Artificial Incubation Experiment of Thawed Peat in Permafrost Bogs

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Vulnerability of peat plateaus to global warming was analyzed in northeastern European Russia. A laboratory experiment of peat artificial incubation was carried out to analyze the organic carbon sustainability of peat plateaus to decomposition. The mineralization rate of peat organic carbon and the CO2 and CH4 emissions were calculated under artificial aerobic and anaerobic conditions at a temperature of +4°C during the incubation for 1300 days in mixed peat samples of a peat plateau excavated from active (AL), transitional (TL) and permafrost (PL) layers. The δ13C and δ15N isotopes and C/N, O/C, and H/C ratios were determined as indicators of changes in the decomposition rate of organic carbon. The study shows that by the 1300th day of the experiment under aerobic conditions, the total CO2 production released per 1 g of carbon in the analyzed sample was 10.24–37.4 mg C g-1 (on average 25.76 mg C g-1), while under anaerobic conditions, – only 2.1–3.38 mgC g-1 (average 3.15 mgC g-1). CH4 emission was detected only in the transition layer and in extremely small quantities. The incubation experiment results support the hypothesis that peat plateaus are resilient, especially under anaerobic conditions, regardless of ongoing climate warming.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. V. Pastukhov

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: alpast@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9368-9270
Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

D. A. Kaverin

Institute of Biology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: alpast@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2559-2340
Russian Federation, 28, Kommunisticheskaya St., Syktyvkar, 167982

References

  1. Атлас Республики Коми. М.: Феория, 2011. 448 с.
  2. Болота Западной Сибири, их строение и гидрологический режим / Под ред. Иванова К.Е., Новикова С.М. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 448 с.
  3. Геокриологическая карта СССР, масштаб 1 : 2.5 млн. / Отв. ред. Ершова Е.Д., Кондратьева К.А. М.: Мин. геологии СССР и МГУ, 1998.
  4. Гидрология заболоченных территорий зоны многолетней мерзлоты Западной Сибири / Под. ред. Новикова С.М. СПб.: ВВМ, 2009. 536 с.
  5. ГОСТ 17644-83 Торф. Методы отбора проб из залежи и обработки их для лабораторных испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1983. 14 с.
  6. Загирова С.В., Мигловец M.H., Якубенко С.В. Оценка потоков метана в экосистеме крупнобугристого болота подзоны крайнесеверной тайги на европейском северо-востоке России (по результатам двух методов измерений) // Сибирский экологический журнал. 2023. № 2. С. 136–147. https://doi.org/10.15372/SEJ20230203
  7. Иванов К.Е. Гидрология болот. Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1953. 300 с.
  8. Иванов К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 280 с.
  9. Инишева Л.И., Кобак К.И., Турчинович И.Е. Развитие процесса заболачивания и скорость аккумуляции углерода в болотных экосистемах России // География и природные ресурсы. 2013. Т. 34. № 3. С. 60–68.
  10. Каверин Д.А., Пастухов А.В., Новаковский А.Б. Динамика глубины сезонного протаивания тундровых мерзлотных почв (на примере площадки циркумполярного мониторинга деятельного слоя в европейской России) // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI, № 6. С. 35–45. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-6(35-44)
  11. Методические рекомендации по проектированию и строительству автомобильных дорог на промороженных основаниях в заболоченных районах Западной Сибири. М.: Союздорнии, 1975. 57 с.
  12. Мигловец М.Н., Загирова С.В., Гончарова Н.Н., Михайлов О.А. Эмиссия метана с крупнобугристого болота на северо-востоке европейской части России // Метеорология и гидрология. 2021. № 1. С. 93–102.
  13. Михайлов О.А., Мигловец M.H., Загирова С.В. Вертикальные потоки метана на мезоолиготрофном болоте таежной зоны Европейского Северо-Востока России // Сибирский экологический журнал. 2015. № 3. С. 452–460. https://doi.org/10.15372/SEJ20150312
  14. Обзорная криологическая карта Коми и НАО. Масштаб 1 : 1 млн. Проект ПРООН/ГЭФ/ЕС. 2015. http://undp-komi.org/images/pdf/reports/geokriomap.jpg (дата обращения: 03.02.2017).
  15. Пастухов А.В., Каверин Д.А., Гончарова Н.Н. Реликтовые бугристые мерзлотные торфяники на южном пределе Восточно-Европейской криолитозоны // Теоретическая и прикладная экология. 2015. № 1. С. 77–84.
  16. Пастухов А.В., Марченко-Вагапова Т.И., Каверин Д.А., Гончарова Н.И. Генезис и эволюция бугристых болот на территории редкоостровной многолетней мерзлоты на европейском Северо-Востоке (бассейн среднего течения р. Косью) // Криосфера Земли. 2016. Т. XX. № 1. С. 3–14.
  17. Пастухов А.В., Марченко-Вагапова Т.И., Каверин Д.А., Кулижский С.П., Кузнецов О.Л., Панов В.С. Динамика развития бугристых торфяников на южной границе Восточно-Европейской криолитозоны // Почвоведение. 2017. № 5. P. 544–557. https://doi.org/10.7868/S0032180X17030091
  18. Пастухов А.В., Каверин Д.А. Запасы почвенного углерода в тундровых и таежных экосистемах Северо-Восточной Европы // Почвоведение. 2013. № 9. С. 1084–1094. https://doi.org/10.7868/S0032180X13070083
  19. Пастухов А.В., Кноблаух К., Яковлева Е.В., Каверин Д.А. Маркеры трансформации органического вещества в мерзлотных бугристых болотах на европейском Северо-Востоке // Почвоведение. 2018. № 1. С. 48–61. https://doi.org/10.7868/S0032180X18010057
  20. Порохина Е.В., Инишева Л.И., Дырин В.А. Биологическая активность и сезонные изменения CO2 и CH4 в торфяных залежах эвтрофного болота // Вестник Томск. гос. ун-та. Биология. 2015. № 3(31). С. 157–176. https://doi.org/10.17223/19988591/31/12
  21. Пояснительная записка к листу Q-41 (Воркута) // Государственная почвенная карта России. Масштаб 1 : 1 000 000. Сыктывкар, 2011. 76 с.
  22. Раковский В.Е., Пигулевская Л.В. Химия и генезис торфа. М.: Недра, 1978. 231 с.
  23. Физика и химия торфа. М.: Недра, 1989. 304 с.
  24. Andren O., Kätterer T. ICBM: the introductory carbon balance model for exploration of soil carbon balances // Ecological Applications. 1997. V. 7. P. 1226–1236. https://doi.org/10.1890/1051-0761(1997)007[1226:ITICBM]2.0.CO;2
  25. Christensen O.B., Drews M., Christensen J.H., Dethloff K., Ketelsen K., Hebestadt I., Rinke A. The HIRHAM regional climate model version 5, Danish Meteorological Institute Technical Report 06-17, Danish Meteorological Institute, Copenhagen, 2006. 22 p.https://www.dmi.dk/fileadmin/Rapporter/TR/tr06-17.pdf (дата обращения: 02.07.2024).
  26. Dutta K., Schuur E.A.G., Neff J.C., Zimov S.A. Potential carbon release from permafrost soils of Northeastern Siberia // Global Change Biology. 2006. V. 12. P. 2336–2351. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2006.01259.x
  27. Heiri O., Lotter A.F., Lemcke G. Loss on ignition as a method for estimating organic and carbonate content in sediments: reproducibility comparability of results // J. Paleolimnology. 2001. V. 25. P. 101–110. https://doi.org/10.1023/A:1008119611481
  28. Hiederer R., Köchy M. Global soil organic carbon estimates and the Harmonized World Soil Database, JRC Scientific and Technical Reports, 68528/EUR 25225 EN. Ispra: Joint Research Centre, 2011. https://doi.org/10.2788/13267
  29. Ingram H.A.P. Soil layers in mires: function and terminology // J. Soil Sci. 1978. V. 29. P. 224–227. https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.1978.tb02053.x
  30. IUSS Working Group WRB. 2022. World Reference Base for Soil Resources. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. International Union of Soil Sciences (IUSS). Vienna, 2022. 236 с.
  31. Kaverin D., Malkova G., Zamolodchikov D., Shiklomanov N., Pastukhov A., Novakovskiy A., Sadurtdinov M., Skvortsov A., Tsarev A., Pochikalov A., Malitsky S., Kraev G. Long-term active layer monitoring at CALM sites in the Russian European North // Polar Geography. 2021. V. 44. P. 203–216. https://doi.org/10.1080/1088937X.2021.1981476
  32. Knoblauch C., Beer C., Sosnin A., Wagner D., Pfeiffer E.-M. Predicting long-term carbon mineralization and trace gas production from thawing permafrost of Northeast Siberia // Global Change Biology. 2013. V. 19. P. 1160–1172. https://doi.org/10.1111/gcb.12116
  33. Knoblauch C., Spott O., Evgrafova S., Kutzbach L., Pfeiffer E.-M. Regulation of methane production, oxidation, and emission by vascular plants and bryophytes in ponds of the northeast Siberian polygonal tundra // J. Geophys. Res Biogeosci. 2015. V. 120. P. 2525–2541. https://doi.org/10.1002/2015JG003053
  34. Knoblauch C., Beer C., Liebner S., Grigoriev M.N., Pfeiffer E.-M. Methane production as key to the greenhouse gas budget of thawing permafrost // Nature Climate Change. 2018. V. 8. P. 309–312. https://doi.org/10.1038/s41558-018-0095-z
  35. Knorr K.H, Blodau C. Impact of experimental drought and rewetting on redox transformations and methanogenesis in mesocosms of a northern fen soil // Soil Biol. Biochem. 2009. V. 41. P. 1187–1198. http://doi.org/10.1016/j.soilbio.2009.02.030
  36. Krüger J.P., Leifeld J., Alewell C. Degradation changes stable carbon isotope depth profiles in palsa peatlands // Biogeosciences. 2014. V. 11. P. 3369–3380. https://doi.org/10.5194/bg-11-3369-2014
  37. Lee H, Schuur E.A.G., Inglett K.S., Lavoie M., Chanton J.P. The rate of permafrost carbon release under aerobic and anaerobic conditions and its potential effects on climate // Global Change Biology. 2012. V. 18. P. 515–527. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02519.x
  38. Myhre G., Shindell D., Breon F.M. et al. Anthropogenic and Natural Radiative Forcing // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contributions of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, 2013. P. 659–740.
  39. Natali S.M., Schuur E.A.G., Webb E.E., Pries C.E.H., Crummer K.G. Permafrost degradation stimulates carbon loss from experimentally warmed tundra // Ecology. 2014. V. 95. P. 602–608. https://doi.org/10.1890/13-0602.1
  40. O’Donnell J.A., Jorgenson M.T., Harden J.W., McGuire A.D., Kanevskiy M.Z., Wickland K.P. The effects of permafrost thaw on soil hydrologic, thermal, and carbon dynamics in an Alaskan Peatland // Ecosystems. 2012. V. 15. P. 213–229. https://doi.org/10.1007/s10021-011-9504-0
  41. Oksanen P.O., Kuhry P., Alekseeva R.N. Holocene development of the Rogovaya River peat plateau, European Russian Arctic // Holocene. 2001. V. 11. P. 25–40. https://doi.org/10.1191/095968301675477157
  42. Pastukhov A., Loiko S., Kaverin, D. Polycyclic aromatic hydrocarbons in permafrost peatlands // Scientific Rep. 2021. V. 11. P. 18878. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98384-z
  43. Routh J, Hugelius G., Kuhry P., Filley T., Tillman P.K., Becher M., Crill P. Multi-proxy study of soil organic matter dynamics in permafrost peat deposits reveal vulnerability to climate change in the European Russian Arctic // Chem. Geology. 2014. V. 368. P. 104–117. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2013.12.022
  44. Saito K., Machiya H., Iwahana G., Ohno H., Yokohata T. Mapping simulated circum-Arctic organic carbon, ground ice, and vulnerability of ice-rich permafrost to degradation // Progress Earth Planetary Sci. 2020. V. 7. P. 31. https://doi.org/10.1186/s40645-020-00345-z
  45. Schuur E.A.G., McGuire A.D., Schädel C. et al. Climate change and the permafrost carbon feedback // Nature. 2015. V. 520. P. 171–179. https://doi.org/10.1038/nature14338
  46. Song Y., Liu C., Song C., X. Wang, Ma X., Gao J., Gao S., Wang L. Linking soil organic carbon mineralization with soil microbial and substrate properties under warming in permafrost peatlands of Northeastern China // Catena. 2021. V. 203. P. 105348. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105348
  47. Sothe C., Gonsamo A., Arabian J., Snider J. Large scale mapping of soil organic carbon concentration with 3D machine learning and satellite observations // Geoderma. 2022. V. 405. P. 115402. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115402
  48. Stendel M., Christensen J., Marchenko S. et al. Size matters – Very high resolution permafrost simulations on the 4 km scale in northeast European Russia. Geophysical Research Abstracts. 2011. V. 13. P. EGU2011-6493.
  49. Treat C., Natali S., Ernakovich J. et al. A pan-Arctic synthesis of CH4 and CO2 production from anoxic soil incubations // Global Change Biol. 2015. V. 21. P. 2787–2803. https://doi.org/10.1111/gcb.12875
  50. Zimov S.A., Davydov S.P., Zimova G.M. et al. Permafrost carbon: stock and decomposability of a globally significant carbon pool // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. P. L20502. https://doi.org/10.1029/2006GL027484

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The study region with the key area on the satellite image (Google Earth Image©Maxar Technologies) marked on the map with the symbol: I 11 - Inta. Monthly temperatures (T, °C) and precipitation sums (O, mm) for 1961-2023 are taken from the climate database https://ru.climate-data.org/. The boundaries of the cryolithozone (southern limit of the distribution of rare-island and island permafrost) were drawn: 1991 according to [3], 2015. - according to [14], 2080 according to [48].

Download (82KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Studied knobby bog (photo from 02.08.2024).

Download (72KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Physico-chemical characteristics of the studied knobby bog.

Download (37KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. CO2 emission under aerobic (a) and anaerobic conditions (b) and CH4 emission under anaerobic conditions (c) for 1 day in seasonally thawed (STS), transitional (TS), and permafrost (PF) layers of the key site of Inta 11. CO2 emission was determined during the 1300-day period of the incubation experiment, µg CO2 emitted from 1 g of carbon for 1 day.

Download (39KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Proportion of mineralised carbon resulting from CO2 emission under aerobic (a) and anaerobic conditions (b) and CH4 emission under anaerobic conditions (c) during the whole 1300-day period of the incubation experiment, % of Stot.

Download (37KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».