КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-17-00237
НазваниеМеханизмы формирования гидрохимического стока Оби: регулирующая роль поймы
РуководительВоробьев Сергей Николаевич, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 2018 г. - 2020 г. | , продлен на 2021 - 2022. Карточка проекта продления (ссылка) |
Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-209 - Биогеохимия и органическая геохимия
Ключевые словазаболоченный водосбор, пойма реки Оби, транспорт углерода, химические элементы, мировой океан, структура гумусового вещества, геохимический спектр, почвы, ГИС
Код ГРНТИ38.33.23
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время на фоне глобальной дестабилизации климата наблюдается дестабилизация экосистем, а так же связанное с этим увеличение поступления растворенного органического углерода в реки и эмиссии углекислого газа (CO2) и метана (CH4) в атмосферу. В связи с этим проводятся наблюдения за транспортом органического углерода сибирских рек, таких как Енисей, Лена, Обь, изучаются определяющие его факторы. Считается, что геохимический состав воды в реках формируется исключительно на территории водосборов и отражает происходящие на них процессы. Если для рек Енисей и Лена это положение справедливо, то в реке Обь формирование геохимического состава воды происходит несколько сложнее. В реке Обь геохимический сток с территории водораздела существенно изменяется под воздействием поймы и пойменных процессов. Пойменные массивы выполняют функции регуляторов стока. Механизмы воздействия поймы на геохимический сток с водосбора разнообразны и разнонаправлены и, кроме того, пойма сама по себе является крупным поставщиком (источником) органического углерода и химических элементов. Органический углерод, диоксид углерода, метан, образованные в пойме являются частью стока реки Оби.
Сведения о масштабах их образования непосредственно в пойме отсутствуют. В то же время пойменные почвы в совокупности с пойменными водоемами обеспечивают ежегодное образование большого количества биомассы. Продуктивность почв поймы реки Оби значительно выше, чем продуктивность бедных почв ее водосбора. Большое количество отмершей биомассы в период паводка разлагается, переходит в растворенное состояние и транспортируется в основное русло. Важной особенностью поймы реки Оби является то, что ее малые притоки перед объединением с основным руслом реки текут по территории ее поймы. Это расстояние может достигать 80 и более километров. В основном они движутся среди заболоченных, богатых органическим веществом ландшафтов, которые имеют сильную гидравлическую связь с этими притоками. В паводок пойменные воды реки Оби скрывают мелкие водотоки и заливают поймы малых рек на многие километры выше токи их соединения с поймой.
Происходящие в паводок гидрохимические и пойменные процессы значительно сложнее, чем простое смешивание пойменных и водораздельных вод. Тем не менее, органические кислоты в различных водах имеют разные соотношения структурообразующих элементов. Эти соотношения достаточно устойчивы и позволят разделить воду притоков и воду поймы. Благодаря этому свойству органических веществ и стабильным изотопам (углерод - 13, дейтерий, кислород -18) можно установить происхождение воды и проследить их движение в пойме, русле в разные сезоны года. Проектом предусмотрено определение геохимического состава этих вод, а также прямое измерение в них растворенного диоксида углерода и растворенного метана. Полученные результаты позволят оценить влияние поймы на геохимический состав стока реки Оби, а также впервые оценить пойму, как самостоятельный источник геохимического стока. Проектом предусмотрена общая оценка основных механизмов, влияющих на состав органического вещества в воде водораздела и поймы.
Важной частью проекта, которая будет выполняться в течение всего времени, является методический раздел. В первую очередь это адаптация методик исследования органического вещества в воде к органическому веществу почвенных растворов.
Для этих целей будут использоваться мембранно-окситермографический метод распределения органического вещества по фракциям, комплекс методов исследования молекулярно-массовых распределений и форм органического вещества, органометаллических комплексов и другие перспективные для этих целей методы. Такой комплекс методов к изучению органического вещества и его структуры для сравнения водных объектов будет применен впервые.
Для оценки соотношения поступающих в русло потоков из поймы и с водоразделов будут проведены гидрологические исследования. Будут использоваться данные федеральной службы «Росгидромет». Самостоятельные замеры расходов воды будут проводиться периодически, во все основные фазы водного режима. В это же время будут отбираться образцы на химический анализ. На модельных реках будут установлены автоматические сенсоры для определения уровня воды. Процесс затопления поймы водами реки и процесс поступления насыщенных гумусовыми веществами вод из поймы в речную воду будет фиксироваться беспилотными летательными аппаратами. Опыт фиксации таких процессов получен нами при проведении аэровизуальных наблюдений затопления поймы Оби в 2015 году. В это же время будут отбираться образцы воды на анализ органического вещества, изотопов и металлов.
Для исследования поймы реки Оби предполагается использовать гидрологическое деление системы реки Оби на три основные части. Верхняя Обь – участок речной системы от истоков реки до впадения реки Томь. Средняя Обь – участок системы от впадения реки Томь до впадения реки Иртыш. Нижняя Обь - участок системы от впадения реки Иртыш до Обской губы. Верхнюю и Нижнюю Обь предполагается исследовать маршрутным методом. На участке Средней Оби, где образуется основная часть гидрохимического стока реки, предполагается использовать комплекс методов: маршрутный, метод стационаров, метод ключевых участков, ландшафтно-геохимического картографирования.
