Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Настоящим проектом преследуется цель получения новых данных о текущем состоянии и прогнозирование отклика биогеохимического цикла углерода на климатические изменения на территории бассейна р. Енисей выше 60о с.ш. Эта часть его бассейна является одним из наиболее уникальных объектов для биогеохимических исследований в Сибири в силу значительного разнообразия климатических, геоморфологических и биогеоценотических условий. Так, левые притоки р. Енисея дренируют Западно-Сибирскую низменность со значительным распространением болот, а восточные – Среднесибирское плоскогорье и далее на восток резко-континентальные районы Восточной Сибири, где распространение многолетней мерзлоты резко сменяется от островного до сплошного. Не менее важным является и его протяженность с юга на север, что предоставляет возможность исследования биогеохимических процессов в градиенте температур воздуха и почв. На первом этапе реализации проекта проведен анализ временных рядов концентраций парниковых газов и аэрозолей в атмосфере условно чистого района Средней Сибири, полученных на обсерватории ZOTTO, выступающей в качестве точки интегрирования сигнала экосистем бассейна р. Енисей. Показан устойчивый рост концентраций диоксида углерода в атмосфере Средней Сибири – 1.91 ppm/год. Осуществлены исследования чистого экосистемного обмена на основе метода турбулентных пульсаций в трех биоклиматических зонах бассейна р. Енисей: сосняке лишайниковом, верховом болоте и лиственничнике криолитозоны. С целью развития сети мониторинга потоков углерода в бпассейне р. Енисей "KrasFlux" в рамках проекта закуплены 2 дополнительные системы по измерению потоков СО2/Н2О/СН4 (Li-Cor, США) с целью их размещения в темнохвойной тайге и экотоне лесотундры. Проведен ретроспективный анализ стока воды и растворенного углерода, включая его биохимические особенности, для «интегрального» участка гидрохимического мониторинга р. Енисей (п. Игарка). Показаны количественные и качественные характеристики потоков углерода в притоках р. Енисей, дренирующих основные биоклиматические зоны. Выявлено, что пиковых значений поток ОС достигает в бассейнах с диапазоном среднегодовых температур воздуха -6 - -8 оС, совпадает с переходной зоной от прерывистого к сплошному распространению мерзлоты и имеет значительную связь с запасами почвенного органического углерода. Не менее важным результатом этапа является формирование банка данных климатических, геологических, лесорастительных, почвенных и пр. характеристик и параметров территории исследований интегрированных в единую ГИС «Бассейн нижнего Енисея».

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
(1) Были изучены внутри- и межгодовые вариации зоны детекции (охвата) интеграционного атмосферного сигнала. Для периода наблюдений (2008-2014 гг.) на базе стохастической транспортной модели STILT (STILT, www.stilt-model.org) рассчитаны месячные, сезонные и годовые величины площади зоны влияния подстилающей поверхности для концентраций парниковых газов (ПГ) измеряемых на базе обсерватории ZOTTO. Средняя месячная зона детекции варьирует от 2.4×106 до 4.2×106 км2. Проведен анализ вероятного вклада индивидуальных категорий земель в его суммарную величину: вечнозеленые хвойные леса (39±2%), тундры – 11±3%, болота – 11±1%, смешанные леса – 10±1%, листопадные хвойные (лиственничники) – 9±1% и лиственные – 6±2% леса. Посредством комбинации данных инструментальных наблюдений микрофизических свойств аэрозолей атмосферы на базе обсерватории и лагранжевого траекторного моделирования переноса воздушных масс с помощью модели HYSPLIT (Draxler, Rolph, 2003) оценены существующие сигналы в формировании аэрозольного состава атмосферы для значительной части Евразийского континента. Установлены значения фоновых счетной (700 - 1000 cм-3) и объемной (2 - 4 мкм3 cм-3) концентрации аэрозолей атмосферы. Отмечены области с повышенными концентрациями аэрозолей: индустриальные районы Европы (до 1500 