Биогеохимическое изучение феномена высокой биологической продуктивности растительности в условиях Субарктики как основа для создания технологий природообустройства в Арктической зоне Российской Федерации

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 18-77-10045

НазваниеБиогеохимическое изучение феномена высокой биологической продуктивности растительности в условиях Субарктики как основа для создания технологий природообустройства в Арктической зоне Российской Федерации

Руководитель Лойко Сергей Васильевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «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 Почвы, многолетняя мерзлота, биогеохимия, термокарст, спущенные озера, хасыреи, Западная Сибирь, Арктическая зона, природообустройство, изменение климата

Код ГРНТИ38.33.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Известно, что современные зональные экосистемы Арктической зоны Российской Федерации имеют невысокую биологическую продуктивность растительных сообществ и низкую устойчивость даже к незначительным антропогенным воздействиям. Считается, что причиной формирования таких экосистем является неблагоприятный климат. Однако если это лишь следствие неблагоприятного климата, то почему в еще более суровых условиях ледникового периода позднего плейстоцена на той же широте существовали травяные сообщества на плодородных почвах (Губин, Веремеева, 2010; Кириллова и др., 2015 и т.д.), первичной продукции которых хватало для обеспечения кормом значительной численности крупных фитофагов (мамонтовая фауна)? Опыт полученный при создании плейстоценового парка С.А. Зимовым (http://www.pleistocenepark.ru) и палеоэкологические исследования экосистем мамонтовых степей (Zimov et al., 2012) демонстрируют, что крупные фитофаги способствовали повышению продуктивности растительности. В Республике Коми и на Северо-Востоке России показана возможность формирования лугов с богатым травостоем в котловинах искусственно осушенных озёр (Томирдиаро, 1969; Ухов и др., 1985; Каверин и др., 2014), а в Якутии традиционным является сенокошение в аласах. В Восточноевропейской тундре разработаны технологии создания агрофитоценозов на месте зональной тундры с продуктивностью, превосходящей естественные сообщества (Арчегова и др., 1991). Очевидно, что низкая продуктивность, доминирование мхов, лишайников и эрикоидных кустарничков вызваны не только неблагоприятным климатом. Существует явный дисбаланс между климатическим потенциалом и реальной продуктивностью растительности в Арктической зоне, а средопреобразующий потенциал северных экосистем очень сильно недооценен. Несмотря на давно известные факты наличия в криолитозоне экосистем с повышенной биологической продукцией относительно фона, причем не только в интразональных условиях, однако ещё не привела к систематическому осмыслению данного феномена и выявлению основных причин его формирования. В связи с этим основной гипотезой данного проекта является то, что феномен высокой биологической продуктивности растительности в условиях Арктической зоны РФ является следствием особых биогеохимических условий, обусловленных формированием почв с повышенным естественным плодородием. Однако экосистемы Севера имеют весьма незамкнутый биологический круговорот, что на фоне высокой увлажненности климата, вымывания подвижных форм макро- и микроэлементов, сопряжённое с внедрением олиготрофных видов флоры, приводит к быстрому падения биологической продукции. Выдвинутую гипотезу в данном проекте предполагается количественно проверить на экосистемах разновременных хасыреев, которые широко распространены в криолитозоне Западной Сибири. Хасыреи – котловины бывших озер, опустевших из-за таяния вечной мерзлоты и термоэрозионных процессов. В донных отложениях хасыреев накоплено большое количество подвижных биогенных элементов, которые сразу после осушения озера обеспечивают формирование настоящей «вспышки жизни» – в тундре и лесотундре появляются «оазисы» с кустарниково-луговой растительностью, включающей и редкие для севера Западной Сибири элементы флоры. Площадь термокарстовых озёр в криолитозоне Западной Сибири более 60 тыс. км2, что 1,4 раза превышает площадь Московской области. В условиях потепления климата будут активироваться термокарстовые процессы, что приведёт к увеличению количества вновь появляющихся хасыреев. Однако в отличие от аласов Якутии в хасыреях Западной Сибири практически не изучена даже растительность и почвы, не говоря уже о специфике биогеохимических условий и процессов. Новизна предлагаемого проекта будет заключаться в решении следующих взаимосвязанных задач. (1) На примере разновременных хасыреев будет проверена поставленная гипотеза о том, что биологическую продуктивность растительности криолитозоны наравне с климатом лимитируют и эдафические условия. (2) Впервые систематически будет проведено изучение растительности, почв и биогеохимических условий в котловинах разновозрастных хасыреев на 650-ти км широтном профиле от подзоны северной тайги (северные отроги Сибирских Увалов) до подзоны типичных тундр (Гыданский полуостров). (3) На основе существенного задела лаборатории «БиоГеоКлим» ТГУ в деле изучения термокарстовых озёр, будут установлены характеристики озёр, по которым будет возможно строить прогнозы о типе хасырейных комплексов, скорости их олиготрофизации, после спуска воды из озера. Все исследования будут проводиться на территории Ямало-Ненецкого автономного округа, который согласно указу Президента Российской Федерации «О сухопутных территориях Арктической зоны Российской Федерации» от 02.05.2014 года отнесен к сухопутным территориям Арктической зоны Российской Федерации, для которой разработаны «Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу». В этом документе указана необходимость увеличения устойчивости взаимодействия человека и природы, которая определяется, в первую очередь, устойчивостью экосистем, зависящей от биоразнообразия и способности растительности закреплять максимально возможное количество солнечной энергии в органическом веществе. Выполнение данной работы за счёт раскрытия биогеохимических аспектов позволит бионическим путём в дальнейшем как усовершенствовать существующие, так и предложить новые технологии природообустройства в суровых климатических условиях, направленные на формирование экосистем максимально эффективно усваивающих солнечную энергию. Наличие ключевых участков в различных геоморфологических районах и на разных широтах позволит спрогнозировать отклик хасырейных почвенно-растительных комплексов на климатические изменения. Подобная информация важна при разработке стратегии природопользования в Арктике. Актуальность проекта имеет и некоторое научно-политическое значение, так как в последние годы первенство в изучение биогеохимии ландшафтов Севера России всё чаще наблюдается за зарубежными учеными, выполнение же этого проекта закрепит первые результаты по столь важной теме за российским научным коллективом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Климова Н.В. Первичная сукцессия почв и растительности в котловинах осушенных термокарстовых озер южной тундры Западной Сибири Актуальный вопросы наук о Земле в концепции устойчивого развития Беларуси и сопредельных государств / Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции молодых ученых (Беларусь, Гомель, 29–30 ноября 2018 года) в 2-х частях., Часть 1. С. 35–38 (год публикации - 2018)

2. Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Климова Н.В. Ландшафтная характеристика котловин осушенных термокарстовых озёр южной тундры Западной Сибири Научный вестник Ямало-Ненецкого автономного округа, № 4 (101), C 13–17 (год публикации - 2018)

3. Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Лим А.Г., Климова Н.В. Почвы и феномен высокой продуктивности растительности в Субарктике Почвоведение: Горизонты будущего. 2019 / Сборник кратких тезисов Третьей открытой конференции молодых ученых Почвенного института имени В.В. Докучаева (Россия, Москва, 13–15 февраля 2019 года), С. 13–14 (год публикации - 2019)

4. Крицков И.В., Лойко С.В., Лим А.Г. Поведение C и N во взвеси поверхностных водотоков Западной Сибири в зависимости от ландшафтных параметров Почвоведение: Горизонты будущего. 2019 / Сборник кратких тезисов Третьей открытой конференции молодых ученых Почвенного института имени В.В. Докучаева (Россия, Москва, 13–15 февраля 2019 года), С. 57–58 (год публикации - 2019)

5. Лим А.Г., Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Гербер А.А. Аккумуляция химических элементов на фронте промерзания в полигональных болотах Почвоведение: Горизонты будущего. 2019 / Сборник кратких тезисов Третьей открытой конференции молодых ученых Почвенного института имени В.В. Докучаева (Россия, Москва, 13–15 февраля 2019 года), С. 33–34 (год публикации - 2019)

6. Лойко С.В., Раудина Т.В., Климова Н.В., Кузьмина Д.М. Растительность и почвы в котловинах осушенных термокарстовых озёр южной тундры Пур-Тазовского междуречья (Западная Сибирь) Пойменные и дельтовые биоценозы голарктики: биологическое многообразие, экология и эволюция / Сборник материалов Международной научно-практической конференции (Россия, Астрахань, 13–18 мая 2019 года), С. 93–98 (год публикации - 2019)

7. Лойко С., Раудина Т., Лим А., Кузьмина Д., Кулижский С., Покровский О. Microtopography controls of carbon and related elements distribution in the West Siberian frozen bogs Geosciences (Switzerland), Volume 9, Issue 7, Article number 291 (год публикации - 2019)
10.3390/geosciences9070291

8. Лойко С.В., Раудина Т.В., Климова Н.В., Кузьмина Д.М. Растительность и почвы в котловинах осушенных термокарстовых озёр южной тундры Пур-Тазовского междуречья (Западная Сибирь) экология и эволюция // Сборник материалов Международной научно-практической конференции. ФГБОУВО «Астраханский государственный университет», Астрахань, 13-18 мая 2019 г. – Астрахань: Издатель: Сорокин Роман Васильевич, 2019 (год публикации - 2019)

9. Лойко С.В., Климова Н.В., Кузьмина Д.М., Покровский О.С. Lake drainage in permafrost regions produces variable plant communities of high biomass and productivity Plants, Volume 9, Issue 7, Article number 867 (год публикации - 2020)
10.3390/plants9070867

10. Пайанди-Ролланд Д., Широкова Л.С., Тесфа М., Бенезет П., Лим А.Г., Кузьмина Д.М., Карлссон Я., Геслер Р., Покровский О. Dissolved organic matter biodegradation along a hydrological continuum in permafrost peatlands Science of the Total Environment, Volume 749, Article number 141463 (год публикации - 2020)
10.1016/j.scitotenv.2020.141463

11. Широкова Л.С., Паянди-Роллан Д., Лим А.Г., Манасыпов Р.М., Аллен Дж., Рольс Дж. Л., Бенезет П., Карлссон Дж., Покровский О.С. Diel cycles of carbon, nutrient and metal in humic lakes of permafrost peatlands Science of the Total Environment, Volume 737, Article number 139671 (год публикации - 2020)
10.1016/j.scitotenv.2020.139671

12. Лим А.Г., Жискра М., Сонке Дж.Э., Лойко С.В., Косых Н., Покровский О.С. A revised pan-Arctic permafrost soil Hg pool based on Western Siberian peat Hg and carbon observations Biogeosciences, Volume 17, Issue 12, Pages 3083–3097 (год публикации - 2020)
10.5194/bg-17-3083-2020

13. 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, Volume 12, Issue 6, Article number 1817 (год публикации - 2020)
10.3390/w12061817

14. Лим А.Г., Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Крицков И.В., Широкова Л.С., Кулижский С.П., Воробьев С.Н., Покровский О.С. Dispersed ground ice of permafrost peatlands: Potential unaccounted carbon, nutrient and metal sources Chemosphere, Volume 266, Article number 128953 (год публикации - 2021)
10.1016/j.chemosphere.2020.128953

15. Лойко C.В., Лим А.Г., Кузьмина Д.М., Истигечев Г.И. Механические воздействия и термокарст в условиях типичной тундры Ямала приводят к формированию более биопродуктивных экосистем Почвоведение: Горизонты будущего 2020. Сборник тезисов докладов Четвертой открытой конференции молодых ученых Почвенного института им. В.В. Докучаева. Москва, 11–14 февраля 2020 г., М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2020. С. 51–52 (год публикации - 2020)

16. Раудина Т.В., Лойко С.В., Кузьмина Д.М., Широкова Л.С., Кулижский С.П., Головацкая Е.А., Покровский О.С. Colloidal organic carbon and trace elements in peat porewaters across a permafrost gradient in Western Siberia Geoderma, Volume 390, Article number 114971 (год публикации - 2021)
10.1016/j.geoderma.2021.114971

17. Широкова Л.С., Чупаков А.В., Иванова И.С., Морева О.Ю., Забелина С.А., Шутский Н.А., Лойко С.В., Покровский О.С. Lichen, moss and peat control of C, nutrient and trace metal regime in lakes of permafrost peatlands Science of the Total Environment, Volume 782, Article number 146737 (год публикации - 2021)
10.1016/j.scitotenv.2021.146737

18. Кузьмина Д., Лойко С., Лим А., Раудина Т., Климова Н . Plant communities on fertile soils of drained thermokarst lakes in Western Siberia EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr 2021, EGU21-15986 (год публикации - 2021)
10.5194/egusphere-egu21-15986

Публикации