Seasonal dynamics of CH₄ and CO₂ concentrations in the bog lake Severnoe

Толық мәтін

Введение

Важную роль в регуляции теплового баланса Земли играют парниковые газы (ПГ), входящие в состав атмосферы, такие как метан (CH₄) и углекислый газ (CO₂). За последние 150 лет их концентрации в атмосфере почти удвоились (Forster et al., 2021) и к 2019 году достигли, соответственно, 1866 ppb и 410 ppm, а рост относительно 2011 года составил 3.5 и 5.0 % (Gulev et al., 2021). По разным оценкам, потенциал глобального потепления метана в 20-летний период (количество тепла, поглощаемое массой газа за единицу времени, выражаемое как множитель количества тепла, поглощенного CO₂ за то же время и такой же массой) может достигать 80 (Forster et al., 2021).

Болотные экосистемы играют важную роль в регуляции климата, выступая как источниками, так и поглотителями парниковых газов (Глаголев, 2010; Глаголев и др., 2010; Кривенок и др., 2014; Романовская, 2023; Jammet et al., 2017). Наиболее исследованными в контексте изучения ПГ на территории России являются болотные экосистемы Западной Сибири (Глаголев, 2010; Голубятников, Казанцев, 2013; Dean et al., 2020; Karlsson et al., 2021), в то время как на Европейском Севере существуют лишь единичные исследования (Федоров и др., 2008; Marushchak et al., 2013). Согласно оценкам, болотные экосистемы России являются источниками эмиссии 731989.3 Гг CO₂-экв. метана в атмосферу и поглощают 860125.3 Гг CO₂-экв. углекислого газа (Романовская, 2023). Однако, необходимо отметить, что приведенные оценки характеризуются высокой степенью неопределенности – до 200 %. Количественные аспекты динамики газового режима внутриболотных озер, в частности, вертикальное распределение и сезонная изменчивость концентраций ПГ, остаются недостаточно изученными. Исследования внутриболотных озер Сибири (Глаголев и др., 2010а; Давыдов и др., 2022) показывают перенасыщение вод озер СН₄ и СО₂ и наличие их потока в атмосферу (средние значения потока: до 177.6 мг/м² в сутки для СН₄ и 3.3 г/м² в сутки для СО₂). В работе (Давыдов и др., 2022) отмечена значительная постоянная эмиссия СО₂ и СН₄ с поверхности болотных озер в июне–сентябре, измеренная с помощью плавающих камер. Отмечается преобладание пузырькового выхода ПГ из донных отложений над диффузионным потоком, особо заметное для потоков метана и менее значимое для углекислого газа. Глаголев с соавторами приводит значения потока метана из внутриболотных озер тундры Западной Сибири в августе: 0.01–4.27 мгС/м² час (Глаголев и др., 2010а). Однако в некоторых случаях (Repo et al., 2007) отмечается поглощение углекислого газа из атмосферы в летний период (0.07 г/м² в сутки).

Озерные экосистемы бореального пояса считаются важным звеном биогеохимического цикла углерода и вносят существенный вклад в эмиссию ПГ в атмосферу. Особую роль в этом процессе играют малые водоемы, так как скорость протекания биогеохимических процессов в них непропорционально высока (Downing, 2010). Несмотря на важность в биогеохимических циклах, существующая информация о малых внутриболотных водоемах является значительно более скудной, в сравнении с более изученными крупными озерами других ландшафтов. В то же время, вклад озер площадью менее 0.001 км² в глобальную эмиссию углерода из мировой озерной сети оценивается в 15 % выбросов CO₂ и до 37 % выбросов CH₄ (Holgerson, Raymond, 2016; Rosentreter et al., 2021).

Целью данной работы было изучение сезонной изменчивости концентраций СН₄ и СО₂ во внутриболотных водоемах Иласского болотного массива (Архангельская область), на примере небольшого озера Северное.