cм-3), южные территории Сибири (1300–1500 cм-3) и область на крайнем северо-востоке Сибири (1200–1500 cм-3). (2) Был проанализирован изотопный состав парниковых газов и биохимический состав аэрозолей. Установлено, что амплитуда годовых колебаний δ13C-CO2 в атмосфере в 2006-2013 гг. составила 2.63 ‰ (-6.89 - -9.51‰), а его сезонный ход продемонстрировал обратную зависимость от концентрации диоксида углерода, что отражает вклад биологических процессов в динамику состава атмосферы Сибири: поглощение СО2 атмосферы и фракционирование изотопов в процессах фотосинтеза. Динамика δ18O-CO2 в течение безморозного периода также согласуется с поведением биологических процессов поглощения/выделения СО2 в биогеоценозах. Получена величина δ13C для смешанного источника СО2 в атмосфере Средней Сибири, составившая -28.30‰, что отражает поступление в атмосферу значительно обедненного тяжелым изотопом диоксида углерода. Отдельно для зимнего периода (январь-март) значение составило –30.43±2.54‰, а вегетационного сезона (май-сентябрь) -27.34±1.36‰. Очевидно, что облегченным источником СО2 зимнего периода являются антропогенные эмиссии (δ13C нефтепродуктов -30 – -32‰, δ13C природного газа –28 - –46‰). В вегетационный период, а также и октябре, источник СО2 имеет значения δ13С характерные биомассе С3 растений (-26.6 - -28.6‰,). Биохимический состав аэрозолей (ангидросахара, фенольные соединения лигниновой природы, вегетационный индекс фенолов лигнина (LPVI) и обратный траекторный анализ переноса воздушных масс от источников горения позволил выявить вклад пожаров в светлохвойных и темнохвойных типах леса, а также преимущественные типы горения ОВ (верховые и низовые пожары). (3) Были изучены количественные и качественные характеристики эмиссий ПГ в разных типах экосистем. Выявлено, что уровни эмиссии СО2 в болотных ландшафтах относительно незначительны, но соизмеримы с со значениями полученными для сосновых лесов (1 umolС/м2/с). Более высокие скорости выделения СО2 в среднетаежной подзоне тайги оказались характерны темнохвойным лесам Енисейского кряжа (3.38±1.51 umolС/м2/с). Максимальные значения выделения СО2 зафиксированы в лиственничниках и березняках криолитозоны Среднесибирского плоскогорья (п. Тура) – 6.0±2.8 и 4.6±1.5 umolС/м2/с, соответственно, что отражает накопление в этих условиях высоколабильного ОВ потенциально уязвимого микробиологической деструкции при потеплении климата. При существующих климатических условиях величины почвенной эмиссии СО2 в лиственничниках не превышают 2.9 umolС/м2/с . (4) Была проведена оценка величин чистого экосистемного обмена (NEE) в экосистемах разных биоклиматических зон. На основе данных прямых измерений потоков СО2 методом турбулентных пульсаций было показано, что в течение вегетационного периода 2015 г. исследованные биогеоценозы среднетаежной подзоны тайги (сосняк лишайниковый и верховое болото) и лиственничник северной тайги представляли собой сток углекислого газа атмосферы: -11.0 и -10.4 и -14.0 моль/м2/сезон, соответственно. (5) Был проведен анализ концентрации, состава и экспорта углерода в стоке рек бассейна р. Енисей. Установлено, что в период весеннего половодья концентрации РОУ и CO2 в реках бассейна Енисея и его русле максимальны, варьируя в пределах 6.5-30.0 мгС/л и 620-3570 ppm, соответственно; в летнюю межень фиксируются промежуточные значения – 4.8-18.0 мгС/л (250-1630 ppm) и минимальные в зимнюю межень – 2.7-6.5 мгС/л. Наиболее низкие концентрации углерода характеры рекам Енисейского кряжа, покрытых темнохвойной тайгой, а максимальные – западным притокам со значительным распространением болот. Главные правые притоки характеризуются высокими концентрациями РОУ и значительным вкладом в его вынос в СЛО (24, 10 и 20% годового стока р. Енисей, соответственно). Анализ качественных (растворенный лигнин, ангидросахара, бензен-поликарбоксикслоты, спектральные и флуоресцентные индексы), а также изотопных характеристик Сорг позволил выделить его терригенные источники, как в основных типах подстилающей поверхности, так и внутри ландшафтов в отдельные фазы гидрологического года. Впервые для бассейна р. Енисей получены сведения о поведении концентраций растворенного СО2 и его эмиссии с поверхности рек. Для западных притоков обнаружено «сверхобогащение» вод растворенным диоксидом углерода в весенний (2750±756 ppm) и летний (971±341 ppm) периоды, а также и значительные эмиссии СО2 с поверхности воды. Выявленные изменения концентраций растворенного СО2 в русловом стоке р. Енисей в меридиональном направлении (58-67о с.