Роль сезонного и многолетнего промерзания почв в трансформации потоков углерода и металлов (на примере заболоченных ландшафтов Западной Сибири)

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 23-17-00281

НазваниеРоль сезонного и многолетнего промерзания почв в трансформации потоков углерода и металлов (на примере заболоченных ландшафтов Западной Сибири)

Руководитель Кулижский Сергей Павлинович, Доктор биологических наук

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

Конкурс №80 - Конкурс 2023 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 Криогенная трансформация, формы нахождения элементов в воде, коллоидные системы, болота, многолетнемерзлые почвы, сезонное промерзание почв, аутигенные минералы, тяжёлые металлы, углерод

Код ГРНТИ38.33.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект сфокусирован на вопросах биогеохимии зимнего сезона Сибири. Основной массив данных, накопленных в науке, характеризует процессы, происходящие летом. Однако зимний период с геохимических позиций не является инертным. При отрицательных температурах происходит активный капиллярный перенос веществ. Промерзание природных вод существенным образом изменяет формы нахождения и миграционную способность истинно-растворенных, и коллоидных форм соединений углерода и металлов, а в почвах растворы подтягиваются и концентрируются на фронте промерзания. Особенно это актуально для Западно-Сибирской равнины, как одной из наиболее крупных и феноменально заболоченных равнин в мире, с континентальным климатом и многолетней мерзлотой в её северной части. Несмотря на сказанное процессы криотрансформации до сих пор слабо изучены. Не определено влияние сезонного промерзания на формирование состава болотных вод, а также сток элементов с заболоченных водосборов. Вместе с тем потепление климата, увеличение частоты перехода температур через ноль в сезонных циклах делают актуальным решение обозначенной проблемы. Поэтому целью данного проекта поставлено изучение роли криогенных процессов в трансформации форм нахождения и биодоступности органического вещества, и сопряженных элементов, в поверхностных и почвенных водах болотных ландшафтов Западной Сибири, как на основе данных экспериментального моделирования, так и натурных наблюдений. Будут выявлены масштабы влияния криотрансформации на природные воды Западной Сибири, как с точки зрения изучения естественного протекания биогеохимического цикла углерода, так и с точки зрения экологической безопасности территории. Полевые исследования запланированы на широтном профиле от подтаежных болот и до тундры как в летний, так и зимний периоды. Зимой будут отобраны пробы для изучения гидрохимических характеристик порового льда в сезонно-мерзлом слое, а в пределах мерзлых болот и в их многолетнемерзлых слоях. Летом будут проведены исследования на мерзлых болотах с целью выявления широкого спектра гидрохимических параметров льда в верхней части толщи многолетнемерзлых пород, подвергающихся ежегодному воздействию промерзания. Будут изучены ландшафтные закономерности изменений этих параметров и рассчитан потенциал выщелачивания соединений углерода и металлов из верхней части многолетнемерзлых отложений болот при потеплении климата. Экспериментальные исследования будут состоять из двух блоков работ – это полевые эксперименты с насыпными торфяными колонками, для целей выявления профильной трансформации гидрохимических параметров при промерзании в полевых условиях и лабораторные эксперименты, для которых будет применятся метод исследования процессов криотрансформации коллоидов. Будут проверены две основные гипотезы. Первая – промерзание поверхностных вод малых водоёмов и почвенных вод сильно меняет биодоступность и миграционный потенциал химических элементов в растворенной, и коллоидной формах нахождения. Вторая – промерзание почвы с поверхности приводит к значимому профильному изменению гидрохимических параметров, изменению по глубине запасов подвижных форм химических элементов, причем эти процессы характерны для торфов и грунтов, температуры которых выше –7°С. Основные результаты предлагаемой работы, по итогам проверки выдвинутых гипотез, заключаются в количественной оценке влияния процесса криотрансформации на потоки углерода растворенных органических веществ, редких и рассеянных элементов, как с ненарушенных заболоченных водосборов, так и с загрязнённых территорий. Также важным результатом будет оценка влияния сезонного промерзания на гидрохимические параметры льда в верхней части многолетнемерзлой толщи болотных и минеральных отложений. Полученные результаты могут быть положены в основу прогностических моделей отклика природных экосистем, либо экологической безопасности промышленных объектов и мест складирования, и переработки отходов, в условиях прогрессирующих климатических изменений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лойко С.В. Особенности эволюции почв котловин дренированных термокарстовых озёр в разных природных зонах Западной Сибири М-52 Мерзлотные почвы в антропоцене [Электронное издание]: сборник тезисов Всероссийской научно-практической конференции (Салехард – Лабытнанги, ЯНАО, Россия, 20-26 августа 2023), С. 31-32 (год публикации - 2023)

2. Раудина Т.В., Лойко С.В., Истигечев Г.И., Покровский О.С. Оргогозо Л. Microtopography and soil temperature regime in the northern taiga landscapes of Western Siberia European Conference on Permafrost (EUCOP2023, 18-22 June 2023, Pugcerda, Spain). Book of abstracts / J.M. Fernández-Fernández, J. Bonsoms, J. García-Oteyza, M. Oliva Eds., С. 533 (год публикации - 2023)

3. Истигечев Г.И., Лойко С.В., Раудина Т.В., Кулижский С.П. Влияние микрорельефа на температурный режим почв заболоченных ландшафтов юга криолитозоны Западной Сибири М-52 Мерзлотные почвы в антропоцене [Электронное издание]. Сборник тезисов Всероссийской научно-практической конференции (Салехард – Лабытнанги, ЯНАО, Россия, 20-26 августа 2023), С. 47-48 (год публикации - 2023)

4. Истигечев Г.И., Лойко С.В., Раудина Т.В. Особенности микротопографии и температурные режимы почв переувлажненных ландшафтов юга криолитозоны Западной Сибири МАТЕРИАЛЫ I БЕЛОРУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО КОНГРЕССА. Материалы конгресса к 90-летию факультета географии и геоинформатики Белорусского государственного университета и 70-летию Белорусского географического общества. В 7-ми частях. Минск, 2024., В 7 ч. Ч. 6. стр. 95-98 (год публикации - 2024)

5. Раудина Т.В., Истигечев Г.И., Смирнов С.В. Изучение фотохимической трансформации растворенного органического вещества и поведения металлов в природных водах северной тайги Западной Сибири МАТЕРИАЛЫ I БЕЛОРУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО КОНГРЕССА. Материалы конгресса к 90-летию факультета географии и геоинформатики Белорусского государственного университета и 70-летию Белорусского географического общества. В 7-ми частях. Минск, 2024., В 7 ч. Ч. 4., стр. 228-231 (год публикации - 2024)

6. Дербилова Д.С., Олива П., Себаг Д., Лойко С., Идимешев А., Барсуков Е., Широкова Л.С., Браун Дж.Дж., Покровский О.С. Anthropic dark soils horizons in western Siberian taiga: origin, soil chemistry and sustainability of organic matter Geoderma, Volume 452, December 2024, Article 117101 (год публикации - 2024)
10.1016/j.geoderma.2024.117101

7. Кузьмина Д.М., Лойко С.В., Лим А.Г., Истигечев Г.И., Кулижский С.П., Жюльен Ф., Рольс Ж.-Л., Покровский О.С. Macro- and micronutrient release from ash and litter in permafrost-affected forest Geoderma, Volume 447, July 2024, 116925 (год публикации - 2024)
10.1016/j.geoderma.2024.116925

8. Лим А.Г., Лойко С.В., Раудина Т.В., Крицков И.В., Кулижский С.П., Покровский О.С. Химические элементы в почвах плоскобугристого болота зоны прерывистого распространения многолетней мерзлоты (Западная Сибирь) МАТЕРИАЛЫ I БЕЛОРУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО КОНГРЕССА. Материалы конгресса к 90-летию факультета географии и геоинформатики Белорусского государственного университета и 70-летию Белорусского географического общества. В 7-ми частях. Минск, 2024., В 7 ч. Ч. 4., стр. 178-182 (год публикации - 2024)

9. Лим А.Г., Крицков И.В., Покровский О.С. Organic carbon, major and trace element release from and adsorption onto particulate suspended matter of the Ob River, western Siberia Science of the Total Environment, Science of the Total Environment. 2024. Vol. 948. – P. 174735. (год публикации - 2024)
10.1016/j.scitotenv.2024.174735

10. Крицков И.В., Лим А.Г., Широкова Л.С., Коретс М.А., Покровский О.С. Fluvial carbon dioxide emissions peak at the permafrost thawing front in the Western Siberia Lowland Science of the Total Environment , Science of The Total Environment. 2024. P. 173491. (год публикации - 2024)
10.1016/j.scitotenv.2024.173491

11. Крицков И.В., Лим А.Г., Лойко С.В., Кулижский С.П., Покровский О.С. Органогенная речная взвесь-важный источник СО2 в реках Западной Сибири МАТЕРИАЛЫ I БЕЛОРУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО КОНГРЕССА. Материалы конгресса к 90-летию факультета географии и геоинформатики Белорусского государственного университета и 70-летию Белорусского географического общества. В 7-ми частях. Минск, 2024., В 7 ч. Ч. 4. стр. 150-154 (год публикации - 2024)

12. Раудина Т.В., Смирнов С.В., Истигечев Г.И. Процессы деструкции растворенного органического вещества почв заболоченных ландшафтов южной тайги Западной Сибири тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Москва-Казань: МАКС-Пресс. 2024., тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, 2024, стр. 656-658 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На прошлом этапе было начато изучение торфяной катены в пределах полигонального мерзлого болота. Катена была заложена от полигона к топи, по которой с болота стекает вода. В этом году основной фокус внимания был сосредоточен на изучении особенностей органического вещества в талых водах и во льду этой катены. Установлено, что средний молекулярный размер растворенного органического вещества (РОВ) выше в СТС, чем в мерзлоте. Выше и показатель SUVA254. То есть органическое вещество СТС представлено больше гумусоподобными веществами, чем простыми соединениями. Средний молекулярный размер РОВ выше в СТС, чем в мерзлоте, выше и показатель SUVA. То есть ОВ СТС представлено больше гумусовыми кислотами, чем более простыми соединениями. Это хорошо подтверждается и долей углерода низкомолекулярных органических кислот в РОУ. Так, в области «криогенного пика» концентрации доля кислот достигает 10–12%. В среднем же в мерзлом торфе их доля составляет около 5%. Наибольших величин достигая в полигоне и замкнутой топи, но снижаясь к проточной топи и далее выводной топи. Суммарная концентрация органических кислот достигает 75–80 мг/л. Измерено содержание сахаров во льду многолетнемерзлой торфяной залежи. Установлено, что максимальные концентрации фукозы, сахарозы, арабинозы, ксилозы, галактозы, глюкозы, маннозы и фруктозы характерны для первого «криогенного» пика концентрации РОУ. В профиле Тз23-3 закрытой топи вогнутого полигона этот пик приурочен к глубинам 75–80 см и 90–95 см. В колонке Тз23-2 аналогичное распределение. Наибольшей концентрации из всех сахаров достигает глюкоза (по углероду) 6,8 мг/л на глубине 90–95 см в профиле проточной топи точки Тз23-2. На полигоне и в выводной топи концентрации сахаров имеют минимальные значения для всех четырех профилей катены. Поведение сахаров заметно отличается от других соединений, достигая максимальных величин в наиболее продуктивных позициях катены с достаточно сильным зимним промерзанием, а также достаточной мощностью торфа. Возникает вопрос, а на какие соединения приходятся остальные десятки процентов растворенного органического вещества? Для этого интересным будет рассмотреть долю нитратов и нитритов в составе общего растворенного азота. В сезонно-талом слое доля нитратов и нитритов сравнительно велика. Отметим, что в этом горизонте очень невысоки значения общего азота (приведены в отчёте за 1-й этап проекта). При переходе в постоянно мерзлый слой доля нитратов и нитритов заметно падает, до первых процентов. При этом наблюдается кратный рост концентраций общего азота. Обратимся к данным пиролитической хроматографии, ординация результатов которой по отдельным соединениям приведена в отчёте. Группировка этих соединений в группы показывает, что в РОВ льда доля N-содержащих соединений достигает 62,9%. Вместе с тем в талом горизонте она снижается до 12,9%. Минимум содержания полисахаридов характерен для области максимума N-содержащих соединений. А максимум содержания полисахаридов приходится на переходный слой. Содержание ПАУ, аренов и фенолов повышенное в верхнем горизонте, что указывает на их происхождение из гумифицированного органического вещества. В нижних мерзлых горизонтах несколько повышается содержание фенолов, возможно, вместе с полисахаридами они происходят из коллоидной фракции ОВ. Некоторые представления об органическом веществе может дать рассмотрение распределения фосфатов в валовом содержании фосфора в водах и льду торфяных мерзлотных почв катены Тз23. Доля фосфатов в общем фосфоре наибольшая в промежуточных частях катены. В почвах полигона и выводной топи больше доля органического фосфора. При этом обращает на себя внимание относительно равномерное распределение этой доли по профилю почв. Вместе с тем валовое количество фосфора заметно возрастает в почвах топей. На данном этапе исследована минеральная фаза кернов, отобранных из торфяных олиготрофных почв, с использованием сканирующих электронных микроскопов, а также поляризационного просвечивающего микроскопа. Сделаны выводы о вкладе минеральной фазы в геохимические параметры торфяных олиготрофных мерзлотных почв полигональных болот. В рассматриваемых почвах полигонального болота в южной тундре установлено увеличение концентраций многих элементов (Ti, Al, Cr и др.) в верхней и нижней частях почвенного профиля Тз23-4 полигонального болота, что связано с пылевыми выпадениями. Пики содержания химических элементов подтверждаются и наличием терригенных зерен минералов преимущественно в верхней и нижней частях колонки. Причем в верхней части зерна характеризуются эрозионной проработкой и имеют окатанную форму, что может быть связано с многократными циклами промерзания-оттаивания, а в нижней части форма зерен обломочная. Аутигенные минералы посредством наблюдения в оптические микроскопы не обнаружены. На этом этапе завершен полевой эксперимент с промораживанием торфяных колонок, торф которых предварительно был измельчен, гомогенизирован и увлажнен до одной влажности, показал существенную дифференциацию гидрохимических параметров в пределах торфяных колонок после их промораживания на глубину до 50–60 см. Минимальные температуры были несколько ниже минус пяти градусов у поверхности. Даже такое несильное промораживание привело к тому, что значения рН менялись на 0,5 единицы, а электропроводности выросли в два раза. Наблюдалось увеличение влажности в приповерхностных горизонтах, в то время как нижняя часть колонок имела тенденцию к уменьшению влажности. Такие элементы, как фосфор и марганец, продемонстрировали наибольшие изменения. Наибольшие эффекты проявились с использованием торфа наибольшей степени разложения в сравнении со сфагновым торфом. Определяющую роль играют капиллярные эффекты, возникающие в замерзшем слое. В ультратонких незамерзших порах продолжается движение воды по температурному градиенту к верхней части колонки, что приводит к уменьшению содержания РОУ за счет «отсева» крупных коллоидов, при этом относительно увеличивается концентрация таких катионов, как кальций, магний, натрий, барий, а также восстановленный марганец. Растёт и влажность в этом направлении. Соединения, связанные с коллоидным перемещением, относительно накапливаются в нижней части колонки. Проведенный эксперимент наглядно демонстрирует капиллярные эффекты в переносе веществ внутри мерзлого горизонта. Отметим, что схожие процессы отвечают и за накопление низкомолекулярных органических кислот, сахаров в верхней части торфяной мерзлоты. Осенью и зимой, когда замерзает сезонно-талый слой, происходит капиллярное подтягивание этих соединений в область, где остаточно-эутрофный торф переходит в сфагновый, что сказывается на увеличении эффективного диаметра пор, с одной стороны, а с другой — в область, где температура почвы опускается ниже минус 7 градусов.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На данном этапе проводили дообработку полученных аналитических данных на прошлых этапах, сопоставление различных геохимических прокси между собой с целью выявления сезонно-криогенных паттернов изученных геохимических параметров. Обработка данных показала, что пространственная и межгодовая изменчивость маскируют эффект криогенного подтягивания. Сравнение мерзлой и талой частей профиля более корректно. Обнаружен кумулятивный эффект накопления элементов у фронта промерзания. В приповерхностных горизонтах высокая вариабельность из-за микрорельефа. Средние концентрации Na, K, Ca, Fe, Al выше в мерзлой части из-за вымораживания. Наибольшую разницу в вариабельности показывает калий: стабильнее в мерзлой части, выше в талой. Алюминий, кремний, марганец и железо более вариабельны в мерзлой части. Это подтверждает неоднородность химических процессов в промерзающем слое. Анализ микробных сообществ выявил три максимума в горизонтах 0-10, 50-70 и 160-170 см, минимум на глубине 70-80 см. Распределение на плоскобугристом болоте сходное. Метаболическая активность сильно варьировала, пик на 6-й и 10-й дни. Наибольшая активность в слое 40-60 см. Концентрация полимеров удвоилась к 10-му дню, углеводов – во всех горизонтах, карбоновых кислот снизилась на 6-й день, аминокислот – в 2 раза в слоях 40-65 и 160-165 см, аминов – в 2-3 раза в горизонтах 60-80 и 165-170 см. Фенольные компоненты увеличились в слоях 40-45, 70-110 и 165-170 см и уменьшились на глубинах 55-60 и 160-165 см. Полевой эксперимент показал, что замораживание торфяной колонки трансформирует гидрохимические параметры. Ключевую роль играют капиллярные эффекты: движение воды по незамерзшим порам уменьшает содержание растворенного органического углерода (РОУ) и увеличивает влажность. Концентрации Na, K, Ca, Mn, Fe ниже в мерзлом слое, Co, Mo – выше. Концентрации РОУ и общего азота более вариабельны в талой части. Заморозка/оттаивание изменяет характер пространственной вариабельности параметров. Эксперимент демонстрирует аналогию с природными условиями. Анализ водных вытяжек и нативных почвенных растворов выявил методические различия. Распределение элементов в нативных растворах коррелирует с морфологией. В глеевом горизонте минимальные концентрации Ca, Mg, Mn. В тиксотропном горизонте значительное увеличение концентраций Al, Si, Fe. В водных вытяжках эти пики отсутствуют. В многолетнем льду аккумуляция Mn в 30 раз выше, чем в водах активного слоя. Исследование подтверждает активные геохимические процессы в многолетнемёрзлых горизонтах. Сравнение Episapric Histosol тундры и Epifibric Histosol тайги показало, что в тундре средние концентрации низкомолекулярных органических кислот выше (79,2 мг/л против 54,5 мг/л). В тундре резкий пик концентрации НМОК ниже границы мерзлоты, в тайге – менее резкий. Сравнение с AMS-датированием указывает на консервацию древнего РОУ и аккумуляцию продуктов анаэробного разложения. Торфяные мерзлотные почвы функционируют по-разному в зависимости от глубины активного слоя. В СТС концентрации НМОК низкие из-за быстрого выноса и разложения. В переходной зоне максимальная микробная активность и омоложение пула РОУ. В многолетней мерзлоте происходит консервация органического вещества и in-situ продукция. Исследование сахаров показало, что минимальные концентрации на плоском полигоне, максимальные – в топи. Данные подтверждают накопление и сохранение легкометаболизируемых соединений в многолетней мерзлоте. Поровые воды торфяников имеют высокое содержание анионов органических кислот и фосфатов, низкое – нитратов. Речные воды, дренирующие болота, имеют меньшие концентрации органических веществ и минерализацию. Анализ показал, что в меженный период малые реки южной тундры питаются водами полигональных торфяников. При потеплении климата болотная гидрохимическая сигнатура усилится.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты могут быть использованы для оценки глобальных запасов химических элементов в многолетнемерзлых торфяных почвах, при прогнозировании климатических изменений, влиянии на речной сток химических элементов и эмиссии парниковых газов, а также специалистами, занимающимися экологическими изысканиями. Полученные результаты показывают важность в ходе создания национальной системы мониторинга окружающей среды уделять внимание не только лесным экосистемам, но и многолетнемерзлым болотам. Процессы происходящие на них в будущем окажут существенное влияние и на речной сток, и на биологическую продуктивность в поймах. Их оттаивание будет вызывать дальнейшее увеличение суммарной биомассы в Субарктике, а это значит и рост содержания пара в атмосфере, снижение альбедо. Что будет способствовать региональному потеплению, ускорению происходящих процессов. Но в перспективе столетия, после оттаивания мерзлоты на всю мощность торфяной залежи, можно ожидать усиление процессов заболачивания, снижение биомассы и продуктивности.