Carbon Dioxide and Methane Distribution in Peat Deposits of an Oligotrophic Forest Swamp in Western Siberia and Their Emission

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Swamps and wetlands of forested areas, as well as the non-forest swamps are jointly involved in the global carbon cycle. They play an important role in depositing the greenhouse gases. This article analyses the long-term dynamics of the greenhouse gases (CO2 and CH4) concentration in a peat deposit and their emission in a natural and reclaimed oligotrophic bog in the southern taiga zone of Western Siberia. It was found that a significant role in the CO2 and CH4 concentration dynamics in the peat deposits belongs to the weather conditions of each month of the warm period, the botanical composition and the activity of biochemical processes, as well as the structure and physical and mechanical properties of a peat deposit. Also identified were the intra-deposit, spatial and temporal dynamics of the greenhouse gases concentrations’ indicators. It has been proven that there are multicomponent dependences of CO2 and CH4 concentrations on the parameters of external and intra-deposit conditions. The concentrations’ parameters in the oligotrophic bog’s peat deposit from the swampy catch basin of the Klyuch river were determined as follows: extreme concentrations of CO2 were 0.002–3.64 mmol/dm3, extreme concentrations of CH4 were 0.003–2.03 mmol/dm3; the CO2 normalised fluxes varied from /–22.2/ to 157.8 mg C/(m2 · h), the CH4 normalised fluxes’ extreme values were equal /–3.0/–5.3 mg C/(m2 · h), the CO2 fluxes for the warm period were 20–110 g C/(m2 · year), the CH4 fluxes for the warm period were 0.8–3.7 C/(m2 · year). At the forest reclamation site, a slight increase in the CO2 normalised fluxes activity was revealed compared to a natural swamp, while the greenhouse gases’ concentrations in the peat deposit were found to be comparable in both cases. It was shown that in the absence of an operating drainage system, the process of re-bogging occurs. Due to the vast areas of the West Siberian Plain’s swamps and the aggressive nature of the bogging process, moderate and selective forest reclamation is suggested for its taiga zone.

About the authors

L. I. Inisheva

Tomsk State Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: inisheva@mail.ru
Russia, 634061, Tomsk, Kiyevskaya st. 60