ш.) в весенний и летний периоды предполагают его поступление из притоков и далее выделение («дегазацию») в атмосферу. (6) Проведены работы по созданию ГИС «Бассейн нижнего Енисея». Геостатистический анализ данных ГИС позволил оценить пространственно-временную вариабельность климатических параметров для ключевых водосборных бассейнов притоков р. Енисей. Широтное распределение водосборов определяет закономерное снижение среднегодовых температур с юга на север от -1 до -9 °С при равномерном распределении годовых осадков в интервале 500 – 600 мм. Рассчитанные за период с 1931 по 2010 гг. статистические показатели абсолютных линейных трендов среднегодовых температур воздуха и суммы годовых осадков показывают устойчивый годовой прирост для всех бассейнов по температуре (от 0.2 до 2 °С) и преобладающий прирост по осадкам (до 85 мм). Тренды среднемесячных температур воздуха и суммы месячных осадков показывают значительную сезонную и пространственную вариации по бассейнам. Разработана демонстрационная офлайн-версия информационной картографической базы данных «Бассейн нижнего Енисея». В пакет данных включены картографическая и описательная информация об основных параметрах ключевых водосборных бассейнов (карты типов земного покрова, преобладающей породы, почв, запас древесной биомассы, содержания органического углерода в почве, а также основные и производные климатические параметры водосборов и гидрохимические измерения). Доступ к информационному пакету возможен по адресу (http://forest.akadem.ru/BGCC/pr_RNF142400113_r2015.html).

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проводящийся долговременный мониторинг концентраций парниковых газов и аэрозолей наряду с анализом обменных потоков углерода в экосистемах направлен на выявление биологических и антропогенных процессов участвующих в формировании состава атмосферы. Комплексный анализ результатов многолетних инструментальных измерений (2010–2016 гг.) концентраций парниковых газов (ПГ) и аэрозолей в атмосфере был осуществлен для диагностики источников их географического формирования на основе данных по изотопному составу метана, массовой концентрации атмосферного аэрозоля, концентрации моноксида углерода (CO), концентраций органического углерода (OC), элементарного углерода (EC) и общего углерода (TC = OC + EC) и общая масса углерод-содержащей фракции (ТСМ). На этапе 2016 г. нами была рассмотрена динамика концентраций метана и его изотопного состава (δ13C-CH4 и δD-CH4) в приземном слое атмосферы условно фонового района Сибири для периода. По данным ESRL (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends_ch4/) глобальная концентрация метана в атмосфере после относительно стабильных уровней в 2000-2006 гг. начала резкое увеличение начиная с 2007 г. и достигла в сентябре 2016 г. 1844 ppb. Годовой прирост СН4 варьировал в этот период от 4.7 в 2012 г. до 12.6 ppb/год в 2014 г. Наблюдения за концентрацией СН4 в атмосферном воздухе над западной Сибирью, начатые нами в 2009 г., действительно показывают его устойчивое ежегодное увеличение, причем за последние три года наблюдений рост концентраций в атмосфере региона характеризуется значительным ускорением. Так, среднегодовая концентрация СН4 в 2010 году составляла 1919 ppb, в 2013 году – 1933 ppb, а в неполном 2016 году – 1962 ppb. Среднемноголетняя скорость роста СН4 над западной Сибирью составила 7.6 ppb/год, что практически в два раза выше, чем на станции “Shetlands” (4.1 ppb/год), расположенной в условиях морского пограничного слоя на такой же географической широте (1.25º з.