Материалы и методы исследования

Характеристика объекта исследования

Иласский болотный массив, площадью 88.95 км², расположен в 20 км южнее Архангельска и в 50 км от вершины Двинского залива Белого моря (рис. 1), является характерным для зоны олиготрофных верховых болот. Основные торфообразующие растения Иласского болота – сфагновые мхи. Господствующим микроландшафтом является грядово-озерковый комплекс площадью 24.36 км², представленный озерками глубиной до 2 метров, чередующимися с торфяными грядами. На многочисленные мелкие озерки приходится до 50 % площади комплекса. Кроме них, в гидрографическую сеть Иласского болотного массива входит ряд более крупных первичных озер, площадью до 1.8 км² (Жила, Алюшкинская, 1972).

 

Рис. 1. Карта-схема озера Северное. Местоположение точки отбора проб отмечено звездой.

 

Объектом исследования являлось типичное внутриболотное оз. Северное (64°20’N, 40°36’E), расположенное в грядово-озерковом комплексе. Объект был классифицирован по различным морфометрическим и термическим показателям, описанным в (Потахин, 2006). По площади зеркала (0.013 км²) водоем относится к озеркам, имеет вытянутую форму длиной 270 м и шириной 70 м и максимальную глубину до 2.5 м. По показателю относительной глубины (отношение средней глубины к кубическому корню из площади зеркала) является глубоким, а по показателю открытости (отношение площади к средней глубине) слабо открытым. Озеро характеризуется ультрапресной водой c удельной электропроводностью 18–40 мкСм/см, низкими значениями pH (3.9–4.8) и низкой прозрачностью по диску Секки (≤ 2 м). Тип летней стратификации – эпитермический.

Выбор местоположения точки пробоотбора обусловлен сочетанием ряда факторов: точка отражает максимальные глубины в водоеме, удалена от островов в центральной части озера. К выбранной оконечности озера оборудована тропа гидропоста Северного УГМС, что обеспечивает удобство подхода и доступность в периоды межсезонья.

Методы исследования

Отбор проб воды по всему профилю водной толщи проводился 18 марта, 20 мая, 23 августа и 10 ноября 2022 г. Пробы воды для определения концентраций СН₄ и СО₂ с поверхностного (0–1 м) горизонта отбирались с помощью закрепленных на шесте 160-мл шприцев, а с нижележащих – горизонтальным батометром. Разница между параллельными отборами обоими способами, а также разница между параллельными отборами с одной глубины не превышали инструментальную погрешность метода определения концентраций.

Отбор проводился в соответствии с методикой, описанной в (Zabelina et al., 2021) в 60-мл флаконы, которые закрывались без пузырьков воздуха резиновыми пробками с алюминиевыми крышками и немедленно фиксировались добавлением 0.2 мл насыщенного раствора HgCl₂. Одновременно измерялась температура воды и концентрация растворенного кислорода (зонд-оксиметр WTW Oxi 330i с датчиком CellOx 325), электропроводность (кондуктометр WTW 3110 c ячейкой TetraCon325), и pH поверхностного слоя воды (рН-метр WTW ProfLine 3110).

Дополнительно проводился пробоотбор в поверхностном слое воды (0.15 м) в июне и июле и в подледном горизонте (ближайший к нижней кромке льда слой воды, на глубине ~ 0.5 м) в апреле и декабре. В марте, апреле и декабре отбор проб проводился со льда (общая толщина льда 57, 52 и 25 см соответственно); пробоотбор в ноябре совпал с началом установления устойчивого ледового покрова (толщина льда 1–2 см). В июле 2023 г. проводился отбор донных отложений с помощью ударной прямоточной грунтовой трубки, для определения содержания (% от массы сухого вещества) общего и органического азота (N_общ и N_орг) и углерода (C_общ и C_орг). Отобранная колонка разделена на горизонты 0–5, 5–10 и 10–12 см.

Концентрации ПГ в пробах определялись в лабораторных условиях на газовом хроматографе “Хроматэк–Кристалл 5000” с пламенно-ионизационным детектором (ПИД). Хроматограф оснащен стальной колонкой длиной 2 м и внутренним диамером 2 мм и предколонкой длиной 1 м, наполненными сорбентом Hayesep Q 80/100. Для определения концентраций СО₂ хроматограф оснащен метанатором. Для создания газовой фазы в пробах и в качестве газа-носителя использовался азот, расход газа-носителя – 10 мл/мин. Температура порта ввода, колонок и ПИД составляла, соответственно, 160, 50 и 170 °C. Каждый образец определялся в двух-трехкратной повторности, погрешность между повторностями не превышала 3–5 %. После каждых 10 образцов проводилась калибровка, с использованием поверочной газовой смеси (14.5 ppm СН₄ и 990 ppm СО₂) Для расчета концентраций ПГ в жидкой фазе использовалась удельная растворимость (Yamamoto et al., 1976; Weiss, 1974). Дополнительно, для первичной оценки направления потока ПГ между озером и атмосферой были рассчитаны равновесные с атмосферой концентрации (Lammers, Suess, 1994; Weiss, 1974).

Определение массовой доли общего и органического углерода и азота проводилось с использованием анализатора элементного состава Euro Vector EA3000. Диапазон измерения массовой доли каждого элемента составляет от 0.01 до 100 %. Среднее квадратичное отклонение случайной составляющей погрешности измерений, массовая доля: С – 0.3; N – 0.1 %.

Результаты и их обсуждение

Метеорологические и гидрологические условия в период исследования

Характеристика погодных условий района исследования дается по метеостанции М-2 Холмогоры. Температурный режим зимой 2021–2022 гг. соответствовал климатической норме за период 1991–2020 гг.; весной и осенью 2022 г. температурные условия также были близки к норме. Лето, в свою очередь, было теплым, а среднемесячное значение температуры воздуха в августе составило 17.7 °C, что превысило максимум за 30-тилетний период, и соответствовало температурным условиям июля. Теплое лето обусловило задержку начала осеннего выхолаживания и сохранение летней стратификации вод в течение августа.

Устойчивые переходы через температуры воздуха 0, 4 и 10 °C весной произошли соответственно 6 апреля, 6 и 28 мая; осенью переходы через 0 и 4 °C произошли 18 октября и 1 ноября. Сход устойчивого ледового покрова весной произошел в первой декаде мая, становление осенью – в первой декаде ноября.

В марте отмечалась резкая обратная температурная стратификация вод до дна (рис. 2а). Температура росла от 0.2 °C в подледном горизонте, до 3.8 °C в придонном. Вода была слабо насыщена кислородом: его концентрация в подледном горизонте составляла 8.8 мг/л, насыщенность 61 %. С глубиной концентрация кислорода снижалась до 1 мг/л в придонном горизонте; оксиклин находился на глубине ~ 1 м (рис. 2б).

 

Рис. 2. Вертикальное распределение (а) – температуры воды и (б) – растворенного кислорода в разные сезоны года.

 

В мае на момент отбора проб происходило конвективное перемешивание вод вследствие наступившего похолодания: днем температура воздуха составляла 3.9 °C, что привело к гомотермии вод озера при температуре 8.6 °C и гомооксигении при содержании 11.3 мг/л. Во второй половине лета температура верхнего слоя воды превысила 20 °C, на глубине ~ 1.5 м отмечался термоклин. Там же отмечался и оксиклин: содержание кислорода в эпилимнионе составляло 9.7–9.4 мг/л, а в придонном горизонте уменьшалось до 4.3 мг/л. В период предзимья произошло перемешивание вод до дна и началось формирование обратной температурной стратификации вод. Температура воды на поверхности, вследствие выхолаживания, опустилась до 0.5 °C, а у дна составляла 4.0 °C. Концентрации растворенного кислорода составляли 13.9 мг/л у поверхности и 9.7 мг/л у дна, с оксиклином на глубине 1.5 м.

Донные осадки

Донные отложения озера Северное представляют собой полуразложившийся торф с растительными остатками, бурого цвета в верхнем слое и буро-оранжевого в нижней части колонки. Необходимо отметить, что говорить о донных отложениях в классическом понимании этого термина для данных водных объектов не совсем корректно. Озерки грядово-озеркового комплекса сформированы в теле торфяной залежи и на их дне залегает торф окружающего болотного массива, а низкая продуктивность подобных экосистем (дистрофные озера) не приводит к образованию достаточного седиментационного потока. Как следствие, свойства донных отложений подобных водоемов будут определяться в большей степени особенностями окружающего торфяника.

Верхний слой отложений (0–5) см очень сильно обводнен, состоит из мелких частиц, неоформлен. В горизонте 5–10 см присутствуют неразложившиеся остатки сфагнума, сосновая хвоя; в нижней части колонки (10–12 см) отмечается большое количество неразложившихся растительных остатков, фрагментов травы, веточек длиной ~ 1 см. Влажность отложений (массовая доля воды в пробе) высокая, с глубиной незначительно снижается и находится в пределах 99–96 %.

В донных отложениях с глубиной наблюдается небольшое повышение содержания углерода: C_общ повышается с 44.2 до 48.3 % и C_орг с 39.5 до 44.1 %, при этом, как видно, C_орг составляет основную массу углерода донных отложений, (до 91 % от С_общ), что свидетельствует о низкой степени разложения поступающего в донные отложения органического вещества. Эти результаты закономерны – минерализация органического вещества происходит медленно (что характерно для торфяников) и интенсивнее в верхней части донных отложений. По имеющимся литературным данным, содержание общего углерода в верхнем слое торфа Иласского болота оценивается в 44.7–47.6 %, а азота в 0.93–1.79 % (Селянина и др., 2017; Zubov et al., 2022). Таким образом, содержание общего углерода в донных отложениях озера согласуется с верхним горизонтом торфа и в два раза превышает известные значения для других озер Архангельской области (Вахрамеева, Кокрятская, 2019), в то время как общего азота в верхних горизонтах донных отложений озера обнаруживается больше, что, вероятно, связано с образованием автохтонного органического вещества в водной толще и оседанием его на дно. Массовая доля азота в отложениях озера Северное с глубиной снижается: N_общ от 2.7 до 1.7 % и N_орг от 2.2 до 1.5 %. Обогащение верхнего горизонта донных отложений азотом скорее всего связано с вкладом, хоть и небольшим, автохтонного взвешенного органического вещества, что подтверждается более низкими значениями С_орг/N_орг.

Соотношение С_орг/N_орг в донных отложениях показывает долю аллохтонного и автохтонного органического вещества в водоеме. Если соотношение находится в промежутке 12–47, это говорит о присутствии в озере как аллохтонной, так и автохтонной органики (Хатчинсон, 1969). Чем меньше данное соотношение, тем больший вклад вносят автохтонные процессы. Показатель С_орг/N_орг в донных осадках оз. Северное попадает в обозначенный промежуток, принимая значения в широком диапазоне: от 18 в поверхностном горизонте и увеличиваясь до 30 в нижней части колонки. Такое распределение показывает, что с наибольшей скоростью процессы деструкции протекают в поверхностном горизонте, куда поступает свежий детрит, а в нижележащих слоях накапливаются трудноразлагаемые органические остатки, чаще всего имеющие гумусовую природу (Мартынова, 2010; Бикбулатов, 1993).

Кислая среда и анаэробные условия обуславливают низкую скорость разложения органического вещества в донных отложениях озера, как и, собственно, в самих торфяниках. Важную роль в этом играет преобладание сфагнума в качестве торфообразующего растения. Как было показано в (Zubov et al., 2022), ботанический состав торфа Иласского болотного массива характеризовался высокой степенью однородности по всему профилю. Степень разложения верхнего слоя торфа (0–20 см) составила 0–5 %. Верхние слои торфяной залежи (0–240 см) сложены видами Sphagnum. Как известно, его сложный полисахаридный состав плохо подвергается деструкции, как бактериями, так и грибами, а фенольные соединения ингибируют деструкцию в анаэробных условиях (Добровольская и др., 2013).

Более интенсивно процесс деструкции органического вещества выражен на границе вода–дно (Zubov et al., 2022), что связано как с физико-химическими параметрами (такими как взмучивание, перемешивание, периодический контакт с кислородсодержащими водами), так и с влиянием автохтонного звена озера, которое вносит более легкоокисляемую фракцию органического вещества в общее содержание.

Малые глубины озер, ветровое и конвективное перемешивание предполагают, что основным источником ПГ в этих водоемах, как и в болотах в целом, будут являться сформированные торфом донные отложения. Это подтверждают последние исследования. В работе Taillardat et al. (Taillardat et al., 2024), проведен радиоизотопный анализ и исследованы концентрации CH₄ и CO₂ в пяти небольших внутриболотных озерах и поровых водах окружающего торфа. Авторы приходят к выводу, что большая часть этих газов поступает в водоемы из поровых вод окружающей торфяной залежи.

Вертикальное распределение концентраций CH₄ и CO₂

При достижении донными водами предела насыщения парниковыми газами, в них образуются пузырьки, формирующие поток ПГ в атмосферу. Однако, во время прохождения через водную толщу, газ в пузырьках практически с ней не взаимодействует (Bastviken et al., 2004; Ordóñez et al., 2023). Растворенные ПГ попадают в водную толщу из донных отложений диффузионным переносом (Bastviken et al., 2004).

Концентрации ПГ в марте (рис. 3а, б) составили 4–652 мкг/л СН₄ и 12–19 мг/л СО₂. В вертикальном распределении высокие значения концентраций обоих газов отмечены ниже 1 м, и достигают максимума в придонном горизонте. Ледовый покров, устанавливающийся на озерах в зимний период, препятствует газообмену между водоемом и атмосферой, что ведет к накоплению в толще воды растворенных газов, а низкая температура воды способствует их растворимости. Концентрации метана в подледном горизонте мало отличаются от значений в период открытой воды, а с глубиной повышаются и достигают максимальных значений в придонном горизонте. Концентрации углекислого газа по всему профилю в зимний период, в целом, значительно превышают значения, полученные в остальные сезоны (от 3 раз по сравнению с майскими концентрациями, до 100 раз по сравнению со значениями в ноябре). Подобная динамика концентраций CO₂ отмечается в работе (Kortelainen et al., 2006) где приведены результаты исследований 209 бореальных озер Финляндии. В исследованных озерах также наблюдались максимальные концентрации СО₂ в подледный период и их снижение в периоды весенней и осенней гомотермии, с увеличением в гиполимнионе в период летней стратификации.

 

Рис. 3. Вертикальное распределение (а) – концентраций CH₄ и (б) – концентраций CO₂ в разные сезоны года.

 

В зимний период происходит накопление рассматриваемых ПГ в придонных слоях, что связано с процессами аэробной минерализации органического вещества на границе вода–дно, а также анаэробной деструкции органического вещества в донных отложениях. В отсутствие турбулентного и конвективного перемешивания распределение в водной толще обуславливается внутриводоемными процессами.

В мае произошло конвективное перемешивание вод до дна и установление гомотермии, которое привело к высвобождению накопленного в зимний период запаса парниковых газов и почти равномерному распределению их концентраций по всей водной толще. Кроме того, при увеличении температуры воды снижается и растворимость газов. В результате, весенние концентрации CH₄ неизменны по всей глубине озера (6 мкг/л). Концентрации CO₂ значительно снизились по сравнению с зимним периодом, до 4–5 мг/л, но остаются более высокими, чем в остальные сезоны. На концентрацию CO₂ также оказывает влияние и его поглощение в результате процесса фотосинтеза. В придонном горизонте концентрации незначительно снижены относительно поверхности, что может быть связано с деятельностью, как фитопланктона, так и бентосных водорослей. Прозрачность вод в период открытой воды составляет около 1.5 м, следовательно, фотический слой распространяется на всю глубину озера, а максимальные концентрации биогенных элементов в условиях их острого дефицита в подобных объектах приурочены к донным отложениям. При отборе образцов донных отложений были обнаружены бентосные водоросли в виде темно зеленых колоний в слизистой оболочке диаметром не более 1 см, что также является подтверждением того факта, что фотосинтетическая активность в подобных мелководных экосистемах может проявляться также и в придонных горизонтах и верхнем слое донных отложений.

В августе концентрации CH₄ мало отличаются от весенних значений, лишь незначительно возрастая ниже 1 м до 8 мкг/л, что связано с формированием придонной температурной стратификации и влиянием донных отложений. Интересен тот факт, что, несмотря на прогрев водной толщи (на 12 °C в поверхностном горизонте), содержание метана не уменьшилось по сравнению с весной. Возможно, температурный эффект компенсируется увеличением диффузионного потока из донных отложений в результате прогрева придонных горизонтов, однако данный вопрос по большей части остается открытым.

Вследствие дальнейшего прогрева водной толщи и интенсификации фотосинтетической активности, содержание CO₂ продолжает падать по сравнению с предыдущими сезонами, достигая концентрации 0.3 мг/л. “Придонная” вегетационная активность приводит к незначительному уменьшению концентрации вблизи дна, по сравнению с верхними горизонтами.

В период предзимья концентрации метана возрастают до 13–17 мкг/л в эпилимнионе, а в районе оксиклина достигают 49 мкг/л. Повышение концентраций в поверхностном горизонте, вероятно, связано с понижением температуры и начавшимся установлением ледового покрова, из-за чего происходило накопление растворенных газов. Для углекислого газа в свою очередь зафиксированы минимальные годовые концентрации (0.15–0.19 мг/л), почти равномерно распределенные по водной толще, с тенденцией увеличения к придонным горизонтам. Поведение углекислого газа, как и содержание метана в летний период, противоречит зависимости его растворимости от температуры.

Вероятно, что после интенсивного осеннего перемешивания вод, обилия ветров и осадков, и, как следствие, насыщенности водной толщи кислородом, концентрация метана также была минимальной, однако начала восстанавливаться в начале установления гомотермии и образования ледового покрова. Снижение концентрации кислорода в придонном горизонте также указывает на протекающие там процессы деструкции органического вещества, следствием которых является повышение концентраций CH₄ и CO₂.

Сезонная динамика концентраций CH₄ и CO₂

Более высокое временное разрешение сезонной динамики концентраций ПГ в озере Северное установлено для поверхностного горизонта (рис. 4а, б). Концентрации вблизи нижней кромки льда резко возрастают к концу зимы. Это может быть связано с истончением снежного и ледового покрова, ведущим к проникновению солнечной радиации в толщу воды и, как следствие, началу прогрева воды (рис. 5). В результате происходит разрушение зимней стратификации, что приводит к подъему насыщенной газами воды из нижележащих слоев к поверхности. После схода ледового покрова в первой декаде мая, перемешивания всей толщи воды и высвобождения накопленного в течение зимы запаса, концентрации ПГ резко падают.

 

Рис. 4. Сезонный ход (а) – поверхностных концентраций CH₄ и (б) – поверхностных концентраций CO₂. A – фактические измеренные концентрации; B – равновесные с атмосферой; C – границы периодов открытой воды и устойчивого ледового покрова.

 

Рис. 5. Сезонный ход A – концентраций растворенного O₂, B – температуры поверхностного слоя воды и C – средней месячной температуры воздуха по М-2 Холмогоры; D – границы периодов открытой воды и устойчивого ледового покрова.

 

Динамика концентраций обоих газов в период открытой воды различна. Концентрации CH₄ находятся на одном уровне с мая по август. В июле отмечается повышение концентраций, что может быть связано с наблюдавшимся в это время периодом обильных дождей, приводящих к поступлению в озеро с окружающего ландшафта органического вещества с поверхностным стоком. В ноябре, во время установления ледового покрова, в поверхностном горизонте наблюдается повышение содержания газа относительно летних значений. Однако к третьей декаде декабря концентрации снижаются. В течение периода открытой воды наблюдается более чем стократное превышение фактических концентраций CH₄ (5.9–11 мкг/л) над равновесными с атмосферой значениями (0.04–0.05 мкг/л) (рис. 4а), что указывает на активный поток метана в атмосферу.

Концентрации CO₂, в свою очередь, снижаются в течение всего периода открытой воды. В июле, однако, понижение менее выражено, чем в остальное время, что, как и в случае с метаном, вероятно связано с периодом дождей и поверхностным стоком органического вещества с окружающего ландшафта. Концентрации достигают минимума в ноябре, в начале установления ледового покрова. В декабре, после ледостава, начинается их незначительное повышение. Вода весной и в начале лета перенасыщена CO₂, но к концу августа наблюдаемые концентрации становятся ниже равновесных с атмосферой (рис. 4б). Происходит поглощение растворенного в воде CO₂ фитопланктоном в результате его развития и активной жизнедеятельности в вегетационный период. Понижение фактических концентраций ниже равновесных свидетельствует об изменении направления потока и поглощении CO₂ из атмосферы.

Исследования (Cole et al., 1994; Holgerson, 2015) показывают, что в целом озера перенасыщены CH₄ и CO₂. Так, согласно (Cole et al., 1994) в бореальном и арктическом регионах перенасыщение отмечается для более чем 80 % озер. В то же время, в (Golub et al., 2023), на основании данных, полученных методом турбулентных пульсаций на 13 озерах, расположенных в различных частях северного полушария, авторы показывают, что озера могут выступать поглотителем CO₂. Однако продолжительность этих периодов мала и составляла 11 % времени наблюдений. В исследовании (Huotari et al., 2009) авторы также отмечают, что гуминовые озера в отдельные периоды могут выступать поглотителями CO₂. Однако для установления этих периодов требуются более подробные исследования.

Поглощение CO₂ в конце августа было обнаружено в мелководном болотном озере (Repo et al., 2007) в Западной Сибири. Как и рассматриваемое нами озеро Северное, объект имеет торфяное дно и расположен в зоне тайги, на территории, где преобладающими типами торфяников являются грядово-мочажинные комплексы и олиготрофные болота. Периодическое поглощение CO₂ отмечается также в летний период в скандинавских озерах: внутриболотном озере на севере Швеции (Jammet et al., 2017) и небольшом гуминовом озере на юге Финляндии (Huotari et al., 2011; Huotari et al., 2009).

Полученные нами концентрации СО₂ и CH₄ для озерка грядово-озеркового комплекса верхового болота северной тайги в целом находятся в том же диапазоне концентраций, что и опубликованные данные для других подобных объектов бореального пояса. Поверхностные концентрации ПГ в исследовании (Repo et al., 2007) находятся в пределах, близких к результатам настоящего исследования (CH₄ – 1.06–125.1 мкг/л; CO₂ – 0.97–7.04 мг/л). В работе (Sabrekov et al., 2017) приводятся концентрации метана во внутриболотных озерах Западной Сибири. Средние концентрации на глубине 1 м, приведенные авторами по шести озерам, находятся в диапазоне 0.55–28.5 мкг/л. В исследовании (Pelletier et al., 2014) рассматриваются небольшие водоемы, расположенные в верховом болоте на морском побережье (Квебек, Канада). Приведенные авторами поверхностные концентрации метана в период открытой воды находятся в более широком диапазоне 0.26–327 мкг/л, а концентрации CO₂ в диапазоне 0.25–2.69 мг/л. В работе (Arsenault et al., 2018), приводятся средние концентрации для более чем 150 небольших внутриболотных водоемов, находящиеся в диапазонах 18.03–68.80 мкг/л (CH₄) и 0.53–0.93 мг/л (CO₂).

Анализ литературных источников показал не столь значимую, по сравнению с сезонной, межгодовую изменчивость потоков и концентраций ПГ во внутриболотных и схожих с ними термокарстовых озерах. Изменения газового режима водоема зависят, главным образом от сезонного хода температур и биологических процессов. Так, результаты исследования динамики концентраций СО₂ в небольшом гуминовом бореальном озере в течение двух лет (Huotari et al., 2009) показали выраженный сезонный ход потоков парниковых газов. Сезонная изменчивость концентраций при этом составила 4–9 раз, в то время как межгодовая изменчивость была незначительной (в 1.4–1.5 раза) как для максимальных, так и для минимальных концентраций). Это подтверждается и проводившимися на этом же озере многолетними исследованиями методом турбулентных пульсаций (Huotari et al., 2011). Исследование (Golub et al., 2023) также показывает значительную внутригодовую изменчивость потоков.