На этом участке будут проводиться детальные гидрологические, ландшафтные, почвенно-геоботанические исследования. Будут проводиться круглогодичные наблюдения за динамикой (суточная, месячная, годовая, многолетняя) основных исследуемых показателей и параметров.
Для пространственного анализа и обобщения данных будет создана обобщенная ландшафтно-геохимическая цифровая картографическая модель, содержащая качественную и количественную информацию об основных потоках органического углерода и металлов в пойме, прилегающих к ней территорий и механизмах воздействия поймы на геохимический сток углерода и металлов в мировой океан.
На ее основе будут созданы и проанализированы 2 модели оценки вклада поймы Оби в общий экспорт органического углерода и химических элементов с территории Западной Сибири в мировой океан. Балансовая модель - с использованием данных о содержании химических элементов поступающих с водоразделов и из поймы и их разбавлении в русле Оби. Балансово – идентификационная модель с использованием данных о составе и структуре органического вещества, стабильных изотопов во всех водных объектах и русле Оби.
Ожидаемые результаты
Основным результатом проекта будет оценка доли пойменных экосистем Западной Сибири в экспорте органического углерода и химических элементов в мировой океан. Эти сведения актуальны в связи с обеспокоенностью мировой общественности нестабильностью климатических процессов и заинтересованностью в прогнозированием отклика экосистем на их изменения.
Будут созданы и проанализированы 2 модели оценки вклада поймы Оби как самостоятельного источника в общий экспорт органического углерода и химических элементов с территории Западной Сибири в мировой океан:
- балансовая модель - с использованием данных о содержании химических элементов поступающих с водоразделов и из поймы и их разбавлении в русле Оби;
- балансово–идентификационная модель с использованием данных о составе и структуре органического вещества в водных объектах и русле Оби.
Важным результатом проекта, по нашему мнению, будет обоснование комплекса методов, которые позволят оценить условия формирования стоков рек по их геохимическим спектрам и структуре гумусовых веществ. Такой подход к изучению органического вещества и его структуры для сравнения водных объектов будет применен впервые. Он позволит приступить к созданию банка данных состава и структуры гумусовых веществ и геохимических спектров лантаноидов для отдельных водосборов, необходимый для их мониторинга.
Будут впервые получены данные о содержании в водных объектах и донных отложениях водоразделов и поймы гумусовых веществ и их свойств, таких как элементный состав, доля углерода алифатических и ароматических группировок, их соотношение.
Впервые будет проведено сравнение по этим показателям рек, сформированных на разных водоразделах, с разными условиями формирования стока, а также водных объектов в разных элементах поймы и паводковых водах.
В процессе выполнения работ будут получены сопутствующие результаты, имеющие значимость для изучения процессов, происходящих в Западной Сибири. Например, впервые будут получены данные оценки интенсивностей потоков диоксида углерода и метана камерным методом в разных водных объектах на территории водоразделов и в пойме. Эти данные могут быть полезны при моделировании эмиссии парниковых газов в Западной Сибири.
Будет проведена оценка изменения изотопного состава речных вод под действием пойменных процессов (вероятное изменение в результате фракционирования в процессе испарения, разгрузки грунтовых вод и т.д.), а также оценка вклада различных источников питания р. Обь в ее среднем течении и их изменения в широтном направлении перед поступлением в Северный Ледовитый океан.
Будет опробован способ оценки гумусовых веществ в воде при помощи беспилотных летательных аппаратов и создана цифровая картографическая модель поймы Средней Оби на основании почвенно-геоботанического и гидрохимического обследования с использованием данных тепловизионной съемки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Западная Сибирь являются важнейшим поставщиком углерода и других химических элементов в атмосферу и Северный Ледовитый океан. Важная роль в этом процессе принадлежит малым притокам и пойме Оби. Их особенностью является аномальное обогащение РОУ, СО2 и металлами, которых может быть на 1-2 порядка больше, чем в руслах крупных рек. В то же время установлено, что поток эмиссии СО2 с поверхности открытой воды в атмосферу может превышать латеральный экспорт углерода реками. Фундаментальной научной задачей является оценка выноса растворенного СО2 с речными водами, эмиссии СО2 с поверхности открытой воды в атмосферу для выявление взаимосвязи между гидрохимическими и газовыми режимами в крупной реке (на примере реки Оби) и ее малых притоках. Большие реки имеют некоторые особенности, которые отличают их от малых рек. В среднем течении Оби наблюдается существенный, на 1-2 порядка, градиент концентраций РОУ, СО2 и некоторых металлов между малыми притоками и основным руслом. Целью проекта является установление взаимосвязи между гидрохимическим и газовым режимом в Оби и притоках: малые реки как основные поставщики нетрансформированного органического вещества, биогенов, метало-органических комплексов и коллоидов в Обь.
Первый год выполнения проекта является в большей степени организационным и предполагает работу с фондовыми и литературными материалами, а также предварительное обобщения собственных материалов, полученных нами ранее по р. Оби, р.Енисею и их водосборам.
В результате выполнения проекта обобщены имеющиеся в свободном доступе фондовые и литературные материалы о пойме Оби. Разработана геоинформационная система «Обь-GIS» для сбора, хранения и анализа материалов, получаемых в ходе выполнении проекта. Изготовлены рабочие картографические материалы, получены материалы космической съемки и проведена их первичная обработка, обобщены гидрологические и метеорологические данные (1959-1975 гг., 2013-2018 гг.). Составлены почвенно-геоботанические, гидрохимические карты, карты температурной дифференциации ландшафтов поймы Средней Оби по данным крупномасштабной съемки в ИК диапазоне в масштабах М 1:5000, М 1:50000, М 1:200000.
Анализ многолетних метеорологических данных при выполнении работ по проекту позволил выявить некоторые локальные особенности климата в исследуемом районе. Имеющиеся в нашем распоряжении архивные данные температуры и влажности почв исследуемой территории позволили по характеру гидротермических режимов и сезонным их изменениям разделить аллювиальные почвы различных участков поймы на основные группы.
В ходе выполнения работ обоснованы и закреплены на местности ключевые участки для проведения в будущем стационарных работ на водоразделах и в пойме, проведена их инструментальная геодезическая съемка. На ключевые участки составлены предварительные карты болот, растительности, почв, четвертичных отложений, поверхностных водных миграционных потоков. Проведена аэрофотосъемка высокого разрешения в оптическом и инфракрасном диапазоне с использованием беспилотного летательного аппарата и проведена оценка температурной дифференциации водных объектов, заболоченных и суходольных ландшафтов. Выявлено, что тепловизионная съемка наиболее эффективна на малых высотах и в ночное время суток. В это время хорошо диагностируется температура подстилающей поверхности. В дневное время ее мешает диагностировать растительность. Температура растительности значительно выше и она перекрывает излучение от подстилающей поверхности.
Проведен анализ изображений и тематическое дешифрирование разновременных космических снимков. Получены материалы снегомерной съемки на ключевых участках, в период максимального снегозапаса, определен состав стабильных изотопов D-H и O-18 в снеге, пойменных водоемах и в реке Оби. Полученные результаты показали перспективность использования данных о стабильных изотопов для идентификации источников воды в пойме.
Отобраны образцы воды в реке Оби на наиболее типичных ее участках, притоках, пойменных водоемах, поверхностно-грунтовых и грунтовых водах, образцы донных отложений и почв. Образцы подготовлены для исследования органического вещества, общего гидрохимического, геохимического анализа и определения стабильных изотопов D-Н и O-18 в воде. Получены данные об электропроводности, рН, растворенных СО2, О2 в водных объектах: Оби на наиболее типичных ее участках, притоках, пойменных водоемах, болотных водах, поверхностно-грунтовых и грунтовых водах
Получены новые гидрологические и гидрохимические данные о притоках реки Оби и ее пойменных водоемах, проведено наблюдение за речным стоком с заболоченных водосборов.
Получены данные о химическом составе (С, N, микро- и макроэлементы) болотных вод, речных и пойменных вод в динамике в основные фазы водного режима, донных отложений При наблюдении за химическим стоком речных, озерных и болотных вод учитывались два контрастных сезона, весенний паводок и летний меженный сток. Наблюдения за этими сезонами позволили выделить элементы, которые контролируются притоком подземных вод (DIC, Na, Mg, Ca, SO4, Sr, Mo, Sb и U) и элементы, которые контролируются поверхностным стоком, формирующимся при разложении опада растений и выщелачивания верхнего слоя почвы, особенно во время весеннего половодья (Si, K, Rb, Mn, Zn, и Cu). В то же время Cl, Zn, Cd, Sb, Cs и Pb в озёрах и паводковых озерах в мае могут быть значительно подвержены влиянию отложение аэрозоля (таяние снега). В паводок в Оби растворенный химический состав потока может быть приближен в пределах ± 30-40% к химическому составу зоны затопления – озерных и болотных вод.
Получены новые данные об электропроводности, рН, растворенных СО2, О2 в водных объектах: Оби на наиболее типичных ее участках, притоках, пойменных водоемах, болотных водах, поверхностно-грунтовых и грунтовых водах. Выявлена высокая изменчивость всех измеряемых параметров в пойменных водоемах в разные сезоны. Наблюдается изменчивость этих параметров в Оби, но по сравнению с пойменными водными объектами ее можно считать незначительной. Прямые инструментальные замеры в водных объектах и ландшафтах показали высокую дифференциацию водных объектов и заболоченных пойменных ландшафтов по измеряемым величинам. Наибольшая величина растворенного О2 характерна для периода паводка во всех ландшафтах. В меженный летний период содержание растворенного О2 в реке Оби практически не изменилась, а в пойменных водоемах уменьшилось. В заболоченных ландшафтах величина О2 также уменьшилась. Выявлены суточные колебания О2 в пойменных водоемах и заболоченных ландшафтах. В ночной период суток величина О2 уменьшается в среднем на 10%, в дневное время увеличивается. Такая закономерность изменения О2 связана с фазами фотосинтеза. В дневное время, в световую фазу фотосинтеза происходит увеличение О2, в ночное, в темную фазу фотосинтеза растения поглощают О2 и выделяют СО2, за счет дыхания растений. В ночное время СО2 в водных объектах увеличивается, в дневное уменьшается. В реке Оби суточные колебания между ночным и дневным временем не выявлены, это связано с высокой неоднородностью русловых потоков в реке.