д., 60.08º с.ш.). Для выявления возможных источников СН4, определяющих динамику СН4 в атмосфере, наиболее часто используется анализ изотопного соотношения стабильных изотопов (δ13С-СН4 и δD-СН4). На основе зависимости отношения произведения δ13С-СН4хСН4 от СН4 (модифицированный метод Keeling plot) выявлено, что величина δ13С-СН4 и δD-СН4 для смешанного источника СН4 в вегетационный сезон (июнь-сентябрь) составляют -76.4±2.6 ‰ и -342.2±14.8 ‰ соответственно. Для холодного периода (декабрь – февраль) мы получили значения -59.2±2.2 ‰ и -297.5±17.7 ‰ для δ13С-СН4 и δD-СН4, соответственно. Очевидно, что метан летнего периода формируется преимущественно его поступлением из болотных биогеоценозов с пиком в августе (δ13С-СН4 болотного метана до -80‰, Whiticar and Schaefer, 2007). Утяжеление δ13С-СН4 в зимний период происходит в результате снижения эмиссий биогенного и возрастания доли в атмосфере термокаталитического метана (δ13С-СН4 природного газа добываемого на территории Сибири ≈-40‰ (Немченко и др.., 1999; Гончаров и др., 2009). Вместе с тем, вклад этого источника в концентрацию СН4, регистрируемую на обсерватории ZOTTO, значительно меньше, чем в центральной части западной Сибири, где смешанный источник СН4 характеризуется более тяжелым изотопным составом: -65‰ и -282‰ для теплого времени года и -41.2‰ и -247‰ для холодного периода (Umezawa T. et al., 2012). При анализе характеристик аэрозольной компоненты (массовой концентрации атмосферного аэрозоля, концентраций органического углерода (OC), элементарного углерода (EC) и т.д) нами выявлено, что несмотря на удаленность станции наблюдений от населенных пунктов и промышленных центров, атмосферный воздух над бореальными лесами среднетаежной подзоны Приенисейской Сибири содержит массовую концентрацию аэрозоля и углеродсодержащую фракцию аэрозольных частиц в количествах, существенно превышающих фоновые значения. Фоновые их концентрации наблюдались в относительно короткие временные интервалы, суммарная продолжительность которых не превышает 30% от периода наблюдений. В остальное время вариации в содержании моноксида углерода (СО) в ПСА, и тесная корреляционная связь между органическим (ОС) и элементарным углеродом (ЕС) в зимний (r2 = 0.80) и летний (r2 = 0.93) сезоны указывает на то, что оба компонента поступали в атмосферу от источников горения, а сильное сезонное различие в их отношениях (ОС/ЕС = 9.1 ± 2.8 - зимой и 36.7 ± 9.4 - летом) свидетельствует о различной природе источников эмиссий атмосферного аэрозоля. Так низкое относительное содержание ОС, наблюдаемое в зимний период (1.8 ± 0.7 мкг/м3), указывает на техногенные источники загрязнений, а его высокое содержание в летний сезон (14.6 ± 11.4 мкг/м3) свидетельствует о преимущественном вкладе эмиссий от лесных пожаров. Минимальные сезонные значения концентраций в основном были зафиксированы либо в периоды господства арктических воздушных масс, проходящих через малонаселенные районы, либо в периоды отсутствия адвекции. В летний сезон, в отсутствие лесных пожаров, вариации фоновых концентраций ОС тесно коррелировали с температурой воздуха (r2 = 0.90), что указывает на преимущественно биогенные источники образования органической фракции аэрозольных частиц. На основе данных прямых измерений потоков СО2/CH4 методом турбулентных пульсаций проведена оценка чистого экосистемного обмена (NEE) на участках в лесо-болотных комплексах Западной Сибири, темнохвойной и лиственничной тайге, а также плоскобугристом болоте экотона лесотундры. В 2016 г. нами зафиксирован значительный рост стока атмосферного СО2 в среднетаежной подзоне (район ZOTTO) по сравнению с предыдущим годом. Так, в сосняке лишайниковом и среднем ряме NEE составил около -20 мольСО2/м2/сезон, соответственно. Темнохвойное насаждение правобережья Енисея также характеризовалось более продолжительным сезоном поглощения СО2 атмосферы, а его кумулятивный NEE в 2016 г. составил -12.9 моль СО2/м2/сезон. Обратная картина показана для лиственничника, где NEE в 2016 г. снизился до -9 моль СО2/м2/сезон. Плоскобугристое болото (Игарка) на момент прекращения измерений имело близкий к 0 кумулятивный сезонный поток СО2, несмотря на относительно высокие уровни его поглощения в середине вегетационного периода (-0.34 uмоль/м2/30 мин). Более того, данная экосистема являлась источником СН4, кумулятивный поток которого достиг 42 ммоль/м2/сезон. Помимо этого, дополнительно с латеральным стоком (сумма РОУ, РНУ и ВОУ) с территории бассейна по нашим оценкам было вынесено около 0.78 мольС/м2/сезон. А с учетом эмиссий СО2 с водной поверхности общие потери составили > 1 моль/м2/сезон. Доля латерального экспорта (РОУ, РНУ и ВОУ) в гидрографическую сеть от величины NEE составила в 2016 г. для лиственничников криолитозоны Средней Сибири около 4% (4.3 гС/м2/год) и 1.7% (4.0 гС/м2/год) для лесоболотных комплексов Западной Сибири. Таким образом, исследованные биогеоценозы, за исключением экотона лесотундры, представляли собой средний по мощности сток атмосферного СО2. На основе двухлетних маршрутных исследований дана оценка годового экспорта РОУ и РНУ с водосборных бассейнов притоков р. Енисей в пределах 58-67.5о с.ш. (n=21). Показано, что поступление РОУ в водотоки варьирует от 0.74 до 6.17 гС/м2/год и характеризуется обратной зависимостью от среднегодовой температуры воздуха в бассейнах как у восточных, так западных притоков. Повышение выноса РОУ за пределы ландшафтов наблюдается со снижением среднего угла наклона в бассейне и описывается обратной степенной функцией FРОУ = 1.94 х Slope-0.52 (R2=0.66, p<0.05). Наибольшие значения концентраций РОУ выявлены в реках бассейна Подкаменной Тунгуски, дренирующих криогидроморфные ландшафты зоны прерывистого распространения мерзлоты. Латеральный поток РНУ (0.93-4.53 гС/м2/год) в анализируемых водотоках не обнаружил достоверных связей с климатическими факторами и орографией бассейнов. Наиболее важную роль в формировании потока РНУ играют литологические особенности бассейнов. В частности, для бассейна р. Енисей нами показан рост концентраций РНУ в водотоках при увеличении δ26Mg, обусловленного растворением докембрийских карбонатных пород (δ26Mg = -1.5 – -2.2‰, Mavromatis et al., 2016, GCA). В пределах относительно гомогенного по литологии Среднесибирского плоскогорья, где получили распространение преимущественно силикатные породы, потоки РНУ в реках (n = 8) характеризуются экспоненциальной зависимостью от среднегодовой температуры воздуха (MAAT) FРНУ = 4.88 х е0.15 х MAAT (R2=0.94, p<0.05) в диапазоне от -10.9оС (р. Тембенчи) до -6.1 оС (р. Подкаменная Тунгуска). Рост температур в зоне гипергенеза и деградация мерзлоты в пределах Среднесибирского плоскогорья существенно увеличивают латеральную миграцию РНУ в водотоки в форме гидрокарбонат-иона (Kolosov et al., 2016). Латеральный сток растворенных ПГ и их эмиссия с поверхности водотоков остается одним из наименее изученных компонентов цикла углерода. В ходе экспедиции на теплоходе от 55 до 68о с.ш. в русловом стоке р. Енисей были впервые в Сибири определены параметры изменчивости концентраций растворенных СО2 и СН4, а также их изотопного состава с помощью анализатора Picarro 2201-i. Варьирование рСО2 в водах р. Енисей в летнюю межень составило от 118 до 900 ppmv (6-73 µмоль/л), а δ13С-СО2 изменялся, соответственно, от -12 до -21‰. Концентрации растворенного метана в русловом стоке р. Енисей превышали его значения в атмосферном воздухе в 4-340 раз на всем протяжении маршрута. Изотопный состав растворенного метана (δ13С-СН4) руслового стока р. Енисей характеризовался достаточно резкими изменениями и значительным варьированием от -35.1 до -75.3‰ с участками выходов биогенного и термокаталитического метана. Максимальные уровни pСН4 (>>100 ppmv) регистрировались на мелководных участках западного берега р. Енисей, свидетельствуя об активном метаногенезе в донных отложениях.