Effect of Moisture on CO 2  Flux of the Palsa Mire Soils (North of Western Siberia)

G. V. Matyshak; Матышак Г. В.; S. V. Chuvanov; Чуванов С. В.; O. Yu. Goncharova; Гончарова О. Ю.; V. A. Trifonova; Трифонова В. А.; M. V. Timofeeva; Тимофеева М. В.; A. V. Isaeva; Исаева А. В.; M. O. Tarkhov; Тархов М. О.

doi:10.31857/S0032180X22600810

Влияние влажности на эмиссию СО₂ из почв бугристых торфяников севера Западной Сибири

Авторы: Матышак Г.В.¹, Чуванов С.В.², Гончарова О.Ю.¹, Трифонова В.А.¹, Тимофеева М.В.², Исаева А.В.¹, Тархов М.О.¹
Учреждения:
1. МГУ им. М.В. Ломоносова
2. Почвенный институт им В.В. Докучаева
Выпуск: № 4 (2023)
Страницы: 450-463
Раздел: ФИЗИКА ПОЧВ
URL: https://journals.rcsi.science/0032-180X/article/view/138026
DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X22600810
EDN: https://elibrary.ru/HNXDLT
ID: 138026

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Изучено влияние влажности торфяных почв, развивающихся в условиях прерывистой криолитозоны севера Западной Сибири (Надымский район, ЯНАО), на эмиссию CO₂. Эмиссию СО₂ почвами плоскобугристых торфяников и окружающих их ложбин исследовали ежегодно в августе в течение 4 лет в полевых условиях методом закрытых камер. Несмотря на существенную разницу во влажности почв, в среднем 34.8 ± 13.2 на плоскобугристом торфянике и 56.2 ± 2.1% в ложбине, достоверных отличий эмиссии CO₂ между этими экосистемами не обнаружено ни в один из годов наблюдений, в среднем 199.1 ± 90.1 и 182.1 ± 85.1 мг CO₂ м^–2 ч^–1 соответственно. Экспериментальное увлажнение или осушение, более чем в 2 раза, участков торфяных почв методом трансплантации не оказало достоверного влияния на эмиссию CO₂ даже спустя 3 года после начала эксперимента. Отсутствие достоверных различий эмиссии CO₂ между значительно отличающимися по влажности экосистемами и экспериментами объясняется наличием многолетнемерзлых пород и действием большого количества разнонаправленных факторов, нивелирующих возможные изменения в продукции СО₂ почвами. Повышенная эмиссия СО₂ из почв ложбин возможна за счет дополнительного вклада метанотрофного фильтра, а также латерального стока растворенного CO₂ по поверхности мерзлоты с плоскобугристых торфяников, окружающих ложбины. Отсутствие отклика эмиссии СО₂ на значительное изменение влажности может говорить о широком оптимуме этого параметра для микробиологической активности в торфяных почвах региона исследований. Полученные данные свидетельствуют, что при исследовании криогенных почв заболоченных ландшафтов необходимо, помимо собственно биогенных источников, учитывать дополнительные факторы, часто физического характера, меняющие баланс потоков и эмиссию СО₂.

Ключевые слова

многолетнемерзлые породы, климатические изменения, торфяные почвы (Cryic Histosol, Fibric Histosol), почвенное дыхание, влажность почв

Список литературы

Бобрик А.А., Рыжова И.М., Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Макаров М.И., Волкер Д.А. Эмиссия СО2 и запасы органического углерода в почвах северотаежных экосистем Западной Сибири в различных геокриологических условиях // Почвоведение. 2018. № 6. С. 674–682. https://doi.org/10.1134/S1064229318060042
Васильевская В.Д., Иванов В.В., Богатырев Л.Г. Почвы севера Западной Сибири. М.: Изд-во МГУ, 1986. 273 с.
Васильчук Ю.К., Васильчук А.К., Буданцева Н.А., Чижова Ю.Н. Выпуклые бугры пучения многолетнемерзлых торфяных массивов. М.: Изд-во МГУ, 2008. 571 с.
Глаголев М.В., Коцюрбенко О.Р., Сабреков А.Ф., Литти Ю.В., Терентьева И.Е. Обзор методов определения микробной продукции и эмиссии метана в почвах // Микробиология. 2021. Т. 90. № 1. С. 3–23. https://doi.org/10.1134/S0026261721010057
Глаголев М.В., Сабреков А.Ф., Казанцев В.С. Физикохимия и биология торфа. Методы измерения газообмена на границе почва–атмосфера. Томск: Изд-во ТГПУ, 2010. 104 с.
Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Бобрик А.А., Тимофеева М.В., Сефилян А.Р. Оценка вклада корневого и микробного дыхания в общий поток СО2 из торфяных почв и подзолов севера Западной Сибири методом интеграции компонентов // Почвоведение. 2019. № 2. С. 234–245. https://doi.org/10.1134/S1064229319020054
Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Изд-во МГУ, 1995. 320 с.
Добровольская Т.Г., Головченко А.В., Звягинцев Д.Г., Инишева Л.И., Кураков А.В., Смагин А.В., Зенова Г.М. и др. Функционирование микробных комплексов верховых торфяников-анализ причин медленной деструкции торфа. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2013. 128 с.
Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г. Углеродный обмен в криогенных экосистемах. М.: Наука, 2008. 342 с.
Кузяков Я.В., Ларионова А.А. Вклад ризомикробного и корневого дыхания в эмиссию СО2 из почвы (обзор) // Почвоведение. 2006. № 7. С. 842–854. https://doi.org/10.1134/S106422930607009X
Матышак Г.В., Богатырев Л.Г., Гончарова О.Ю., Бобрик А.А. Особенности развития почв гидроморфных экосистем северной тайги Западной Сибири в условиях криогенеза // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1155–1164. https://doi.org/10.1134/S1064229317100064
Матышак Г.В., Тархов М.О., Рыжова И.М., Гончарова О.Ю., Сефилян А.Р., Чуванов С.В., Петров Д.Г. Оценка температурной чувствительности эмиссии СО2 с поверхности торфяных почв севера Западной Сибири методом трансплантации почвенных монолитов // Почвоведение. 2021. № 7. С. 815–826. https://doi.org/10.1134/S1064229321070103
Мельников Е.С., Тагунова Л.Н., Лазарева Н.А., Москаленко Н.Г. Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской газоносной провинции. Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1983. 165 с.
Москаленко Н.Г. Изменения криогенных ландшафтов северной тайги Западной Сибири в условиях меняющегося климата и техногенеза // Криосфера Земли. 2012. Т. 16. № 2. С. 38–42.
Пономарева О.Е., Гравис А.Г., Бердников Н.М. Современная динамика бугров пучения и плоскобугристых торфяников в северной тайге Западной Сибири (на примере Надымского стационара) // Криосфера земли. 2012. Т. 16. № 4. С. 21–30.
Смагин А.В. Газовая фаза почв. М.: Издательство Московского государственного университета, 2005. 301 с.
Тимофеева М.В., Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Чуванов С.В. Потоки углерода в экосистеме торфяно-болотного комплекса криолитозоны Западной Сибири // Геосферные исследования. 2022. № 3. С. 109–125. https://doi.org/10.17223/25421379/24/7
Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
Chivers M.R., Turetsky M.R., Waddington J.M., Harden J.W., McGuire A.D. Effects of Experimental Water Table and Temperature Manipulations on Ecosystem CO2 Fluxes in an Alaskan Rich Fen // Ecosystems. 2009. V. 12. P. 1329–1342. https://doi.org/10.1007/s10021-009-9292-y
Fallon P., Jones C.D., Ades M., Paul K. Direct soil moisture controls of future global soil carbon changes: An important source of uncertainty // Global Biogeochemical Cycles. 2011. V. 25. https://doi.org/10.1029/2010GB003938
Glagolev M., Kleptsova I., Filippov I., Maksyutov S., Machida T. Regional methane emission from West Siberia mire landscapes // Environ. Res. Lett. 2011. V. 6. P. 045214. https://doi.org/10.1088/1748-9326/6/4/045214
Gritsch C., Zimmermann M., Zechmeister–Boltenstern S. Interdependencies between temperature and moisture sensitivities of CO2 emissions in European land ecosystems // Biogeosciences. 2015. V. 12. P. 5981–5993. https://doi.org/10.5194/bgd-12-4433-2015
Halbedel S., Koschorreck M. Regulation of CO2 emissions from temperate streams and reservoirs // Biogeosciences. 2013. V. 10. Р. 7539–7551. https://doi.org/10.5194/bg-10-7539-2013
Hicks Pries C., Schuur E.A., Vogel J., Natali S. Moisture drives surface decomposition in thawing tundra // J. Geophys. Res.: Biogeosciences. 2013. V. 118. P. 1133–1143. https://doi.org/10.1002/jgrg.20089
Howard D., Howard P.J. Relationships between CO2 evolution, moisture content and temperature for a range of soil types // Soil Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 1537–1546. https://doi.org/10.1016/0038-0717(93)90008-Y
Hugelius G., Strauss J., Zubrzycki S., Harden J.W., Schuur E.A.G., Ping C.-L., Schirrmeister L. et al. Estimated stocks of circumpolar permafrost carbon with quantified uncertainty ranges and identified data gaps // Biogeosciences. 2014. V. 11. P. 6573–6593. https://doi.org/10.5194/bg-11-6573-2014
Kirpotin S., Polishchuk Y., Bryksina N., Sugaipova A., Kouraev A., Zakharova E., Pokrovsky O.S. et al. West Siberian palsa peatlands: distribution, typology, cyclic development, present day climate-driven changes, seasonal hydrology, and impact on CO2 cycle // Int. J. Environ. Studies. 2011. V. 68. P. 603–623. https://doi.org/10.1080/00207233.2011.593901
Lai D.Y.F. Methane Dynamics in Northern Peatlands: A Review // Pedosphere. 2009. V. 19. P. 409–421. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(09)00003-4
Lai D.Y.F., Roulet N.T., Humphreys E.R., Moore T.R., Dalva M. The effect of atmospheric turbulence and chamber deployment period on autochamber CO2 and CH4 flux measurements in an ombrotrophic peatland // Biogeosciences. 2012. V. 9. P. 3305–3322. https://doi.org/10.5194/bg-9-3305-2012
Lawrence D.M., Koven C.D., Swenson S.C., Riley W.J., Slater A.G. Permafrost thaw and resulting soil moisture changes regulate projected high-latitude CO2 and CH4 emissions // Environ. Res. Lett. 2015. V. 10. P. 094011. https://doi.org/10.1088/1748-9326/10/9/094011
Moyano F.E., Vasilyeva N., Bouckaert L., Cook F., Craine J., Curiel Yuste J., Don A. et al. The moisture response of soil heterotrophic respiration: interaction with soil properties // Biogeosciences. 2012. V. 9. P. 1173–1182. https://doi.org/10.5194/bg-9-1173-2012
Natali S.M., Schuur E.A.G., Mauritz M., Schade J.D., Celis G., Crummer K.G., Johnston C. et al. Permafrost thaw and soil moisture driving CO2 and CH4 release from upland tundra // J. Geophys. Res.: Biogeosciences. 2015. V. 120. P. 525–537. https://doi.org/10.1002/2014JG002872
Nielsen C.S., Hasselquist N.J., Nilsson M.B., Öquist M., Järveoja J., Peichl M.A. Novel Approach for High-Frequency in-situ Quantification of Methane Oxidation in Peatlands // Soil Systems. 2018. V. 3. P. 4. https://doi.org/10.3390/soilsystems3010004
Nykänen H., Heikkinen J.E.P., Pirinen L., Tiilikainen K., Martikainen P.J. Annual CO2 exchange and CH4 fluxes on a subarctic palsa mire during climatically different years // Global Biogeochemical Cycle. 2003. V. 17. P. 1. https://doi.org/10.1029/2002GB001861
O’Donnell J.A., Torre Jorgenson M., 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
Olefeldt D., Roulet N.T. Effects of permafrost and hydrology on the composition and transport of dissolved organic carbon in a subarctic peatland complex // J. Geophysical Res.: Biogeosciences. 2012. V. 117. P. G01005. https://doi.org/10.1029/2011JG001819
Olvmo M., Holmer B., Thorsson S., Reese H., Lindberg F. Sub-arctic palsa degradation and the role of climatic drivers in the largest coherent palsa mire complex in Sweden (Vissátvuopmi), 1955–2016 // Scientific Rep. 2020. V. 10. P. 8937. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65719-1
Rey A. Mind the gap: non-biological processes contributing to soil CO2 efflux // Global Change Biology. 2015. V. 21. P. 1752–1761. https://doi.org/10.1111/gcb.12821
Schaefer K., Zhang T., Bruhwiler L., Barrett A.P. Amount, and timing of permafrost carbon release in response to climate warming // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 2011. V. 63. P. 165–180. https://doi.org/10.1111/j.1600-0889.2011.00527.x
Schuur E.A., McGuire A.D., Schädel C., Grosse G., Harden J.W., Hayes D.J., Hugelius G. et al. Climate change and the permafrost carbon feedback // Nature. 2015. V. 520. P. 171–179. https://doi.org/10.1038/nature14338
Sjögersten S., Wal R., Woodin S.J. Small-scale hydrological variation determines landscape CO2 fluxes in the high Arctic // Biogeochemistry. 2006. V. 80. P. 205–216. https://doi.org/10.1007/s10533-006-9018-6
Tarnocai C., Canadell J.G., Schuur E.A.G., Kuhry P., Mazhitova G., Zimov S. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region // Global Biogeochemical Cycles. 2009. V. 23. P. GB2023. https://doi.org/10.1029/2008GB003327
Voigt C., Lamprecht R.E., Marushchak M.E., Lind S.E., Novakovskiy A., Aurela M., Martikainen P.J., Biasi C. Warming of subarctic tundra increases emissions of all three important greenhouse gases – carbon dioxide, methane, and nitrous oxide // Global Change Biology. 2017. V. 23. P. 3121–3138. https://doi.org/10.1111/gcb.13563
Voigt C., Marushchak M.E., Mastepanov M., Lamprecht R.E., Christensen T.R., Dorodnikov M., Jackowicz–Korczyński M., Lindgren A., Lohila A., Nykänen H., Oinonen M., Oksanen T., Palonen V., Treat C.C., Martikainen P.J., Biasi C. Ecosystem carbon response of an Arctic peatland to simulated permafrost thaw // Global Change Biology. 2019. V. 25. P. 1746–1764. https://doi.org/10.1111/gcb.14574
IUSS Working Group WRB 2015. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015 International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports No. 106. FAO, Rome. 2015. P. 192.
IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, P. 1535.