Проведена оценка интенсивностей потоков СО2 и метана в разных водных объектах, оценка потоков СО2 из разных ландшафтов камерным методом. Впервые получены данные об интенсивности потоков СО2 пойменных объектов Оби в атмосферу. Предварительные результаты показали существенную разницу между фазами – минимальные потоки характерны для максимального паводка, максимальные потоки для межени. В пойменных болотах и заболоченных ландшафтах потоки в разные фазы отличаются более чем в 3 раза. Как показали результаты измерения потока СО2 в атмосферу камерным методом ландшафты поймы и водные объекты существенно отличаются по величине эмиссии СО2 в разные сезоны года. Наименьшие результаты характерны для реки Обь. В притоках Оби сток которых формируется на заболоченных водосборах величина эмиссии значительно выше и достигает 500 ppm в час. Наибольшие потоки характерны для заболоченных ландшафтов поймы. Согра (заболоченный березовый лес) дает наибольший вклад потока СО2 в атмосферу (8850 ppm в час), пойменное болото 4675 ppm в час), заболоченный луг 2872 ppm в час. заболоченных ландшафтах содержатся наибольшие концентрации растворенного СО2 - более 30000 ppm. Данные эмиссии СО2 в атмосферу из пойменных ландшафтов получены впервые и свидетельствуют о значительной роли поймы.
Получены данные о ботаническом составе торфа и степени его разложения, химических характеристик торфов по всей глубине торфяной залежи основных типов болот водораздельных территорий и поймы и новые сведения о составе и структуре органического вещества в наиболее типичных пойменных водных объектах.
На исследуемом участке поймы отсутствуют, торфяные колонки, отобранные с территорий водосбора притоков Оби сосоят из верхового торфа, биологически инертного с высокой емкостью поглощения и адсорбционной способностью. Основным торфообразователем является слаборазложившийся сфагнум фускум. В структуре торфяной залежи много включений среднеразложившихся остатков сосны и других древесных остатков. В структуре органического вещества преобладают фульвакислоты и незначительное количество гуминовых кислот. Судя по составу торфа питание болот в основном атмосферное. Признаков торфов формирующихся при участии грунтовых вод на исследованном участке не обнаружено.
Впервые получены данные о химическом составе по 39 образцам болотных вод, речных и пойменных вод в динамике в основные фазы водного режима, донных отложений. В каждом образце определены следующие элементы: Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Th, U.
Выполнены анализы органического вещества и его структуры, характеристики гуминовых кислот (элементный состав, доля углерода алифатических и ароматических группировок. Проведены количественные сравнения степени ароматичности макромолекул ГК.
В целом, электронные спектры поглощения гуминовых кислот исследуемой воды имеют вид пологих кривых, убывающих с длиной волны, характеризующихся монотонностью. Для многих ГК доля углерода, представленного ароматическими структурами, прямо пропорциональна коэффициенту экстинкции при длине волны 465 нм. Это позволяет в первом приближении оценивать степень ароматичности и относительную устойчивость ГВ по Е-величинам.
В целом по результатам выполнения работ по проекту получено большое количество материалов, которые требуют дальнейшего анализа и обобщения.
Публикации
1. Крицков И., Лим А., Манасыпов Р.М., Лойко С.В., Широкова Л.С., Кирпотин С.Н., Карлссон Я., Покровский О.С. Riverine particulate C and N generated at the permafrost thaw front: case study of western Siberian rivers across a 1700-km latitudinal transect Biogeosciences, Volume 15, issue 22, 6867-6884 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.5194/bg-15-6867-2018
2. Прокушкин А.С. , Корец М.А., Панов А.В., Прокушкина М.П. , Токарева И.В. , Воробьев С.Н. Покровский О.С. Carbon and nutrients in the Yenisei River tributaries draining the Western Siberia Peatlands International Journal of Environmental Studies, - (год публикации - 2018)
3. Раудина Т.В., Лойко С.В., Лим А., Манасыпов Р.М., Широкова Л.С., Истигечев Г.И., Кузьмина Д.М., Кулижский С.П., Воробьев С.Н., Покровский О.С. Permafrost thaw and climate warming may decrease the CO2, carbon, and metal concentration in peat soil waters of the Western Siberia Lowland THE SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT, Т. 634. С. 1004-1023. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.059
4. Серикова С., Покровский О. С., Ала-Ахо П., Казанцев В., Кирпотин С. Н., Копысов С. Г., Крицков И. В., Лоудон Х., Манасыпов Р. М., Широкова Л. С., Соулсби С., Тетзальф Д., Карлсон Я. High riverine CO2 emissions at the permafrost boundary of Western Siberia Nature Geoscience, Volume 11, Issue 11, Pages 825-829 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1038/s41561-018-0218-1
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследования биогеохимических свойств р. Обь, малых рек и пойменных озер проводились в среднем течении реки Оби, в районе научно-исследовательской станции «Кайбасово» Томского государственного университета. Получены данные о миграции органического вещества в пойме в период паводка с использованием крупномасштабной съемки в оптическом и ИК диапазоне с беспилотных летательных аппаратов. Для съемки динамики водной поверхности водосборов и поймы использовался квадрокоптер и дельталет. Результаты полетов показали, что снимки в оптическом диапазоне дают резкие, контрастные границах смешивания вод Оби и затопленной поймы. Для составления термограмм поймы использовалась тепловизионная съемка с дельталета.
В ходе выполнения проекта впервые получены данные интенсивностей потоков газов CO2 и CH4 камерным методом в разных водных объектах поймы средней Оби в основные фазы водного режима. Средние потоки СО2 в русле Оби (4 ± 5,1 г С м2) были выше, чем в водных объектах поймы (1,1 ± 3,2 г С м2). Средние потоки СН4, наоборот, были немного ниже в русле Оби (0,02 ± 0,02 г C м2) (0,02 ± 0,02 г C м2) по сравнению с поймой. Потоки CO2 и CH4 показали сезонные различия с максимумом в летние периоды для русла Оби (CO2: от 4,6 ± 4,1 г C м2 в мае до 8 г C m2 в июне; CH4: 0,014 г С м2 в мае), а также для поймы (с 0,02 ± 1,7 г С м2 в мае до 8,9 ± 6,3 г С м2 в июле; CH4: с 0,03 ± 0,02 г C м2 в мае до 0,09 ± 0,02 г C м2 в июле).
Выявлено, что в маловодный год суммарная годовая эмиссия Оби была в 5 раз больше, чем пойменных водоемов. Интересно, что пойма показала очень низкую эмиссию углерода с тенденцией снижения ее в начале паводка. Русло Оби, в то же время, было постоянным источником углерода в атмосферу. Это свидетельствует о сильном эффекте разбавления при больших поступлениях воды, достигающей поймы, а также дополнительных поступлениях талой воды из окружающего ландшафта. С наступлением летних базисных условий роль поймы становится более важной. Потеряв почти половину водного покрытия, пойма теряет прямую связь с основным руслом реки и становится достаточно изолированной. В то же время повышение температуры может привести к усилению разложения органики в реке и, вероятно, способствует более высоким скоростям потоков с поверхности воды в атмосферу. В год с малым паводком вклад поймы в чистый выброс СО2 был относительно низким, пойма практически не заливалась. Однако не исключено, что пойма может иметь большее значение в более экстремальные паводковые годы, когда затапливаются большие площади. Однако очевидно, что игнорирование эмиссии пойменного С в таких экстремальных условиях затопления может привести к ошибкам в расчетах речных бюджетов С и может привести к недооценке общего объема эмиссии речного С, особенно в тех регионах, где отсутствуют крупномасштабные измерения потока пойменного С.
Получены данные о содержании, составе и структуре органического вещества вод реки Оби, малых рек и пойменных водоемов. Установлено, что в районе стационара Кайбасово в Оби максимальное количество растворенного неорганического углерода (РНУ) приходится на начало весны, в то время как в водах малых рек его количество в это время снижается, а пик приходится на конец лета. Содержание растворенного органического углерода (РОУ) малых рек превышает его содержание в Оби, причем максимальное содержание его в малых реках отмечено в июле месяце, в период летней межени. В пойменных водоемах содержание РОУ сопоставимо с содержанием в малых реках, причем в зимнюю межень оно выше, чем в половодье. Содержание РНУ в Оби в среднем выше, чем в малых реках. Содержание РОУ, напротив, в малых реках значительно выше, чем в Оби и максимальное количество его в малых реках отмечено в период летней межени. В Оби содержание РНУ практически не изменяется в течение всего сезона. Содержание метана уменьшается по мере перехода от пойменных водоемов к основной реке, содержание кислорода увеличивается. Концентрации растворенного СО2 в Оби значительно меньше, чем в озерах, но в малых реках больше, чем в озерах. Для кислорода наблюдается обратное распределение. Во время половодья разница в содержании веществ у различных типов водоемов менее существенна. Река Обь характеризуется неоднородным содержанием растворенных СО2 и О2 в течение года, при этом закономерности в суточной динамике О2 и СО2 не наблюдаются.
В реке Обь в течение всего года показатель SUVA254< 3, что указывает на преобладание в составе растворенного органического вещества гидрофильного материала и низкомолекулярных алифатических соединений как в межень, так и в паводок. В малых реках ароматичность и гидрофобность органического вещества значительно выше, чем в Оби, особенно в период половодья, в озерах, напротив, в зимний период ароматичность и гидрофобность органических веществ повышается. Для природных вод исследуемого района значения коэффициента E254:E436 составили от 39,6 до 13,4, что говорит о высоком содержании автохтонного органического вещества в составе растворенного органического. В период зимней межени воды Оби более богаты автохтонным органическим веществом, чем в весеннее половодье, в малых реках и озерах процентное содержание аллохтонного вещества выше, чем в Оби. Максимальные отличия показателей состава органического вещества Оби и малых рек приходится на осенние и зимние месяцы, в период половодья значения коэффициентов разных типов объектов наиболее близки между собой.
