Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2016
Ключевые слова: баланс углерода, обменные потоки углерода, бассейн р. Енисей, диоксид углерода, метан, растворенный углерод, дистанционное зондирование, годичные кольца деревьев, стабильные изотопы, биохимические маркеры
Аннотация: Проводящийся долговременный мониторинг концентраций парниковых газов и аэрозолей наряду с анализом обменных потоков углерода в экосистемах направлен на выявление биологических и антропогенных процессов участвующих в формировании состава атмосферы. Комплексный анализ результатов многолетних инструментальных измерений (2010–2016 гг.)Показать полностьюконцентраций парниковых газов (ПГ) и аэрозолей в атмосфере был осуществлен для диагностики источников их географического формирования на основе данных по изотопному составу метана, массовой концентрации атмосферного аэрозоля, концентрации моноксида углерода (CO), концентраций органического углерода (OC), элементарного углерода (EC) и общего углерода (TC = OC + EC) и общая масса углерод-содержащей фракции (ТСМ). На этапе 2016 г. нами была рассмотрена динамика концентраций метана и его изотопного состава (δ13C-CH4 и δD-CH4) в приземном слое атмосферы условно фонового района Сибири для периода. По данным ESRL (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends_ch4/) глобальная концентрация метана в атмосфере после относительно стабильных уровней в 2000-2006 гг. начала резкое увеличение начиная с 2007 г. и достигла в сентябре 2016 г. 1844 ppb. Годовой прирост СН4 варьировал в этот период от 4.7 в 2012 г. до 12.6 ppb/год в 2014 г. Наблюдения за концентрацией СН4 в атмосферном воздухе над западной Сибирью, начатые нами в 2009 г., действительно показывают его устойчивое ежегодное увеличение, причем за последние три года наблюдений рост концентраций в атмосфере региона характеризуется значительным ускорением. Так, среднегодовая концентрация СН4 в 2010 году составляла 1919 ppb, в 2013 году – 1933 ppb, а в неполном 2016 году – 1962 ppb. Среднемноголетняя скорость роста СН4 над западной Сибирью составила 7.6 ppb/год, что практически в два раза выше, чем на станции “Shetlands” (4.1 ppb/год), расположенной в условиях морского пограничного слоя на такой же географической широте (1.25º з.д., 60.08º с.ш.). Для выявления возможных источников СН4, определяющих динамику СН4 в атмосфере, наиболее часто используется анализ изотопного соотношения стабильных изотопов (δ13С-СН4 и δD-СН4). На основе зависимости отношения произведения δ13С-СН4хСН4 от СН4 (модифицированный метод Keeling plot) выявлено, что величина δ13С-СН4 и δD-СН4 для смешанного источника СН4 в вегетационный сезон (июнь-сентябрь) составляют -76.4±2.6 ‰ и -342.2±14.8 ‰ соответственно. Для холодного периода (декабрь – февраль) мы получили значения -59.2±2.2 ‰ и -297.5±17.7 ‰ для δ13С-СН4 и δD-СН4, соответственно. Очевидно, что метан летнего периода формируется преимущественно его поступлением из болотных биогеоценозов с пиком в августе (δ13С-СН4 болотного метана до -80‰, Whiticar and Schaefer, 2007). Утяжеление δ13С-СН4 в зимний период происходит в результате снижения эмиссий биогенного и возрастания доли в атмосфере термокаталитического метана (δ13С-СН4 природного газа добываемого на территории Сибири ≈-40‰ (Немченко и др.., 1999; Гончаров и др., 2009). Вместе с тем, вклад этого источника в концентрацию СН4, регистрируемую на обсерватории ZOTTO, значительно меньше, чем в центральной части западной Сибири, где смешанный источник СН4 характеризуется более тяжелым изотопным составом: -65‰ и -282‰ для теплого времени года и -41.2‰ и -247‰ для холодного периода (Umezawa T. et al., 2012). При анализе характеристик аэрозольной компоненты (массовой концентрации атмосферного аэрозоля, концентраций органического углерода (OC), элементарного углерода (EC) и т.д) нами выявлено, что несмотря на удаленность станции наблюдений от населенных пунктов и промышленных центров, атмосферный воздух над бореальными лесами среднетаежной подзоны Приенисейской Сибири содержит массовую концентрацию аэрозоля и углеродсодержащую фракцию аэрозольных частиц в количествах, существенно превышающих фоновые значения. Фоновые их концентрации наблюдались в относительно короткие временные интервалы, суммарная продолжительность которых не превышает 30% от периода наблюдений. В остальное время вариации в содержании моноксида углерода (СО) в ПСА, и тесная корреляционная связь между органическим (ОС) и элементарным углеродом (ЕС) в зимний (r2 = 0.80) и летний (r2 = 0.93) сезоны указывает на то, что оба компонента поступали в атмосферу от источников горения, а сильное сезонное различие в их отношениях (ОС/ЕС = 9.1 ± 2.8 - зимой и 36.7 ± 9.4 - летом) свидетельствует о различной природе источников эмиссий атмосферного аэрозоля. Так низкое относительное содержание ОС, наблюдаемое в зимний период (1.8 ± 0.7 мкг/м3), указывает на техногенные источники загрязнений, а его высокое содержание в летний сезон (14.6 ± 11.4 мкг/м3) свидетельствует о преимущественном вкладе эмиссий от лесных пожаров. Минимальные сезонные значения концентраций в основном были зафиксированы либо в периоды господства арктических воздушных масс, проходящих через малонаселенные районы, либо в периоды отсутствия адвекции. В летний сезон, в отсутствие лесных пожаров, вариации фоновых концентраций ОС тесно коррелировали с температурой воздуха (r2 = 0.90), что указывает на преимущественно биогенные источники образования органической фракции аэрозольных частиц. На основе данных прямых измерений потоков СО2/CH4 методом турбулентных пульсаций проведена оценка чистого экосистемного обмена (NEE) на участках в лесо-болотных комплексах Западной Сибири, темнохвойной и лиственничной тайге, а также плоскобугристом болоте экотона лесотундры. В 2016 г. нами зафиксирован значительный рост стока атмосферного СО2 в среднетаежной подзоне (район ZOTTO) по сравнению с предыдущим годом. Так, в сосняке лишайниковом и среднем ряме NEE составил около -20 мольСО2/м2/сезон, соответственно. Темнохвойное насаждение правобережья Енисея также характеризовалось более продолжительным сезоном поглощения СО2 атмосферы, а его кумулятивный NEE в 2016 г. составил -12.9 моль СО2/м2/сезон. Обратная картина показана для лиственничника, где NEE в 2016 г. снизился до -9 моль СО2/м2/сезон. Плоскобугристое болото (Игарка) на момент прекращения измерений имело близкий к 0 кумулятивный сезонный поток СО2, несмотря на относительно высокие уровни его поглощения в середине вегетационного периода (-0.34 uмоль/м2/30 мин). Более того, данная экосистема являлась источником СН4, кумулятивный поток которого достиг 42 ммоль/м2/сезон. Помимо этого, дополнительно с латеральным стоком (сумма РОУ, РНУ и ВОУ) с территории бассейна по нашим оценкам было вынесено около 0.78 мольС/м2/сезон. А с учетом эмиссий СО2 с водной поверхности общие потери составили > 1 моль/м2/сезон. Доля латерального экспорта (РОУ, РНУ и ВОУ) в гидрографическую сеть от величины NEE составила в 2016 г. для лиственничников криолитозоны Средней Сибири около 4% (4.3 гС/м2/год) и 1.7% (4.0 гС/м2/год) для лесоболотных комплексов Западной Сибири. Таким образом, исследованные биогеоценозы, за исключением экотона лесотундры, представляли собой средний по мощности сток атмосферного СО2. На основе двухлетних маршрутных исследований дана оценка годового экспорта РОУ и РНУ с водосборных бассейнов притоков р. Енисей в пределах 58-67.5о с.ш. (n=21). Показано, что поступление РОУ в водотоки варьирует от 0.74 до 6.17 гС/м2/год и характеризуется обратной зависимостью от среднегодовой температуры воздуха в бассейнах как у восточных, так западных притоков. Повышение выноса РОУ за пределы ландшафтов наблюдается со снижением среднего угла наклона в бассейне и описывается обратной степенной функцией FРОУ = 1.94 х Slope-0.52 (R2=0.66, p<0.05). Наибольшие значения концентраций РОУ выявлены в реках бассейна Подкаменной Тунгуски, дренирующих криогидроморфные ландшафты зоны прерывистого распространения мерзлоты. Латеральный поток РНУ (0.93-4.53 гС/м2/год) в анализируемых водотоках не обнаружил достоверных связей с климатическими факторами и орографией бассейнов. Наиболее важную роль в формировании потока РНУ играют литологические особенности бассейнов. В частности, для бассейна р. Енисей нами показан рост концентраций РНУ в водотоках при увеличении δ26Mg, обусловленного растворением докембрийских карбонатных пород (δ26Mg = -1.5 – -2.2‰, Mavromatis et al., 2016, GCA). В пределах относительно гомогенного по литологии Среднесибирского плоскогорья, где получили распространение преимущественно силикатные породы, потоки РНУ в реках (n = 8) характеризуются экспоненциальной зависимостью от среднегодовой температуры воздуха (MAAT) FРНУ = 4.88 х е0.15 х MAAT (R2=0.94, p<0.05) в диапазоне от -10.9оС (р. Тембенчи) до -6.1 оС (р. Подкаменная Тунгуска). Рост температур в зоне гипергенеза и деградация мерзлоты в пределах Среднесибирского плоскогорья существенно увеличивают латеральную миграцию РНУ в водотоки в форме гидрокарбонат-иона (Kolosov et al., 2016). Латеральный сток растворенных ПГ и их эмиссия с поверхности водотоков остается одним из наименее изученных компонентов цикла углерода. В ходе экспедиции на теплоходе от 55 до 68о с.ш. в русловом стоке р. Енисей были впервые в Сибири определены параметры изменчивости концентраций растворенных СО2 и СН4, а также их изотопного состава с помощью анализатора Picarro 2201-i. Варьирование рСО2 в водах р. Енисей в летнюю межень составило от 118 до 900 ppmv (6-73 µмоль/л), а δ13С-СО2 изменялся, соответственно, от -12 до -21‰. Концентрации растворенного метана в русловом стоке р. Енисей превышали его значения в атмосферном воздухе в 4-340 раз на всем протяжении маршрута. Изотопный состав растворенного метана (δ13С-СН4) руслового стока р. Енисей характеризовался достаточно резкими изменениями и значительным варьированием от -35.1 до -75.3‰ с участками выходов биогенного и термокаталитического метана. Максимальные уровни pСН4 (>>100 ppmv) регистрировались на мелководных участках западного берега р. Енисей, свидетельствуя об активном метаногенезе в донных отложениях.