Торфяные экосистемы в стратегии устойчивого развития биосферы

Введение

Год 2013 посвящен экологии и В. И. Вернадскому. Это определяет необходимость проанализировать и оценить состояние с экологией за определенный промежуток времени.

Вернемся к 1992 году. Конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, июнь 1992 г.). «Если человечество действительно разумно, как это следует из названия биологического вида, к которому все мы принадлежим, то июнь 1992 года и Конференция в Рио-де-Жанейро войдут в историю как вехи, отмечающие начало сознательного поворота нашей цивилизации на новый путь развития», так оценил значение этого мероприятия В. А. Коптюг, президент СО АН СССР [5].

Чрезмерная эксплуатация природы грозит ответными реакциями, губительными для человечества. Осознание этого и явилось побудительным мотивом созыва Конференции ООН по окружающей среде и развитию на уровне глав государств и правительств. Подводя итоги работы Конференции, ее Генеральный секретарь Морис Стронг подчеркнул беспрецедентный масштаб и значимость этого события. «Мир после Конференции должен стать другим», — заявил он. «Другой должна стать дипломатия и система международных отношений, другой должна стать и Организация Объединенных Наций, и правительства, принявшие на себя обязательства двигаться к устойчивому развитию." Об этом же говорил еще в 1943 году Владимир Иванович Вернадский: «человек становится "могучей геологической силой" и изменяет природу, к сожалению, не всегда в лучшую сторону».

Ученые Д. Медоуз и др., начав с 1992 года, в течение 60 лет изучали, что произойдет в мире, если сохранятся существующие на данный момент времени тенденции роста населения, промышленного и сельскохозяйственного производства, нерационального использования не возобновляемых природных ресурсов, загрязнения окружающей среды. Результаты, полученные этими исследователями, свидетельствуют о наличии в современный период существенной нагрузки на биосферу. Состояние ее развития становится крайне неустойчивым [9]. Согласно авторам, в настоящее время мы превысили этот предел более, чем на 20%. Рассмотрим это положение на примере газового состава атмосферы.

Современное содержание СО2 в атмосфере увеличилось за ХХ век с 280 до 360 ppm, что как раз связано с деятельностью человека. За последние 100 лет содержание углерода в атмосфере выросло на 30%. Если сжигание ископаемого топлива будет продолжаться современными темпами, содержание СО2 удвоится уже к 2060 г., что, согласно Межправительственной комиссии по изменению Климата (МКИК), способно вызвать рост средней глобальной температуры от 1,5 до 4,5° С. Таким образом, увеличение содержания углерода в атмосфере также подтверждает тот факт, что человечество уже вышло за пределы устойчивого развития биосферы.

Конференция «РИО+10» в Йоханнесбурге в 2002 г. и 16-я Конференция Сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата в г. Канкун (Мексика, 2010 г.) не смогли принять каких-либо решений о заключении преемника Киотского протокола. Это свидетельствует о том, что за прошедший период получены не все ответы на вопросы, возникшие в связи с изменением климата. В этой связи вопрос о роли парниковых газов в изменении климата биосферы с повестки не снят.

Начиная с позднего плейстоцена, для которого концентрация углекислого газа в атмосфере известна на основании результатов анализов пузырьков воздуха из антарктических и гренландских ледяных кернов (200 ppmv), содержание СО2 увеличивалось. За последние 17–18 тыс. лет атмосфера аккумулировала не менее 170 миллиардов тонн углерода © и средняя скорость аккумуляции составляла 20—30 миллионов тонн С/год. Пул органического углерода увеличился с 625 миллиардов тонн (Гт) углерода (существовавший 18000 лет назад) до 2100 Гт С в настоящее время [4]. В увеличении почвенного пула С, несомненно, оказалась велика роль развития болот и накопления в них торфа. Россия владеет самой крупной в мире территорией и обладает богатыми природными ресурсами. Ценность таких территорий будет в дальнейшем возрастать. Торфяные болота связывают больше углерода в единицу площади, чем все другие сухопутные экосистемы, включая лесные. Поэтому оценка поглощения и эмиссии парниковых С-газов торфяными болотами требует детального анализа с учетом пространственных и временных параметров.

В этой работе целью является оценка эмиссии парниковых газов в болотных экосистемах разного генезиса.

Объекты и методы исследования

Исследования проводились на 3-х стационарах: Васюганье, Таган, Горный Алтай (рис. 1).

Рисунок 1 — Расположение болотных стационаров на территории Сибири: 1 — Васюганье, 2 — Таган, 3 — Горный Алтай.

Стационары располагаются на территории Сибири, относящейся по болотному районированию О. Л. Лисс и др. [8] к северобарабинскому округу подтаежных эвтрофных осоково-гипновых болот и барнаульскому округу лесостепных эвтрофных тростниково-осоково-вейниковых болот.

Олиготрофные торфяные болота стационара Васюганье подстилаются плотными водонепроницаемыми глинами Ширтинского и Тазовского объединенных горизонтов. В основании озерно-болотные отложения имеют слой мощностью до 0,8 м сильно илистой темно-серой гумусированной глины, иногда содержащей раковины пресноводных моллюсков. Растительность относится к сосново-кустарничково-сфагновой ассоциации с низкой сосной. Залежь имеет смешанный топяной вид строения. Верховой торф представлен двумя видами — слабой степени разложения фускумом (40% участия) и средней степени разложения магелланикумом (10% участия) — образуют слой 1,5 м. В основании торфяной залежи лежит слой мощностью 30 см (10% участия) папоротникового низинного торфа высокой степени разложения (50%). Над ним более мощный слой осокового низинного торфа (40–50%). На контакте двух пластов — верхового и низинного — располагается слой торфа переходного типа, отложенный когда-то существовавшими здесь мезотрофными растительными сообществами — древесно-осоковым и древесно-сфагновым.

Эвтрофное болото «Таган» с площадью более 4тыс. га, располагается в древней ложбине стока р. Томи, подстилающими породами служат пески, супеси и суглинки. На болоте исследования проводились в 2-х пунктах. Пункт 1(56°21' с.ш., 84°47' в.д.) представлен торфяной залежью мощностью около 3 м и возрастом — 3445±50 лет. Торфяная залежь сложена травяным и древесно-травяным торфом со степенью разложения от 25 (с поверхности) до 55% на глубине 3 м [1].Пункт 1(56°21' с.ш., 84°47' в.д.) представляет собой целинный участок. Торфяная залежь низинного типа, мощностью до 3 м сложена снизу вверх древесным торфом (175–200 см), затем следуют древесно-травянистые торфа (50–175 см), частично определённые как вахтовые (50–100 см). Верхний слой представлен травяным (25–50 см) и древесным (0–25 см) торфами. Пункт 2 расположен на расстоянии 75–100 м от п.1,и представляет собой участок, на котором проведена агролесомелиорация(борозды глубиной 0,5 м и расстоянием между бороздами 2-3-4 м).

Болота Горного Алтая развиваются преимущественно в долинах рек и имеют современное происхождение. Процесс болотообразования в Горном Алтае происходит путем зарастания стариц и долинных озер, а также заболачивания суши, лесов и лугов. На этой территории 2 пункта наблюдений. Торфяная залежь экосистемы Турочакское (52°13’с.ш. и 87°06' в.д.) низинного типа в среднем 2,5 м мощностью торфяной залежи при экстремальных значениях 0,6–6,0 м сложена древесно-осоковым торфом (0-150 см) средней степени разложения (20–35%) и травяным торфом высокой степени разложения. В основании залежи отмечается горизонт (до 2,5 м) органо-минеральных отложений. Возраст болота — 7060±90 лет.

Торфяное болото Кутюшское (52°18’с.ш. и 87°15’в.д.) характеризуется смешанным атмосферно-грунтовым питанием, является переходным по типу залежи и относится к долинному типу. Верхний двухметровый слой болота сложен переходными торфами, которые по видовому составу представлены (сверху вниз): сфагновым, шейхцериевым, шейхцериево-осоковым видами торфа. Их степень разложения изменяется в широких пределах от 5 до 40% (0–15% в верхней части залежи и 35–40% с глубины 150 см), зольность 6–9%. Средняя мощность торфяной залежи — 1,4 м, с экстремальными значениями — 0,3–2,1 м.

Радиоуглеродное датирование торфяных залежей было проведено на радиоуглеродной установке QUANTULUS-1220 (бензольно-сцинтилляционный вариант) в лаборатории геологии и палеоклиматологии кайнозоя Института геологии и минералогии СО РАН (г. Новосибирск), ботанический состав и степень разложения торфа — ГОСТ 28245–89. В течение вегетационного периода (май, июль, сентябрь) проводили определение концентрации СО2 и СН4 в профиле торфяных залежей ландшафтного профиля «peepers»-методом. Прибор для определения концентрации диоксида углерода и метана был предоставлен Институтом геологии Университета де Неушатель (Швейцария). Анализ газа осуществляли на газовом хроматографе «Кристалл-5000.2». Измерение эмиссии СО2 и СН4 проводили камерным методом. Одновременно велись наблюдения за уровнем болотных вод (УБВ), температурой торфяной залежи.

Результаты и обсуждение

Многолетние исследования, проведенные нами по динамике эмиссии парниковых газов из болот, показывают, что в количественном отношении они в среднем имеют показатели в пределах 90-120 мг СО2/м2*ч при экстремальных значениях 4,6 — 480 мг СО2/м2*ч и по метану соответственно 3–8, при экстремальных 1,2 -60,0 мг СН4 /м2*ч (безусловно отрицательные значения не исключаются). Широкая вариабельность этих показателей в торфяно-болотных экосистемах разного генезиса продемонстрирована в ряде работ.

Исследователи отмечают, что эмиссия парниковых газов из болот определяется температурой и условиями увлажнения[10]. Рассмотрим это положение на примере вегетационного периода (весна, лето, осень) в разных по генезису торфяных экосистемах (таб.1).

Таблица 1 — Эмиссия СО2 и СН4 разными торфяными экосистемами, мг/м2*ч

Примечание: Н — низинные (эвтрофные) болота, В — верховые (олиготрофные), П — переходные; " « — эмиссию не определяли.

Наиболее низкие показатели эмиссии диоксида углерода характерны для олиготрофных болотных экосистем Васюганья и в мае наблюдалось поглощение СО2. В болотных экосистемах Горного Алтая отмечается иная закономерность — больше СО2выделяют болота низинного типа. Пределы изменения диоксида углерода от -22,2 до 129,2 мг/м2*ч и можно констатировать, что с сезоном вегетационного периода скорость выделения диоксида углерода никак не связана.

В отношении скорости выделения метана такая закономерность отмечается. Весной возрастает активность его выделения, иногда происходит поглощение метана. Пределы параметров динамики метана — от -9,1 до 33,9 мг/м2*ч. В 2011 г. наибольшие показатели отмечались на Кутюшском болоте. Наиболее активен процесс эмиссии метана весной и не зависит от мощности торфяной залежи. Практически все исследуемые болота имеют мощность торфяной залежи 3 м и только болото Турочакское — 6 м. Однако пределы изменения динамики метана в болоте Турочакское аналогичны другим исследуемым болотам, мощность залежи которых не превышает 3 м.

Ранее [2] мы отмечали, что, например, в подзоне южной тайги Западной Сибири эмиссия СО2 в олиготрофных биогеоценозах сосново-кустарничково-сфагнового типа достигала значений 84,4 мгС/м2*ч, в мезотрофных биогеоценозах осоково-сфагнового типа — 86,7, сфагново-осокового типа — 22,8, в эвтрофных биогеоценозах лесного типа — 127,8 мгС/м2*ч. Эмиссия метана в олиготрофных сосново-кустарничково-сфагновых фитоценозах составляла 0,04–0,91 мгС/м2*ч, мезотрофных крупнобугристых — 0,01–0,45, сограх — 0,01–0,91 мгС/м2*ч. Причем, интенсивность выделения метана на этих же болотах в 33–150 раз меньше интенсивности выделения СО2. При этих значениях эмиссии парниковых газов общий углеродный баланс, например, олиготрофного болота имеет следующий вид (таб.2).

Таблица 2 — Углеродный баланс болот стационара Васюганье

Существенное значение в балансе углерода имеет статья расхода, определяющая вынос углерода со стоком болотных вод. Согласно нашим результатам, вынос органического углерода составил 6,9 г м-2г-1. И, таким образом, согласно полученным результатам, процесс заболачивания прогрессирует. Полученные выше параметры по эмиссии СО2иСН4за последние годы также свидетельствуют о преобладании процесса аккумуляции углерода в торфяной залежи и прогрессирующем торфообразовательном процессе.

Следует отметить, в последние десятилетия отмечается четкая тенденция усиления трансгрессии болот на леса и на северо-западе России. Так, их наступление на окружающие суходолы, составляет 30–50 см/год, а вертикальный прирост торфа равен в среднем 3 мм/год [7].

И как считают исследователи [3] совершенно очевидно, что современное заболачивание в большой степени обусловлено разрушением созданных ранее лесоосушительных систем. В России с 1775 по 1991 годы было осушено 4,96 млн. га, причем с 1925 по 1991 годы (без Прибалтики, Беларуси и Украины) лесоосушительные системы были построены на площади более 4 млн. га. В 1991 г. гидролесомелиоративные работы, как известно, резко сократились. Есть основания полагать, что к настоящему времени вторичному заболачиванию подверглось не менее 1 млн. га [6].

Учитывая наличие обширных исследований на территории Сибири, была сформирована база данных (БД) по эмиссии парниковых газов из болот по собственным и литературным источникам (БД № 2010620411). Модель БД достаточно проста, так как практически основывается на единственном основном понятии — отношении. В тоже время, эта модель являются полностью формализованной. В рамках этой модели поддерживаются различные средства манипулирования данными, в том числе абстрактная реляционная алгебра, а также более удобные и распространенные языки QBE и SQL (Structured Query Language — язык структурированных запросов). В нашем случае, в качестве базовой СУБД выбрана mySQL. В настоящее время БД частично наполнена информацией. На основании БД по эмиссии парниковых газов была проведена статистическая обработка всей выборки (таб. 3).

Таблица 3 — Статистические параметры по БД «Эмиссия парниковых газов»

В последующем, выборка была ранжирована по следующим интервалам: для СН4 — 40–8, 8–3, менее 3 мг С/м2/ч; для СО2 — 400–200, 200–100, менее 100 мг С/м2/ч. На основе проведенных расчетов была разработана схема районирования территории Западной Сибири по эмиссии парниковых газов (рис. 2). Основой для районирования послужила контурная карта Западной Сибири масштаба М 1:15000 и болотное районирование [8].

Левая половина диаграммы представляет эмиссию СН4,%,а правая половина — эмиссию СО2, %. Болотная область: III — западносибирская таежная бореально-атлантических выпуклых олиготрофных моховых болот активного заболачивания и интенсивного торфонакопления. Болотные провинции: III1 — северотаежная западносибирских олиготрофныхозерково-грядовых и сосново-кустарничково-сфагново-кладиновых болот; III2 — среднетаежная западносибирских олиготрофных грядово-мочажинных и сосново-кустарничково-сфагновых болот; III3 — южнотаежная западносибирских олиготрофных сосново-кустарничково-сфагновых и грядово-мочажинных, мезотрофных и эвтрофных сосново-березово-осоково-гипновых (или сфагновых) и осоково-гипновых (или сфагновых) болот; III4 — подтаежная западносибирских атлантических эвтрофных осоково-гипновых болот.

Рисунок 2 — Районирование территории Западной Сибири по эмиссии парниковых газов

В зонах болотного районирования Ш-1 — Ш-4 средняя эмиссия метана чаще измеряется величиной менее 3 мг С/м2/ч. Вместе с тем в пределах зон Ш-2 и Ш-3 показатели эмиссии метана могут иметь значения 3–8 мг С/м2/ч и значительно реже — более 8 мг С/м2/ч, достигая изредка 40 мг С/м2/ч. Средняя эмиссия СО2 в пределах 400–200 мг С/м2/ч отмечается только в зонах Ш-1, Ш-3 и Ш-4. Преобладающие значения эмиссии СО2 по всем болотным провинциям составляют 200–100 мг С/м2/ч. В южной части болотной провинции Ш-1 (район г. Сургута), а также в северной части провинции Ш-3 преобладают значения СО2 — менее 100 мг С/м2/ч.

Выводы

Реализация концепции устойчивого развития возможна только в случае объединения всех стран и народов вокруг вполне определенных идей, выработки новой системы моральных и материальных ценностей. В этом сохранении единства и взаимопонимания между человеком и биосферой особая роль принадлежит болотным экосистемам, в особенности, на территориях высокой заболоченности.

Эмиссия парниковых газов не зависит от генезиса болот и имеет широкие интервалы значений. Пределы изменения диоксида углерода -22,2 до 129,2 мг/м2*ч и можно констатировать, что с сезоном вегетационного периода скорость выделения диоксида углерода не коррелирует. Весной отмечается активность его выделения, иногда — его поглощение. Пределы параметров динамики метана — от -9,1 до 33,9 мг/м2*ч. Наиболее активен процесс эмиссии метана весной и не зависит от мощности торфяной залежи.

Полученные параметры по эмиссии СО2 и СН4 также свидетельствуют о преобладании в современный период процесса аккумуляции углерода в торфяной залежи и прогрессирующем торфообразовательном процессе.

На основе проведенных собственных исследований и литературных источников составлена БД эмиссии парниковых газов и разработана схема районирования территории Западной Сибири по их эмиссии.

Исследования поддержаны грантам РФФИ (12-04-31716) и государственным заданием Минобрнауки (5.1161.2011).

Список литературы

1. Инишева, Л. И., Виноградов, В. Ю., Голубина, О. А., Ларина, Г. В. и др. Болотные стационары Томского государственного педагогического университета. — Томск: Изд-во ТПУ, 2010. — 118 с.
2. Инишева, Л. И., Головацкая, Е. А. Элементы углеродного баланса олиготрофных болот // Экология. — № 4. — 2002. — С. 261–266.
3. Инишева, Л. И., Кобак, К. И., Турчинович, И. Е. Развитие процесса заболачивания и скорость аккумуляции углерода в болотных экосистемах России // География и природные ресурсы. — Т. 34. — № 3. — 2013. — С. 60–68.
4. Кобак, К. И. Биотические компоненты глобального углеродного цикла. — СПб: Гидрометеоиздат, 1988. — 246 с.
5. Коптюг, В. А Конференция ООН по окружающей среде и развитию — подготовительный процесс и итоги (Рио-де-Жанейро, июнь 1992 г.). — Новосибирск: СО РАН, 1992.— С. 5–23.
6. Константинов, В. К. Гидролесомелиоративная энциклопедия. — СПб: Гидрометеоиздат, 2000. — 275 с.
7. Кузьмин, Г. Ф. Болота и их использование // Сборник научных трудов НИИ торфяной промышленности. — СПб: 1993. — 140 с.
8. Лисс, О. Л., Абрамова, Л. И., Аветов, Н. А., Березина, Н. В. и др. Болотные системы их природоохранное значение. — Тула: Гриф и К, 2001. — 584 с.
9. Медоуз, Д., Рандерс, Й., Медоуз Д. Пределы роста. 30 лет спустя. Пер. сангл. М. :ИКЦ «Академкнига», 2007. — 342 с.
10. Mahmood, M. S., Strack, M. Methane dynamics of recolonized cutover minerotrophic peatland: Implications for restoration // Ecological Engineering. 2011.37. -Р. 1859 — 1868.

БГЦ	Поступление углерода, гС/м2в год	Выделение углерода, гС/м2 в год	Депонирование углерода, гС/м2 в год
Сосново-кустарничково-сфагновый с высокой сосной	267,3	97,6	169,7
Сосново-кустарничково-сфагновый с низкой сосной	235,2	66,9	168,3
Осоковая топь	158,0	65,2	92,8
Среднее для БГЦ	220,0	76,6	143,6