В ходе выполнения проекта впервые на основе ЯМР-спектров получены данные о структуре органического вещества в водных объектах, донных отложениях, в торфах и почвах водоразделов и поймы средней Оби. Установлено, что структуры торфа, донных отложений и почв отличаются: в донных отложениях содержание углеродных радикалов меньше по сравнению с торфом и почвой. Структура всех исследуемых образцов представлена короткоцепочечными органическими кислотами до C10. Получены данные о размерах молекул, содержании ароматичексих фрагментов и степени гумификации органических веществ. Установлено, что в малых реках гидрофобность органического вещества выше, чем в Оби, особенно в период половодья, степень бензоидности повышается в период половодья. Максимальные отличия показателей состава органического вещества Оби и малых рек приходится на осенние и зимние месяцы, в период половодья значения коэффициентов разных типов объектов наиболее близки между собой.
В динамике проведено определение ряда свойств водных объектов in situ. По результатам измерений установлено, что параметры сильно менялись в зависимости от сезона года. Максимальные концентрации растворенного кислорода и минимальные растворенного углекислого газа отмечены в паводок, минимальное содержание растворенного кислород - в зимнюю межень. В озерах в зимнее время содержание кислорода равно нулю.
Проведена снегомерная съемка на ключевых участках, выполнен отбор проб снежного покрова для определения снегозапасов и изотопного состава вод перед началом снеготаяния. Полученные данные сопоставлены с прошлогодними значениями. Установлено, что объем снега, без учета потерь на испарение и инфильтрацию, был ниже всего лишь на 5% по сравнению с 2018 годом.
Впервые получены данные синхронных измерений изотопного состава в грунтовых водах, в почвенно-грунтовых водах поймы, пойменных водоемах, а также в воде р.Обь и малых реках в динамике. Установлено, что наиболее стабильный состав d18O-H2O характерен для почвенно-грунтовых вод и реки Оби. Интересно, что в пойменном ручье, протекающем по основным пойменным ландшафтам и отражающем интегральные геохимические процессы всей поймы, наблюдается резкий скачек увеличения d18O-H2O в период становления ледового покрова и активного промерзания почв. В этот период отмечено также увеличение d18O-H2O в малых реках, но менее значительное. В грунтовых и почвенно-грунтовых водах, реке Оби такие изменения не установлены. Значения d18O в снеге изменялись от -26.27‰ до -16.41‰. Максимальные значения d18O и d2H характерны для весеннего периода, соответствующего началу снеготаяния. Следует отметить, что в летний период значения d18O d2H максимальны и составляют -12,71‰ и -90,43‰ соответственно. Значения d2H изменяются в пределах от -197,47‰ до -118,89‰. Локальная метеоритная линия (LMWL) не существенно отличается от глобальной линии (GMWL) и в целом соответствует широте местности, об этом свидетельствует уравнение LMWL: 2dH = 8,1531*d18O + 19,738.
Одним из результатов выполнения второго этапа проекта является обновление и дополнение Геоинформационной аналитической системы. По результатам работ в 2019 году система наполнена новыми слоями: а) схема рельефа, б) схема гидродинамических сеток линий стекания, в) схема температурных полей. Проведена детализация карт на основе новых данных дешифрирования материалов дистанционного зондирования, в том числе материалов съемки в ИК диапазоне и материалов полевых натурных исследований 2019 г. К системе привязаны базы данных химико-аналитических исследований. Организован удаленный доступ к системе через сеть Intenet.
Публикации
1. Воробьев С.Н., Покровский О.С., Колесниченко Л.Г., Манасыпов Р.М., Широкова Л.С., Карлссон Ю., Кирпотин С.Н. Biogeochemistry of dissolved carbon, major, and trace elements during spring flood periods on the Ob River Hydrological Processes, Номер: 11, Том: 33, с. 1579-1594 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/hyp.13424
2. Крицков И.В., Покровский О.С., Манасыпов Р.М., Лим А.Г., Широкова Л.С., Виерс Ж Colloidal transport of carbon and metals by western Siberian rivers during different seasons across a permafrost gradient GEOCHIMICA ET COSMOCHIMICA ACTA, Том: 265 Стр.: 221-241 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.08.041
3. Лим А.Г., Сонке Ж.Е., Крицков И.В. ; Манасыпов Р.М. ; Лойко, С.В. ; Покровский О.С. Enhanced particulate Hg export at the permafrost boundary, western Siberia ENVIRONMENTAL POLLUTION, Том: 254 Часть: B (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113083
4. Оргозо Л; Прокушкин А.С.. Покровский О.С. Гренье С; Квинтард М; Виерс Ж; Аудри С Water and energy transfer modeling in a permafrost-dominated, forested catchment of Central Siberia: The key role of rooting depth PERMAFROST AND PERIGLACIAL PROCESSES, Том: 30 Выпуск: 2 Стр.: 75-89 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/ppp.1995
5. Прокушкин А.С., Корец М.А., Панов А.В., Прокушкина М.П.,Токарева И.В., Воробьев С.Н., Покровский О.С. Carbon and nutrients in the Yenisei River tributaries draining the Western Siberia Peatlands Institute of Physics Publishing IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Vol. 232, Is.1 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/1755-1315/232/1/012010
6. - Ученые исследуют «болотную» реку, насыщенную растворенным углеродом НОВОСТИ ТГУ, Томский государственный университет/Новости ТГУ, 3 Июля 2019 (год публикации - )
7. - Ученые TSSW и SecNet совершили первую экспедицию 2019 года НОВОСТИ ТГУ, Томский государственный университет/Новости ТГУ, 15 Января 2019 (год публикации - )
8. - Ученые ТГУ зафиксировали температурный рекорд в Арктике – выше 36°С РИАТомск, РИА Томск 9:49 21 августа 2019 г. (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В процессе выполнения проекта в 2020 году была проведена экстраполяция полученных результатов 2018 – 2020 годов на территорию района исследований бассейна Оби и ее поймы. Систематизированы и обобщены данные наблюдений за температурой, прозрачностью, pH, электропроводностью, растворенным кислородом в динамике в основные фазы водного режима за период в 2018 - 2020 годах. Электропроводность почти не меняется в разные сезоны. Концентрации растворенного кислорода и диоксида углерода существенно меняются в разные сезоны: весной вода пойменных озер интенсивно разбавляется талой снеговой водой, а также активно насыщается кислородом из атмосферы. Летом активны процессы фотосинтеза. Осенью, когда водные организмы отмирают или снижают активность, уровень фотосинтеза может быть по-прежнему высоким, и концентрации растворенного О2 растут при низком содержании растворенного СО2. С началом ледостава начинается накопление растворенного СО2 в воде. Потребление кислорода водными организмами продолжается, однако из-за отсутствия процесса фотосинтеза и притока из атмосферы, концентрации растворенного О2 снижаются в течение зимы и могут достигать нуля в конце ледостава. Концентрации растворенного СО2 за аналогичный период достигают годового максимума. Весной концентрации СО2 резко снижаются. Во все сезоны водная среда слабощелочная, зимой некоторые значения pH равны и ниже 7. Наиболее высокие значения pH зафиксированы в летнее и осеннее время. Показатели прозрачности в течение сезона в реках также существенно не различаются и не имеют какой-либо закономерности в зависимости от гидрологического сезона.
Систематизированы и обобщены данные об интенсивности потоков СО2 и метана камерным методом в разных водных объектах в основные фазы водного режима 2018 - 2020 года. Анализ данных 2018 - 2020 показал неожиданно низкую эмиссию C с тенденцией снижения C в начале паводка, в то время как русло, в то же время, было более сильным источником C в атмосферу. В начале паводка предполагалось, что влияние русла на пойму будет наиболее сильным, когда обмен водой между руслом и поймой будет наибольшим и это должно привести к более высоким притокам С из стоячих вод пойменной поймы. Однако такая тенденция не наблюдается. Это свидетельствует о сильном эффекте разбавления при больших поступлениях воды, достигающей поймы, а также дополнительных поступлениях талой воды из окружающего ландшафта. После окончания паводка и с наступлением летних базисных условий роль поймы становится более важной при более высоких концентрациях DOC и DIC, а также более высоких скоростях потоков (таблица 5-2). С наступлением летних условий роль поймы становится более важной при более высоких концентрациях DOC и DIC, а также в целом более высоких скоростях потоков С. Повышение температуры (вода: 20 ± 2 °C, воздух: 24 ± 2 °C) приводит к усилению процессов деструкции в реке и в затопленных почвах и способствует увеличению эмиссии СО2 с поверхности воды в атмосферу. Дополнительно проведено картирование потоков FCO2 в пойме р. Оби в период паводка 2020 года. Несмотря на кратковременность соединения поймы с основным руслом реки, пойма является мощным источником С в атмосферу, величина которого изменяется в зависимости от сезона.
Снегомерная съемка и отбор образцов для анализа изотопного состава снежного покрова в 2020 году производился так же, как и в предыдущие годы в первой декаде марта. После проведения снегомерной съемки произведен расчет гидрологических характеристик: поверхностный модуль стока; слой стока, объем стока. Экстраполяция результатов снегомерной съемки 2018 – 2020 г.г. на исследуемую территорию проведена на основе обобщенной ландшафтно-геохимической цифровой картографической модели.
Проведена систематизация и обобщение результатов химико-аналитических исследований проб отобранных в 2018, 2019 и 2020 годах. Основной задачей систематизации данных была привязка полученных данных к картографическому материалу, с целью их экстраполяции на площадные объекты.
Обобщены все гидрометрические данные (гидрологический режим и водный баланса водотоков, болот и озер), построена гидрологическая балансовая модель для водоразделов и поймы Средней Оби.
Выявлены идентификационные признаки стоков с различных водосборов рек и пойменных водоемов. В качестве индикационных признаков для разных целей могут использоваться отношения DIC/Na, DIC/Al, DIC/Si, DIC/U. Для идентификации водных объектов наиболее надежными показателями являются отношение DIC/U, вторым по значимости является DIC/Si. Отношение DIC/U позволило с большой долей надежности (0.95) разделять пойменные водные объекты и притоки р. Оби от основного русла Оби.
Проведена оценка пространственно-временного варьирования изотопного состава и органического вещества речных вод под действием пойменных процессов. При исследовании динамики изотопного состава осадков установлено, что наименьшие концентрации δ18O и δ2 H характерны для зимних осадков, а наибольшие – для зимних. Выявлен значительный диапазон вариаций изотопного состава воды в пойменных водоемах и водотоках. Речные воды имеют более легкий изотопный состав по сравнению с водами озер. Воды притоков Оби легче, чем воды основного русла. Изотопный состав так же является идентификационным признаком притоков р. Оби.
Создана модель вклада поймы в общий экспорт органического углерод в русло р. Оби. Модель построена по балансу количества поступившей воды из русла Оби с известным содержанием органического углерода, химических элементов и площади затопления разных ландшафтов поймы паводковыми водами, времени пребывания паводковых вод на территории разных ландшафтов поймы с учетом поступивших атмосферных осадков, испарения с затопленной территории и количеству вышедших паводковых вод с поймы в основное русло р. Оби. Важным элементом модели является время пребывания паводковых вод на территории поймы. В этот момент происходит насыщение паводковых вод органическим веществом и растворенным углеродом и отмечаются мощные потоки СО2 на затопленной пойме в атмосферу. Полученные данные позволяют дифференцированно рассчитать потоки для каждого ландшафта поймы, а также рассчитать количество воды, вышедшее из этих ландшафтов в русло Оби. Модель позволяет прогнозировать потоки при разных уровнях затопления поймы и проводить их ретроспективный анализ.
Предложена идентификационная модель, основанная на данных о составе и структуре органического вещества. Она предназначена для уточнения миграции паводковых вод на территории поймы в период максимального паводка и гидравлической связи ландшафтов в период затопления. Модель позволила позволили выделить основные транзитные потоки паводковых вод на территории поймы с малым временем пребывания воды в ландшафтах. На этих участках поймы происходит наименьшее накопление растворенного углерода в воде и отмечаются меньшие потоки СО2 в атмосферу. Эта модель позволяет приблизиться к пониманию гидравлического взаимодействия ландшафтов поймы с пойменными водоемами после схода паводковых вод и дальнейшей трансформации органического вещества в водоемах.
Создана обобщенная ландшафтно-геохимическая цифровая картографическая модель, содержащая качественную и количественную информацию об основных потоках органического углерода и металлов в пойме, прилегающих к ней территорий и потоках с поймы, которые влияют на геохимический сток углерода и металлов в русло р. Оби. Для ландшафтно-геохимической картографической модели использована географическая информационная система Обь-GIS, включающая базы данных тематических карт, спутниковых изображений, модель рельефа и сетки линий стекания. К графической информации привязана атрибутивная информация, представляющая собой результаты инструментальных измерений растворенного углерода, потоков FCO2 в атмосферу, исследованных химических элементов и результатов исследования органического вещества в водных объектах в период весеннего паводка. Картографическая модель позволяет проводить площадную оценку органического углерода, химических элементов и их потоков в пойме, притоках и основном русле р. Оби. Модель дает дополнительную возможность в моделировании и исследовании механизмов формирования геохимического стока с территории поймы. Слои карт и атрибутивная информация хранятся в формате персональной базы геоданных ArcGIS (MDB). Проект доступен по адресу https://www.researchgate.net/profile/Sergey_Vorobyev2/research?ev=prf_act.
Публикации
1. Крицков И.В., Лим А.Г., Манасыпов Р.М., Лойко С.В., Воробьев С.Н., Покровский О.С., Шевченко В.П., Дара О.М., Гордеев В.В. Major and trace elements in suspended matter of Western Siberian rivers: first assessment across permafrost zones and landscape parameters of watersheds Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume 269, Pages 429-450 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.11.005
2. Покровский О.С., Манасыпов Р.М., Копысов С.Г., Крицков И.В., Широкова Л.С., Лойко С.В., Лим А.Г., Колесниченко Л.Г., Воробьев С.Н., Кирпотин С.Н. Impact of permafrost thaw and climate warming on riverine export fluxes of carbon, nutrients and metals in Western Siberia WATER (SWITZERLAND), Volume 12, Issue 6, Номер статьи 1817 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/W12061817
3. Ян Карлссон, Светлана Серикова, Сергей Н. Воробьев, Жерар Роше-Рос, Блэйз Денфельд, Олег С. Покровский Carbon emission from Western Siberian inland waters Nature Communications, - (год публикации - 2021)
Возможность практического использования результатов
Результаты исследований в виде разработанных моделей могут использоваться для целей рыбного хозяйства и рыболовства. В первую очередь это прогнозирование развития и наступления заморных явлений в р. Обь и пойменных водоемах, наступление ночных заморов в пойменных водоемах в летний период. Модели позволяют выявить наиболее перспективные водоемы для целей рыборазведения, организации любительского рыболовства. Кроме того, проведенные исследования позволяют прогнозировать нерестовый период разных видов рыб по температуре воды, содержанию растворенного кислорода и разрабатывать мероприятия по увеличению производительности нерестилищ в пойменных водоемах.