M. A. Sergeeva

Tomsk State Pedagogical University

Email: inisheva@mail.ru
Russia, 634061, Tomsk, Kiyevskaya st. 60

A. V. Golovchenko

Moscow State University

Email: inisheva@mail.ru
Russia, 119991, Moscow, Leninskie Gory 1

B. V. Babikov

Saint-Petersburg Forestry Universit

Email: inisheva@mail.ru
Russia, 194021, Saint-Petersburg, Institutskiy ln., 5

References

  1. Бобрик А.А., Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Рыжова И.М., Макаров М.И., Тимофеева М.В. Распределение компонентов углеродного цикла почв лесных экосистем северной, средней и южной тайги Западной Сибири // Почвоведение. 2020. № 11. С. 1328–1340.
  2. Будыко М.И. Изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 280 с.
  3. Веретенникова Е.Э., Дюкарев Е.А. Эмиссия метана с поверхности верховых болот Западной Сибири // Тринадцатое Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мониторингу. Томск: Аграф – Пресс, 2019. С. 162–163.
  4. Вомперский С.Э., Цыганова О.П., Ковалев А.Г., Глухова Т.В., Валяева Н.А. Заболоченность территории России как фактор связывания атмосферного углерода // Глобальные изменения природной среды и климата. М.: Изд-во РАН, 1999. С. 124–145.
  5. Головацкая Е.А. Биологическая продуктивность олиготрофных и эвтрофных болот южнотаежной подзоны Западной Сибири // Журн. Сибирского федерального университета. Биология. 2009. Т. 2. № 1. С. 38–53.
  6. Головацкая Е.А. Биогеохимические циклы углерода в болотных экосистемах // Материалы 19-й Международной конференции “Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса”. М.: ИКИ РАН, 2021. С. 431.
  7. Гольдин Д.И. Развитие лесоосушительных работ в Томской области // Теория и практика лесного болотоведения и гидролесомелиорации. Красноярск: Институт леса и древесины им. В.Н. Сукачева СО АН СССР. 1976. С. 113–119.
  8. Дюкарев Е.А., Сабреков А.З., Глаголев М.В., Киселев М.В., Филиппов И.В., Лапшина Е.Д. Оценка эмиссии и поглощения парниковых газов болотными экосистемами Нефтюганского района Ханты-Мансийского автономного округа // Избранные труды Международной конференции и школы молодых ученых по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды. Томск, 2020. С. 177–180.
  9. Ефремов С.П. Пионерные древостои осушенных болот. Новосибирск: СО РАН, 1987. 248 с.
  10. Инишева Л.И. Закономерности функционирования болотных экосистем в условиях воздействия природных и антропогенных факторов. Томск: ТГПУ, 2020. 482 с.
  11. Инструкция по проведению лесоустройства в лесном фонде России. Ч. 1. М.: Изд-во ВНИИЦлесресурс ФС ЛХ России, 1995. 174 с.
  12. Карелин Д.В., Почикалов А.В., Замолодчиков Д.Г., Гитарский М.Л. Факторы пространственно-временной изменчивости потоков СО2 из почв южнотаежного ельника на Валдае // Лесоведение. 2014. № 4. С. 56–66.
  13. Коженкова З.П., Рутковская Н.В. Климат Томской области и его формирование // Вопросы географии Сибири. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1974. Т. 6. С. 3–36.
  14. Константинов В.К. Гидролесомелиоративная энциклопедия. СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. 275 с.
  15. Кузнецова А.И., Лукина Н.В., Горнов А.В., Горнова М.В., Тихонова Е.В., Смирнов В.Э., Данилова М.А., Тебенькова Д.Н., Браславская Т.Ю., Кузнецов В.А., Ткаченко Ю.Н., Геникова Н.В. Запасы углерода в песчаных почвах сосновых лесов на западе России // Почвоведение. 2020. № 8. С. 959‑969.
  16. Кузьмин Г.Ф. Болота и их использование // Сборник научных трудов НИИ торфяной промышленности. СПб, 1993. 140 с.
  17. Махов Г.А., Бажин Н.М., Ефремова Т.Т. Эмиссия метана из болот междуречья рек Оби и Томи // Химия в интересах устойчивого развития. 1999. № 2. С. 619–622.
  18. Методические указания по расчетам стока с неосушенных и осушенных болот // М-во природ. ресурсов и экологии РФ; Федер. Служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Санкт-Петербург: Петербургский модный базар, 2011. 150 с.
  19. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып. 6. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 384 с.
  20. Наумов А.В. К вопросу об эмиссии углекислого газа и метана из болотных почв южного Васюганья // Сибирский экологический журн. 1994. № 3. С. 269–274.
  21. Наумов А.В. Углекислый газ и метан в почвах и атмосфере болотных экосистем Западной Сибири // Сибирский экологический журн. 2002. № 3. С. 313–318.
  22. Смагин А.В. Абиотическое поглощение газов органогенными почвами // Почвоведение. 2007. № 12. С. 1482–1488.
  23. Технический анализ торфа. М.: Недра, 1992. 358 с.
  24. Титлянова А.А. Продуктивность травяных экосистем // Биологическая продуктивность травяных экосистем. Географические закономерности и экологические особенности. Новосибирск: Наука, 1988. С. 109–127.
  25. Торфяные болота России: к анализу отраслевой информации / Под ред. А.А. Сирина и Т.Ю. Минаевой. М.: ГЕОС, 2001. 190 с.
  26. Шарков И.Н. Абсорбционный метод определения эмиссии СО2 из почв // Методы исследований органического вещества почв. М.: Россельхозакадемия: ГНУ ВНИПТИОУ, 2005. С. 401–407.
  27. Шнырев Н.А. Режимные наблюдения и оценка газообмена на границе почвы и атмосферы (на примере потоков метана стационара среднетаежной зоны Западной Сибири “Мухрино”): автореф. дис. … кандидата биологических наук: 06.01.03. М., 2016. 26 с.
  28. Bohn T.J., Lettenmaier D.P., Sathulur K., Bowling L.C., Podest E., McDonald K.C., Friborg T. Methane emissions from western Siberian wetlands: heterogeneity and sensitivity to climate change // Environmental Research Letters. 2007. V. 2. № 4. https://doi.org/10.1088/1748-9326/2/4/045015
  29. Cardinael R., Chevallier T., Cambou A., Beral C., Barthes B.G., Dupraz C., Durand C., Kouakoua E., Chenu C. Increased soil organic carbon stocks under agroforestry: A survey of six different sites in France // Agric. Ecosyst. Environ. 2017. V. 236. P. 243–255.
  30. Cardinael R., Umulisa V., Toudert A., Olivier A., Bockel L., Bernoux M. Revisiting IPCC Tier 1 coefficients for soil organic and biomass carbon storage in agroforestry systems // Environ. Res. Lett. 2018. V. 13. № 12. P. 124020.
  31. De Stefano A., Jacobson M.G. Soil carbon sequestration in agroforestry systems: a meta-analysis // Agroforestry Systems. 2018. V. 92. № 2. P. 285–299.
  32. Eilrich B. Formation and transport of CH4 and CO2 in deep peatlands: Presentee a la Faculte des Sciences de l’Universite de Neuchatel (Suisse) pour l’obtantien du grade de Docteures es Sciences. 2002. P. 168.
  33. Heyer J., Berger U., Kuzin I.L., Yakovlev O.N. Methane emissions from different ecosystem structures of the subarctic tundra in Western Siberia during midsummer and during the thawing period // Tellus B. 2002. V. 54. Issue 3. P. 231–249. https://doi.org/10.1034/j.1600-0889.2002.01280.x
  34. Inisheva L.I., Golovatskaya E.A. Elements of carbon balance in oligotrophic bogs // Russian J. Ecology. 2002. V. 33. № 4. P. 242–248.
  35. Joosten H., Sirin A., Couwenberg J., Laine J., Smith P. The role of peatlands in climate regulation // Peatland Restoration and Ecosystem Services: Science, Policy and Practice. Cambridge University Press. 2016. P. 66–79.
  36. Kankaala P., Taipale S., Jones R.I., Nykanen H. Oxidation, efflux, and isotopic fractionation of methane during autumnal turnover in a polyhumic, boreal lake // J. Geophysical Research. 2007. V. 112. № 2.
  37. Leroy F., Gogo S., Guimbaud C., Bernard-Jannin L., Hu Z., Laggoun-Defarge F. Vegetation composition controls temperature sensitivity of CO2 and CH4 emissions and DOC concentration in peatland // Soil Biology and Biochemistry. 2017. V. 107. P. 164–167.
  38. Nadeshina E.D., Molkentin E.K., Kiselev A.A., Semioshina A.A., Shkolnic I.M. Investigation of parameterization effect on the methane flux estimation from the regional climate model of the main geophysical observatory for the territory of Russia // Russia Meteorology and Hydrology. 2011. 36. № 6. P. 371–382.
  39. Naumov A.V., Smolentseva E.N. Estimation of carbon dioxide exchange of cascade geochemically conjugated steppe ecosystems in salinity condition. // Steppe ecosystems: biological diversity, management and restoration. Chapter 7. Nova Science Publishers. N.Y. 2013. P. 153–163.
  40. Nilsson M., Bohlin E. Methane and Carbon Dioxide Concentrations in Bogs and Fens – with Special Reference to the Effects of the Botanical Composition of the Peat // J. Ecology. 1993. V. 81. № 4. P. 615–625.
  41. Romanovskaya A.A., Korotkov V.N., Polumieva P.D., Trunov A.A., Vertyankina V.Yu., Karaban R.T. Greenhouse gas fluxes and mitigation potential for managed lands in the Russian Federation // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2020. V. 25. № 4. P. 661.
  42. Romanowicz E.A., Siegel D.I., Chanton J.P., Glaser P.H. Temporal variations in dissolved methane deep in the Lake Agassiz Peatlands, Minnesota // Global Biogeochemical Cycles. 1995. № 9. P. 197–212.
  43. Steinmann Ph., Shotyk W. Sampling anoxic pore water in peatlands using “peepers” for in situ-filtration // Fresenius J. Analytical Chemistry. 1996. V. 354. P. 709–713.
  44. Wiesmeier M., Mayer S., Paul C., Helming K., Don A., Franko U., Steffens M., Kögel-Knabner I. CO2 certificates for carbon sequestration in soils: methods, management practices and limitations // BonaRes Series. 2020. № 4. P. 1–23. https://doi.org/10.20387/BonaRes-NE0G-CE98

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (381KB)
3.

Download (243KB)
4.

Download (84KB)
5.

Download (256KB)

Copyright (c) 2023 Л.И. Инишева, М.А. Сергеева, А.В. Головченко, Б.В. Бабиков

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies