Биогеохимия углерода и сопряженных микроэлементов в экосистемах торфяных болот Северо-Запада России в гидрологическом континууме

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 проекта 22-17-00253

НазваниеБиогеохимия углерода и сопряженных микроэлементов в экосистемах торфяных болот Северо-Запада России в гидрологическом континууме

Руководитель Селянина Светлана Борисовна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова Уральского отделения Российской академии наук , Архангельская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 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 слова Арктика, цикл углерода, метан, углекислый газ, торф, мерзлота, гидрологический континуум

Код ГРНТИ87.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Потепление климата в Арктике может привести к высвобождению углерода (С) из торфов и лесных почв, распространенных в северных широтах России, в том числе и криолитозоне, в атмосферу, реки и озера, что потенциально может способствовать глобальному потеплению климата за счет эмиссии парниковых газов. В Северной Евразии, на территории распространения многолетнемерзлых пород, относящейся к арктическим и субарктическим зонам, торфяники занимают площадь более 2,8 млн. кв. км, заключая в себе огромное количество чувствительного к внешним воздействиям углерода не только в торфе, но и в поверхностных водах, главным образом – термокарстовых озерах. По последним оценкам, выброс углерода из озер и рек, расположенных в зоне вечной мерзлоты, значительно превышает латеральный поток углерода с внутриконтинентальными водами в океан. В тоже время механизмы, контролирующие обмен углерода между атмосферой, водой и донными отложениями, остаются малоизученными. Настоящий проект направлен на изучение биогеохимических процессов трансформации углерода и сопряженных элементов с применением экосистемного подхода, сочетающего современные гидрохимические, биогеохимические, микробиологические и гидробиологические методы, включающие натурные исследования и экспериментальное моделирование. Биологические и физико-химические процессы в водной толще и донных отложениях рек и озер, расположенных в зонах распространения вечной мерзлоты, могут быть основными контролирующими факторами цикла углерода и функционирования экосистем. Таким образом, в результате выполнения проекта будут определены ключевые факторы, контролирующие трансформацию органического углерода и эмиссию парниковых газов, миграцию биогенных веществ и металлов в арктическо-субарктических поверхностных водах мерзлых и не мерзлых торфяников в Северной Евразии (на примере Архангельской области и Ненецкого автономного округа). Проект представляет собой первый шаг к пониманию на экосистемном уровне реакции мерзлых и не мерзлых торфяников Северо-Запада России на продолжающееся изменение климата путем интеграции гидрохимических, гидрологических, микробиологических и гидробиологических подходов к водным экосистемам торфяных болот вдоль "гидрологического континуума" от питающей провинции до терминального крупного гидрологического объекта (река, озеро). Настоящий междисциплинарный проект обеспечит комплексную оценку абиотических и биотических факторов, контролирующих цикл углерода во внутренних водах таежно-тундровых районов, наиболее подверженных климатическим изменениям. Главным образом, будет изучен обмен парниковых газов (СО2 и СН4) между водными объектами и атмосферой, а также экспорт наземного углерода в прибрежные районы с поверхностным стоком. Полученные в ходе выполнения проекта результаты будут иметь фундаментальное значение, поскольку обеспечат первую количественную оценку роли гидрологического континуума «почвенные воды - просадки и мочажины - малые ручьи - внутриболотные озера - малые реки - крупная река или озеро» в цикле углерода экосистем в сравнительном аспекте мерзлых и не мерзлых торфяников.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ловдина Т.И., Широкова Л.С. Способность к росту инвазивной цианобактерии Microcystis aeruginosa на различных органических субстратах в поверхностных водах вечномерзлых торфяников IX Международная конференция молодых ученых: вирусологов, биотехнологов, биофизиков, молекулярных биологов и биоинформатиков., с. 199-200 (год публикации - 2022)

2. Покровский О.С., Манасыпов Р.М., Чупаков А.В., Копысов С. Element transport in the Taz River, Western Siberia Chemical Geology, 614, 121180 (год публикации - 2022)
10.1016/j.chemgeo.2022.121180