Исследования межгодовой изменчивости концентраций и потоков CO₂ и CH₄ (Zabelina et al., 2021) в термокарстовых озерах Большеземельской тундры, сходных по биогеохимическим характеристикам с внутриболотными озерками (Arsenault et al., 2018), не выявили статистически значимой связи с такими факторами, как межгодовая изменчивость режима температуры и осадков. Несмотря на значительный контраст средних температур и количества осадков в летние периоды 2015 и 2018, в эти годы не было выявлено различий в концентрациях и потоках CO₂ и CH₄. Исследования (Marushchak et al., 2013) также показали незначительную межгодовую изменчивость потоков CO₂ из термокарстовых озер. Таким образом, поскольку межгодовая изменчивость концентраций и потоков ПГ в объектах, подобных исследуемому, как правило, менее значима, чем внутригодовая, можно сделать выводы об основных закономерностях сезонного хода концентраций CH₄ и CO₂.

Заключение, выводы

Исследования показывают, что северные озера перенасыщены парниковыми газами (Глаголев и др., 2010а; Давыдов и др., 2022; McCallister, del Giorgio, 2008; Repo et al., 2007), при этом именно на CO₂, как правило, приходится 90–99 % эмиссии углерода в атмосферу с поверхности озер, что показывают как данные прямых измерений, так расчетные модели (Lundin et al., 2015; Repo et al., 2007; Zabelina et al., 2021).

Проведенные исследования сезонной динамики парниковых газов в озере Северное показывают, что в зимний период происходит накопление СН₄ и СО₂ в придонных слоях, в связи с протекающими в донных отложениях процессами деструкции органического вещества, а их вертикальное распределение по водной толще, в отсутствие турбулентного и конвективного перемешивания, обусловлено внутриводоемными процессами. К концу зимы начинается прогрев воды, вызывающий подъем насыщенных СН₄ и СО₂ придонных вод к поверхности. После схода льда и последующего установления гомотермии в результате конвективного перемешивания вод, отмечается почти равномерное распределение концентраций СН₄ и СО₂ по всей водной толще.

Как метан, так и углекислый газ в озере Северное демонстрируют поведение, противоречащее зависимостям их растворимости от температуры. Концентрации CH₄ в период открытой воды остаются относительно стабильными и не снижаются летом относительно весенних значений, несмотря на снижение растворимости из-за прогрева воды. Концентрации CO₂, в свою очередь, снижаются и к концу лета достигают значений ниже равновесных с атмосферой, продолжая уменьшаться и в предзимье, несмотря на выхолаживание озера, ведущее к повышению растворимости.

Перенасыщенность вод метаном в течение всего периода наблюдений и углекислым газом в первую его половину свидетельствует о наличии потока этих парниковых газов в атмосферу. Снижение же в конце лета концентраций CO₂ ниже равновесных с атмосферой значений указывает об изменении направления потока и свидетельствует о том, что в зависимости от сезона года озеро может выступать не только в роли источника, но и в роли поглотителя атмосферного углерода.

Важно отметить, что водная толща мелководных озер в период открытой воды находится под постоянным воздействием ветрового и конвективного перемешивания, что приводит к регулярному перемешиванию и нарушению сезонной стратификации (Ford et al., 2002). Это может вносить неточность в оценки различных аспектов динамики газового режима озер, если для них проводятся однократные измерения в дневное время. Влияние суточной динамики гидрометеорологических и биогеохимических процессов на концентрации ПГ в поверхностных водах в настоящей работе не учитывалось, однако его следует принимать во внимание в дальнейших исследованиях, для получения более точных оценок.

Авторы выражают благодарность научному редактору М.И. Дину и анонимным рецензентам за конструктивные замечания, позволившие улучшить качество статьи.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-27-00828, http://rscf.ru/project/22-27-00828/.

Авторлар туралы

S. Prasolov

Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sergeyprasolov1@gmail.com
Ресей, Nikolskiy prospekt, 20, Arkhangeksk, 163020

S. Zabelina

Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: sergeyprasolov1@gmail.com
Ресей, Nikolskiy prospekt, 20, Arkhangeksk, 163020

S. Klimov

Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: sergeyprasolov1@gmail.com
Ресей, Nikolskiy prospekt, 20, Arkhangeksk, 163020

A. Chupakov

Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: sergeyprasolov1@gmail.com
Ресей, Nikolskiy prospekt, 20, Arkhangeksk, 163020

G. Losyuk

Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: sergeyprasolov1@gmail.com
Ресей, Nikolskiy prospekt, 20, Arkhangeksk, 163020

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар