пункт 5) [3].

На каждом пункте олиготрофных ландшафтов были заложены пункты наблюдений за уровнем болотных вод (УБВ), а также проведены опыты по изучению динамики образования и эмиссии диоксида углерода. С мая по октябрь заполненные дистиллированной водой и закрытые газопроницаемой мембраной камеры опускались в торфяную залежь, предварительно пробуренную торфяным буром ТБГ – 1. По достижении равновесия между газовой фазой торфяной воды и воды находящейся в камере, камеры вынимались из торфяной залежи и пробы анализировали на газовом хроматографе «Кристалл-2000». Эмиссию газов с поверхности измеряли камерно-статистическим методом [4].

Рассмотрим условия образования СО2 в торфяных залежах на примере 2004 г. Основную массу органического вещества торфов составляют растения. Разложение растительных остатков происходит в основном благодаря жизнедеятельности микроорганизмов и составляет основу процесса торфообразования. Химический состав растений определяет скорость и характер разложения тех или иных видов. Наиболее распространенный полисахарид растительного мира – целлюлоза, поэтому обратим внимание на соответствующие группы органического вещества торфа исследуемых объектов. Из группового состава рассмотрим легкогидролизуемые и трудногидролизуемые вещества. В торфяных залежах ландшафтного профиля легкогидролизуемые вещества составляют 2.5 – 15 % от Собщ. Трудногидролизуемых, как правило, еще меньше – 0.6–12 %. Меньше всего гидролизуемых соединений, отожествляемых обычно с углеводами, содержится в торфяной залежи высокого ряма. В целом, можно отметить закономерность: вниз по профилю содержание углеводов закономерно снижается вместе с увеличением степени разложения, что объясняется длительностью периода торфогенеза (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика торфяных залежей пунктов наблюдений

Глубина отбора, см	Вид торфа, тип залежи	Степень разложения, %	Собщ.	ЛГ	ТГ
% от С общ.
Пункт 2 - высокий рям
0-25	сосново-пушицево-сфагновый, В	45-50	45.0	6.0	2.18
25-50	древесно-пушицевый, П	55-50	49.06	2.57	0.71
50-75	древесно-пушицевый, П	55-60	47.12	3.06	0.62
75-100	древесно-пушицевый, П	55-60	43.32	2.49	0.83
Пункт 3 - низкий рям
0-50	фускум торф, В	0-5	42.16	9.46	10.37
50-100	медиум торф, В	0-5	5.39	11.0	12.04
100-150	медиум торф, В	10	48.96	5.11	6.59
150-200	сосново-пушицево-сфагновый, П	50-55	46.13	4.74	1.4
200-250	осоковый, Н	40-45	47.73	8.97	0.8
250-300	осоково-папоротниковый, Н	40-45	31.27	3.81	1.38
Пункт 5 - осоково-сфагновая топь
0-50	сфагновый мочажинный, В	15	43.15	11.11	10.16
50-100	сфагновый мочажинный, В	20	42.50	11.16	9.13
100-150	осоково-сфагновый, П	35	46.45	4.98	3.84
150-200	осоковый, П	50-55	49.16	4.06	1.47
200-250	травяной, Н	50	47.73	5.99	1.47
250-275	папоротниковый, Н	50	39.93	4.29	1.35

Примечание: Собщ. – общее содержание углерода; ЛГ – легкогидролизуемые вещества; ТГ – трудногидролизуемые вещества.

Таким образом, более высоким содержанием углеродсодержащих веществ характеризуются залежи с более мощным торфяным слоем: низкий рям и проточная топь.

В процессе торфогенеза основным продуктом разложения целлюлозы является диоксид углерода. Представляет интерес рассмотреть активность процесса СО2 по всей глубине торфяной залежи и в условиях разных олиготрофных ландшафтов (табл. 2). Наибольшие значения концентрации диоксида углерода характерны для придонных слоев. Причем если рассматривать распределение СО2 по пунктам, можно отметить, что в условиях высокого ряма на глубине 110 см содержание газа выше чем в других пунктах на такой же глубине и сравнимо с концентрацией на глубине 250 см в условиях низкого ряма и осоково-сфагновой топи. Вероятно это связано с тем, что для залежи высокого ряма характерно более высокое содержание ЛГ веществ, поэтому процесс образования СО2 здесь идет несколько активнее. Этим также можно объяснить распределение диоксида углерода в других пунктах. Верхние слои характеризуются высоким содержанием как ЛГ, так и ТГ веществ. На глубине более 150 см содержание ТГ веществ снижается, в связи, с чем субстрат становится более благоприятным для активации микрофлоры.

Таблица 2

Концентрация диоксида углерода в торфяной залежи, ммоль/л

Глубина, см	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь
Пункт 2 - высокий рям
50	не опр.	0,08	0,13	0,14	1,09
110	не опр.	0,61	2,13	1,87	1,68
Пункт 3 - низкий рям
50	0,66	0,07	0,06	0,11	0,79
110	0,86	0,54	1,03	0,98	0,86
170	1,45	1,08	1,55	1,25	1,89
250	1,60	1,12	2,03	1,89	1,45
290	1,63	1,36	1,31	1,99	1,60
Пункт 5 - осоково-сфагновая топь
50	0,82	0,07	0,07	0,09	0,13
110	0,84	1,13	0,12	0,23	0,74
170	1,46	1,41	0,95	1,01	0,95
250	1,88	1,32	1,26	1,54	1,13

Проследим активность СО2-образования в условиях разных олиготрофных ландшафтов. Наибольшая концентрация газа характерна для осоково-сфагновой топи, вероятно, это связано с более высоким содержанием гидролизуемых веществ в залежи. Таким образом, основная масса диоксида углерода в процессе разложения органического вещества образуется в более глубоких горизонтах.

Основная часть образовавшегося СО2 растворяется в воде и лишь нерастворенный газ выделяется в атмосферу. При этом следует отметить, что натурных оценок потока СО2 в атмосферу из торфяных болот сравнительно мало. Согласно результатам исследований [5-8], с 1 м2 поверхности естественных и антропогенных болот может быть выделено от 01.01.01 мг СО2. Такой большой разброс в значениях величины потока СО2 объясняется неодинаковыми условиями торфообразования и использованием разных методов учета эмиссии.

Согласно нашим исследованиям, за период наблюдений на всех пунктах отмечается увеличение эмиссии диоксид углерода в июне, июле и августе, что может быть связано с небольшим понижением УБВ в этих месяцах и, следовательно, малому растворению данного газа в воде. По профилю наибольшая эмиссия отмечается на высоком ряме (от 56.8 до 121.0 мг/м2ч), затем следует низкий рям и осоково-сфагновая топь (от 20.5 до 87.9 мг/м2ч) (рис. 2). Это противоречит распределению диоксида углерода в торфяной залежи, но может быть объяснено уровнем болотных вод. Для топи и низкого ряма характерен высокий уровень воды, следовательно происходит растворение СО2 в воде, в условиях высокого ряма основная часть газа выделяется в атмосферу.

Рис. 2. Эмиссия диоксид углерода с поверхности олиготрофного болота

Таким образом, наиболее активно образование диоксида углерода идет в глубоких слоях, что связано с более высоким содержанием в них легкогидролизуемых веществ. Максимальной эмиссией диоксида углерода среди исследуемых ландшафтов характеризуются высокий рям, что связано с низким уровням болотных вод.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию (проект № А 04-2.13-1071) и РФФИ (04-05-65197).

ЛИТЕРАТУРА

1.  Киотский протокол. Анализ и интерпретация. М., 2001. 303 с.

2.  Морозов протокол и предложения по позиции МПР России // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2002. № 4. С. 87-91.

3.  Васюганское болото (природные условия, структура и функционирование) /2-е изд., под редакцией чл.-корр. . – Томск: ЦНТИ, 2003. – 212 с.

4.  Современные физические и химические методы исследования почв. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1987. 204 с.

5.  Кобак компоненты углеродного цикла. СПб., 1988. 246 с.

6.  Moore T. R., Knowles R. Methane and carbon dioxide evolution from subarctic fens // Can. J. Soil Sci. 1987. № 67. Р. 77-81.

7.  Silvola I. Carbon dioxide dynamics in mires reclaimed for forestry in eastern Finland // An. Bot. Fenn. 1986. V. 23. P. 59-67.

8.  Weider K., Novac M., Schell W. R., Phodes T. Rates of peat accumulation over the past 200 year in the five Sphagnum-dominated peatlands in the United States // J. Paleolimmology. 1994. № 12. Р. 18-23.