3. Покровский О.С., Лим А.Г., Крицков И.В., Коретс М.А., Широкова Л.С., Воробьев С.Н. Hydrochemistry of medium-size pristine rivers in boreal and subarctic zone: disentangling effect of landscape parameters across a permafrost, climate, and vegetation gradient Water, 14, 2250 (год публикации - 2022)
10.3390/w14142250

4. Воробьев С.Н., Покровский О.С., Коретс М.А., Широкова Л.С. A snap-shot assessment of carbon emission and export in a pristine river draining permafrost peatlands (Taz River, Western Siberia) Frontiers in Environmental Science, 10:987596. (год публикации - 2022)
10.3389/fenvs.2022.987596

5. Широкова Л.С. Insights into organic carbon, iron, metals and phosphorus dynamics in freshwaters Water, 14, 2863. (год публикации - 2022)
10.3390/w14182863

Публикации

1. Собко Е.И., Широкова Л.С., Климов С.И., Чупаков А.В., Забелина С.А., Шорина Н.В., Морева О.Ю., Чупакова А.А., Воробьева Т.Я. Environmental Factors Controlling Zooplankton Communities in Thermokarst Lakes of the Bolshezemelskaya Tundra Permafrost Peatlands (NE Europe) Water, № 15(3), 511 (год публикации - 2023)
10.3390/w15030511

2. Поянди-Роланд Д., Широкова Л.С., Лару Дж., Бенезет П., Покровский О.С. Laboratory growth capacity of an invasive cyanobacterium (Microcystis aeruginosa) on organic substrates from surface waters of permafrost peatlands Environmental Science: Processes & Impacts, № 25, 659 (год публикации - 2023)
10.1039/D2EM00456A

3. Чупаков А.В., Покровский О.С., Морева О.Ю., Котова Е., Воробьева Т.Я., Широкова Л.С. Export of organic carbon, nutrient and metals by the medium-size Pechora River to the Arctic Ocean. Chemical Geology, № 632, 121524 (год публикации - 2023)
10.1016/j.chemgeo.2023.121524

4. Чупаков А.В., Забелина С.А., Прасолов С.Д., Чупакова А.А., Прилуцкая Н.С., Трудова Н.С., Шпанов Д.А., Селянина С.Б., Широкова Л.С. Суточная динамика гидрохимических показателей в гидрологическом континууме Иласского болотного массива. Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами : труды V Всероссийской научной конференции с международным участием имени профессора С.Л. Шварцева, С. 213-216 (год публикации - 2023)

5. Селянина С.Б., Широкова Л.С., Чупаков А.В., Трудова Н.С. Гидрологический континуум Иласского болотного массива в контексте изучения биогеохимии углерода и сопряженных элементов. Болота северной Евразии: биосферные функции, разнообразие и управление: тезисы докладов Международного симпозиума, С. 82 (год публикации - 2023)

6. Лизунова М.А., Селянина С.Б. Основные особенности гидрологии и гидрогеохимии верховых болот на примере Иласского болотного массива. II Лавёровские чтения. Арктика: актуальные проблемы и вызовы., С. – 251-252. (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В заключительный год выполнения проекта обобщены основные результаты всего исследования. Оценена эмиссия ПГ по профилям гидрологических континуумов. Установлены взаимосвязи между гидрохимическими параметрами, ландшафтными характеристиками и потоками ПГ. Изучена трансформация растворенных, коллоидных и взвешенных форм органического углерода, биогенных веществ, металлов и гидробионтов. Обобщены результаты экспериментального моделирования потенциала процессов био- и фотодеструкции для северо-таёжного континуума. Проведены дополнительные эксперименты по влиянию процессов заморозки/оттаивания. По данным георадиолокационных исследований установлены режим увлажнения и объём торфяной залежи, наиболее подверженный дренированию. Методами изотопной гидрологии выявлено влияние мерзлотных вод на формирование просадок на территории БЗТ. Смещение изотопного соотношения 18О/ 2Н обнаруживается только в летние месяцы и максимально выражено для термокарстовых озер и слабо для просадок. Особенности в формировании вод находят своё отражение в химическом и газовом составе вод. Сравнительный анализ концентрации СО2 и СH4 в объектах континуумов продемонстрировал большое сходство между северо-таёжным и тундровым ландшафтами. Для объектов начала водосборных площадей отмечены минимальные концентрации СО2 (5-90 мкМ/л). Максимальные концентрации зафиксированы в подлёдный период (300-900 мкМ/л для внутриболотных озер, 200-1500 мкМ/л для термокарстовых). Для БЗТ высокие концентрации СО2 в зимний период сохраняются на длительном расстоянии, тогда как для ИБМ не выходят за переделы болотного массива, что обусловлено ограниченностью зимнего стока с ИБМ. В период открытой воды концентрации CO2 вдоль гидрологических континуумов нарастают из-за влияния абиотических факторов (подземный сток, доступность минеральных горизонтов и т.д.). Для малых объектов начала водосбора (мочажины, просадки) согласно результатам суточного мониторинга главной движущей силой концентраций СО2 остаются биотические факторы. Различия между дневным и ночным содержанием СО2 (10-15 мкМ/л) существенно превышают температурный эффект увеличения растворимости. Концентрация СН4 более подвержена локальным изменениям вдоль континуумов. Средний интервал содержания в обоих случаях составляет 0.05-50 мкМ/л. Наибольшие значения концентраций получены в небольшом (несколько сантиметров) слое подледной воды термокарстовых озер (360 мкМ/л). Для северо-таёжного водотока пики концентраций фиксируются во внутренних болотных водах, истоках ручьев и в точке отбора из притока после заболоченного участка. Т.е. динамика метана по континууму связана с наличием анаэробных зон с замедленным водообменом и низким значением соотношения вода/субстрат. Это справедливо также для болотных и термокарстовых озер, поскольку известно, что в них источник метана – донные отложения. В суточном ритме наблюдается такая же динамика концентраций в объектах начала водосбора, как и для СО2. Также как и для СО2, максимальная суточная амплитуда концентраций выявлена в мочажине (50-75% (до 6 мкМ/л) при изменении температуры на 10 оС). Максимальные расчётные потоки СО2 для обоих континуумов зафиксированы не для мочажин, просадок и озёр, а на расстоянии 5-10 км (диапазон сезонных медиан ИБМ 108-207 мМ/м2*сут, БЗТ 31 до 432 мМ/м2*сут). Это объясняется увеличением концентрации РНУ, скоростью течения и др. Важная особенность потоков CO2 состоит в том, что на отдельных участках обоих континуумов наблюдалось его поглощение. Эмиссия метана сильнее проявилась в тундровых водах. Больший потенциал по эмиссии метана связан с большим распространением торфяников и термокарстовых озёр по континууму, а также влиянием таяния многолетнемерзлых пород, и высвобождением запечатлённого в них газа. Установлено, что воды тундрового гидрологического континуума обогащены более биодоступным органическим веществом. Различия в соотношении высокомолекулярных и низкомолекулярных фракций РОУ подтверждены спектральными характеристиками РОВ. Наличие более легкоразлагаемого субстрата (лишайники и сосудистые растения) дает большие эффекты по концентрациям ПГ для просадок, чем мочажин или просадок со сфагнумом. Макро- и микроэлементный состав, поведение биогенных элементов в водах континуумов обусловлены влиянием подземного стока, водного баланса, сменой дренируемого ландшафта (для ИБМ). Подобное распределение и ассоциации элементов с РОУ и РНУ установлены для главных водотоков регионов (реки Северная Двина и Печора при смене гидрологических циклов. Экспериментально подтверждено, что РОВ влияет и на формы миграции элементов, не связанных с ним. Для двухзарядных макро-катионов (Ca2+ и Mg2+) выявлена значительная ассоциация с коллоидной фракцией (около 50%) на участках с высоким содержанием РОУ. Большинство элементов, изначально ассоциированных с РОУ, наращивают свою концентрацию именно за счёт коллоидной фракции. Для континуума БЗТ отмечена более плавная, по сравнению с ИБН, динамика элементного состава вод, связанная с отсутствием резкой смены типа дренируемых площадей (торфяник, лесная подстилка) и стока подземных вод и т.д. При этом для тундровой зоны более выражен контраст между периодами «открытой» и «закрытой» (подлёдный) воды. В первую очередь это связано с процессами высаливания (при образовании льда) и концентрирования вод термокарстовых озер (сохраняется лишь небольшой слой жидкой воды над донными отложениями). Поскольку в результате климатических изменений для множества водотоков зоны многолетнемерзлых пород констатируется увеличение зимнего стока, данный факт нельзя оставить без внимания, т.к. это может значительно изменить годовой удельный сток с единицы площади бассейна. Для большинства элементов суточный цикл не выявлен. Для вод обоих континуумов отмечено высокое разнообразие микробных сообществ, что говорит о значительной смене условий при продвижении вдоль водотока. Большая амплитуда значений индексов Шэннона и Чао 1 отмечена в северо-таёжном континууме, где скачек численности происходит на границе болота и леса. Данные по микробиоте отражают зональное расположение континуумов и особенности формирования вод. Для тундрового континуума доля микроорганизмов, связанных с лишайниковыми сообществами, сфагновыми болотами, значительно снижается после 2.5 км. В диапазоне от 2.5-5 км идентифицированы анаэробные бактерии, которые широко распространены в донных отложениях. Микробное сообщество континуумов отражает разнообразие субстрата и гидрохимических условий водотока. Количественные показатели фитопланктона для двух континуумов значимо различались в зависимости от условий водотока. При уменьшении доли кислых высокогуминовых вод в фитопланктоне значительную роль начинают проявлять цианобактерии.

