Геохимические условия Тарманского болотного массива: эмиссия парниковых газов и секвестрационный потенциал естественных и нарушенных экосистем

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 23-77-10012

НазваниеГеохимические условия Тарманского болотного массива: эмиссия парниковых газов и секвестрационный потенциал естественных и нарушенных экосистем

Руководитель Солдатова Евгения Александровна, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лесоведения Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-705 - География почв, геохимия ландшафтов

Ключевые слова геохимический цикл углерода, геохимический цикл азота, климатически-активные газы, потоки парниковых газов, низинное болото, эвтрофное болото, болотная экосистема, карбонаты, оценка воздействия.

Код ГРНТИ38.33.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы трансформации биогеохимических циклов углерода и азота в естественных и нарушенных экосистемах болот суббореальной зоны на примере Тарманского болотного массива (Западная Сибирь). Болотные ландшафты традиционно рассматриваются как одни из ключевых составляющих континентальных биогеохимических циклов. С одной стороны, они являются крупнейшим естественным резервуаром, секвестрирующем колоссальные объемы углерода, с другой, они характеризуются значительным потенциалом эмиссии климатически активных газов (CO2 и CH4) в атмосферу и растворенного углерода в реки, особенно в контексте интенсификации глобальных изменений окружающей среды, трансформации землепользования и проведения мелиоративных мероприятий. Заявленные исследования внесут существенный вклад в российскую и международную климатическую повестку за счет получения качественно новых данных о влиянии мелиорации на углеродный баланс и биогеохимические циклы суббореальных болот, а на региональном уровне будут полезны с точки зрения оценки устойчивости экосистем юга Тюменской области в условиях интенсификации антропогенного воздействия. Целью проекта является выявление научно-обоснованных связей между характером антропогенного воздействия на болотные экосистемы и почвенный покров, с одной стороны, и запасами и потоками биогенных элементов при долгосрочном функционировании системы, с другой стороны. Научная новизна исследования обусловлена комплексностью и мультидисциплинарным характером работ, сочетанием подходов и методов, а также уникальностью и специфическими особенностями выбранного объекта. Дизайн планируемых работ предполагает комбинацию полевых инвентаризационных исследований (оценка запасов С и N), изучения биогеохимических циклов углерода и азота с использованием методов изотопной геохимии, изучения баланса КАГ, а также прогнозного моделирования с использованием методики Life Cycle Assessment. Следует отметить, что большинство представленных в современной отечественной литературе примеров изучения аналогичных объектов, ограничиваются преобладанием одного, максимум двух из вышеперечисленных подходов, что смещает фокус исследования в одну из сторон. Использование предполагаемой нами методологической основы позволит оценить баланс С и N, а также потоки КАГ в рамках иерархической парадигмы, как на уровне отдельного педона, так и на уровне элементарного антропогенного или квазиестественного ландшафта, а в конечном итоге и всей экосистемы в целом. Кроме того, в рамках данной программы исследований планируется учесть потенциал данной системы с точки зрения секвестрации углерода за счет образования карбонатов, что является характерной особенностью подтаежных и южнотаежных болот Западной Сибири в силу гидрогеологических особенностей и истории развития территории. Для подобных систем неучтенным остается вопрос влияния различных видов антропогенного воздействия и флуктуаций периодов обводнения и иссушения на интенсивность карбонатообразования и устойчивость новообразований, а также роль данного процесса в компенсации эмиссии С и/или интенсификации его выноса в речную сеть. Выбранный для исследований объект, Тарманский болотный массив, в силу особенностей своей пространственной структуры и истории природной и антропогенной эволюции, представляет значительный интерес как потенциальный источник качественно новых данных о причинно-следственных отношениях между конкретным типом землепользования с одной стороны, и последующим эффектом в виде изменения запасов биогенных элементов в почвах и эмиссии КАГ с другой. Сочетание значительной площади, хорошо известной и задокументированной истории мелиоративных мероприятий, колоссального разнообразия квазиестественных и антропогенно-преобразованных ландшафтов делают Тарманский болотный массив идеальной модельной площадкой для изучения вклада нарушенных водно-болотных угодий в формировании биогеохимических циклов и регулировании климата.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках полевого сезона 2024 года на территории Тарманского болотного массива были выполнены комплексные исследования, направленные на количественную оценку потоков парниковых газов (CO₂ и CH₄), изучение физико-химических свойств почв, поверхностных и почвенных вод, а также анализ динамики ландшафтов и траектории эволюции почвенного покрова в условиях антропогенной трансформации. Исследуемые участки включали как осушенную часть болотного массива с типичными видами землепользования, характером антропогенной нагрузки и разным типом сукцессии (сенокосные луга, в т.ч. на месте торфоразработки, участок лесовосстановления и вторично заболоченный луг на месте торфоразработок, влажный луг с ненарушенной после осушения торфяной залежью), так и неосушенную часть массива (эвтрофное осоково-злаково-гипновое болото). Измерения удельных потоков парниковых газов с поверхности наземных и водных экосистем проводились с использованием ИК-анализатора LI-COR LI-7810, с учетом сезонной динамики. В параллель отбирались пробы надземной биомассы, почв и воды для комплексного анализа физико-химических параметров. В исследуемых точках были заложены почвенные разрезы для оценки морфологии и генезиса почв, а также отобраны микромонолиты для микроморфологических исследований. В пробах почвы определяли содержания органического и неорганического углерода (SOC, SIC) и общего азота (TN), зольность, влажность, pH, плотность. В пробах воды анализировали быстроменяющиеся показатели (рН, DO, температура, электропроводность), общий химический состав, содержание растворенных органических и неорганических форм C и N, включая CO₂ и CH₄, а также оценивался характер насыщения относительно карбонатов и ряда других минералов. Аэрофотосъёмка с БПЛА позволила построить ортофотопланы и рассчитать мультиспектральные индексы NDVI и NDWI. Полученные данные использованы для уточнения классификации спутниковых изображений (1984–2024), на основе которой выявлены изменения ландшафтов. Это легло в основу прогноза на 2034, 2044 и 2054 годы с использованием модели CA-Markov. Динамика ландшафтов и результаты прогнозного моделирования отражают ключевые процессы, в частности замещение лугов смешанными лесами на участках бывшей торфоразработки. Площадь лесов увеличилась с менее чем 0,5% до 9,1% от общей площади района исследований и, согласно прогнозу, достигнет 13,7% к 2054 году, тогда как площадь лугов сократилась с 23% до 15,2%, при этом темпы сокращения заметно замедляются. Ландшафт характеризуется выраженной мозаичностью и высокой степенью фрагментации, особенно в районах, ранее подвергшихся торфоразработке и сельскохозяйственной деятельности. Проведенные работы позволили установить основные траектории трансформации почв Тарманского болотного массива от органогенных эвтрофных в их деградированные и мелиорированные аналоги, а также выявить механизмы перераспределения углерода, включая процессы растворения и осаждения карбонатов. Микроморфологический анализ показал, что карбонаты в почвах Тарманского болотного массива представлены как литогенными, так и педогенными формами, последние представляют собой диффузные осветленные пятна, белесые сегрегации и карбонатно-глинистую плазму, причем наиболее распространены они в верхней части почвенных профилей нарушенных участков, особенно сельскохозяйственно освоенных. Характер равновесий в карбонатной системе и соотношение основных компонентов химического состава воды дренажных каналов показали, что на протяжении функционирования дренажной системы происходит перераспределение углерода путем растворения и осаждения карбонатов. Анализ запасов углерода в почвах различного типа и степени нарушенности позволил установить, что торфоразработка и последующее сельхозиспользование приводят к значительной потере органического углерода, тогда как вторичное заболачивание способствует его сохранению/аккумуляции. Аналогичная тенденция наблюдается и для азота, запасы которого выше в пределах ненарушенных и слабонарушенных участков, а также вторично заболоченного участка. Выявлено заметное увеличение запасов неорганического углерода в пределах антропогенно нарушенных участков, в особенности при их сельскохозяйственном использовании. На основе данных о распределении по профилю почв δ¹³C и SOC была оценена скорость оборота SOC. Все луговые участки характеризовались близкими и низкими значениями относительной скорости оборота SOC. Однако максимальная скорость оборота была зафиксирована для вторично заболоченного луга, а минимальная – для сухого луга с наибольшими содержаниями SIC, что отражает выявленную тенденцию к уменьшению скорости оборота SOC с увеличением содержания SIC. Изучение сезонной динамики растворенного углерода и удельных потоков парниковых газов с поверхности водных экосистем показало, что на фоне закономерного летнего возрастания эмиссии СО₂ и СН₄ с поверхности обводненных дренажных каналов и снижения эмиссии СО₂ с поверхности пруда под воздействием фотосинтезирующих организмов, выделяется пересыхающий в летний период канал. Эмиссия СО₂ с поверхности его переувлажненных донных отложений летом уменьшалась более чем в 5 раз, удельные потоки СН₄ сохранялись на околонулевом уровне, сопоставимом с весенним, при этом метан и диоксид углерода накапливались в поровых водах в растворенной форме. Удельные потоки CO₂ и CH₄ с поверхности наземных экосистем показали выраженную сезонность с максимумом летом и минимумом весной и осенью. Максимальные потоки метана были характерны для неосушенного участка болота. Наиболее высокие значения почвенного дыхания зафиксированы на осушенных участках. Значения нетто-экосистемного обмена СO₂ и экосистемного дыхания, как правило, достигали максимальных значений на осушенных участках, валовый экосистемный обмен оставался отрицательным почти во всех случаях. Анализ взаимосвязей между потоками парниковых газов и параметрами среды выявил значимые корреляции, в том числе положительную связь CH₄ с pH почвы и содержанием неорганического углерода, а также влияние влажности почвы на величины потоков CO₂. Эксперимент по пробоподготовке почвенных карбонатов к изотопному анализу показал, что при анализе изотопных отношений углерода и кислорода в образцах карбонатов, смешанных с органическим веществом, наилучший результат дает разложение насыщенной H₃PO₄ без примесей H₂O₂ и Cr₂O₇, также при пробоподготовке не следует применять термическую обработку и следует избегать обработки проб H₂O₂, поскольку это приводит к отклонению δ¹⁸O от истинных значений.

Публикации

1. Солдатова Е.А., Константинов А.О., Курасова А.О. Запасы углерода в почвах антропогенно-измененных ландшафтов Тарманского болотного массива Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее / Материалы Седьмого международного полевого симпозиума (Ханты-Мансийск, Белоярский 15 – 27 августа 2024 г.). – Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2024. – С. 149-152, Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее / Материалы Седьмого международного полевого симпозиума (Ханты-Мансийск, Белоярский 15 – 27 августа 2024 г.). – Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2024. – С. 149-152 (год публикации - 2024)

2. Константинов А.О., Константинова Е.Ю., Новоселов А.А., Зайцева В.Ю., Курасова А.О. Гидроморфные почвы естественных и нарушенных ландшафтов Тура-Тавдинского междуречья (юг Западной Сибири) Вестник Томского государственного университета. Биология., № 68. С. 6–26. (год публикации - 2024)
10.17223/19988591/68/1

3. Курасова А.О., Константинов А.О., Солдатова Е.А., Новоселов А.А., Плотникова Е.С. Траектории эволюции почвенного покрова болотного массива в условиях контрастных вариантов землепользования (Тарманский болотный массив, Тюменская область) Почвы – опора России : тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Казань, 12–16 августа 2024 г.) – Москва : МАКС Пресс. 2024, Почвы – опора России : тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Казань, 12–16 августа 2024 г.). / Отв. ред.: П.В. Красильников, Н.О. Ковалева, Е.М. Столпникова. – Москва : МАКС Пресс. 2024. - С. 755-757. (год публикации - 2024)

4. Колотыгина В.Н., Солдатова Е.А., Константинов А.О., Курасова А.О., Плотникова Е.С. Содержание и изотопный состав азота в почвах антропогенно-измененных ландшафтов Тарманского болотного массива Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее / Материалы Седьмого международного полевого симпозиума (Ханты-Мансийск, Белоярский 15 – 27 августа 2024 г.). – Томск: Изд-во Томского государственного университета, Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее / Материалы Седьмого международного полевого симпозиума (Ханты-Мансийск, Белоярский 15 – 27 августа 2024 г.). – Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2024. – С.130. (год публикации - 2024)

5. Е.А. Солдатова, Е.С. Плотникова, В.Н. Колотыгина Effects of Soil Organic Matter on the Results of Isotope Analysis of 13С/12С and 18О/16О in Calcite Journal of Analytical Chemistry (русскоязычная версия - журнал Масс-спектрометрия), Vol. 79, No. 14, pp. 2036–2042 (год публикации - 2024)
10.1134/S1061934824702046

6. Беляновская А.И., Солдатова Е.А., Крестьянникова Е.В. Железомарганцевая геохимическая аномалия в питьевых водах: оценка рисков для здоровья населения Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, Т. 336. № 2. C. 52–65 (год публикации - 2025)
10.18799/24131830/2025/2/4875

7. Плотникова Е.С., Солдатова Е.А., Самохина Н.П. БАЗАЛЬНОЕ ДЫХАНИЕ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ НАРУШЕННОГО ТОРФЯНИКА (НА ПРИМЕРЕ ТАРМАНСКОГО БОЛОТНОГО МАССИВА) Сборник тезисов 28-й Пущинской школы-конференции молодых ученых с международным участием «БИОЛОГИЯ – НАУКА XXI ВЕКА». Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2025. – 668 с., С.555-556 (год публикации - 2025)

8. Иванов В., Миляев И.А., Солдатова Е.А. Long-term Land Cover Projections in a Disturbed Peatland Region: A CA-Markov Case Study from Western Siberia Proceedings of Japan Geoscience Union Meeting 2025 (год публикации - 2025)

9. Солдатова Е.А., Колотыгина В.Н., Кривенок Л.А., Иванов В., Крестьянникова Е.С., Скороспехова Т.В. Поведение углерода и формирование состава воды дренажной системы осушенного эвтрофного торфяника Геохимия (переводная версия - Geochemistry International), Т. 70. № 6. С. 458-479 Geochemistry International. 2025. Vol. 63. Iss. 6. pp. 510–529. DOI: 10.1134/S0016702924602067 (год публикации - 2025)
10.7868/S3034495625060027

10. Солдатова Е.А., Плотникова Е.С. Soil organic carbon turnover in the meadow ecosystems of drained peatland (Tarmanskoe Fen, Western Siberia) Proceedings of Japan Geoscience Union Meeting 2025 (год публикации - 2025)