Публикации

1. Трудова Н.С., Мухортина Н.А., Чупаков А.В., Широкова Л.С., Иванова И.С. Распределение полициклических ароматических углеводородов в водах Иласского болотного массива в весенне-летний период ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ "III ЮДАХИНСКИЕ ЧТЕНИЯ" Архангельск, 25–28 июня 2024 года, III Юдахинские чтения. Всероссийская конференция с международным участием: сборник научных материалов, (г. Архангельск 25-28 июня 2024 г.) – КИРА – Архангельск, 2024 – С. 191-195. (год публикации - 2024)

2. Трудова Н.С., Прасолов С.Д., Чупаков А.В., Забелина С.А., Морева О.Ю. , Шпанов Д.А., Селянина С.Б., Широкова Л.С. Суточная динамика гидрохимических показателей в термокарстовых водоемах Большеземельской тундры. ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ "III ЮДАХИНСКИЕ ЧТЕНИЯ" Архангельск, 25–28 июня 2024 года, III Юдахинские чтения. Всероссийская конференция с международным участием: сборник научных материалов, (г. Архангельск 25-28 июня 2024 г.) – КИРА – Архангельск, 2024 – С. 186-190. (год публикации - 2024)

3. Чупаков А. В., Неверова Н. В., Чупакова А. А., Забелина С. А., Широкова Л. С., Воробьева Т. Я., Покровский О. С. Seasonal and spatial pattern of dissolved organic matter bio- and photodegradation in boreal humic waters. Biogeosciences. Copernicus Publications, Biogeosciences (год публикации - 2025)

4. Прасолов С.Д., Забелина С.А., Чупаков А.В. Эмиссия углерода с поверхности внутриболотных озер Карельский научный Центр РАН, Международная научно-практическая конференция «Региональное сотрудничество БРИКС: Современные проблемы экологии и природопользования». Карельский научный Центр РАН (2024) РИНЦ, (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты проекта, в частности, сведения о широком спектре показателей, включая ПАУ, свойственные естественному природному фону исследованных ландшафтов, служат научным заделом для создания системы регионального мониторинга и обеспечения безопасного и сбалансированного освоения северных территорий, с научно обоснованных сохранением экосистемных функций болот и водоёмов. Это обеспечит учёт как экономических, так и социальных аспектов развития Арктической зоны РФ. Выявленные закономерности позволяют более аргументированно проводить экологическую экспертизу технических решений, планируемых к внедрению в северных регионах страны, в частности, в части оценки возможного углеродного следа. Полученные результаты и обобщения следует учесть при формировании учебных материалов по специальностям «Экология», «Геоэкология» и смежным с ними.