Потоки метана с поверхности эвтрофного болота: связь с гидрохимией болотных вод и изотопными характеристиками растворенного углерода

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее актуальных проблем человечества является глобальное изменение климата, основная причина которого — это увеличение в атмосфере доли парниковых газов, прежде всего углекислого газа и метана (Birdsey, 2011; IPCC, 2021). Торфяные болота обеспечивают постоянный сток в них углекислого газа из атмосферы, а секвестрированный в торфяных залежах углерод исключается из дальнейшего оборота и накапливается в течение длительного периода. В торфяниках аккумулируется больше углерода, чем в любой другой наземной экосистеме, тем самым, болота занимают первое место перед степями и лесами по содержанию запасов устойчивого органического вещества на единицу площади (IPCC, 2021; Заварзин, 1994; Dise, 2009). Считается, что благодаря незамкнутости круговорота веществ, когда экосистема получает больше энергии и вещества, чем отдает, связывание углерода в болотах происходит на длительный период. С другой стороны, процессы анаэробного разложения приводят к образованию метана (СН₄), газа, парниковый эффект которого в 28 раз превосходит эффект от диоксида углерода (CO₂) (IPCC, 2021). Известно, что темпы секвестрации углерода торфяниками сильно различались в течение голоцена (последние 12 тыс. лет) и что пиковые накопления углерода наблюдались в периоды более теплого климата (Yu Z et al., 2011; Инишева и др., 2013). Это повышает вероятность того, что в ближайшем будущем в условиях глобального потепления торфяники будут оказывать общее охлаждающее (компенсационное) воздействие на тепловой баланс атмосферы, поскольку эффект от удаления долгоживущего атмосферного CO₂ в конечном счете превосходит последствия высвобождения короткоживущего CH₄ (Frolking, Roulet, 2007). Однако баланс между накоплением и эмиссией углерода может быть положительным или отрицательным (Заварзин, 1994) и связан как с различными природными факторами, так и с особенностями антропогенной нагрузки на экосистему. В ряде исследований, например (Dise, 2009; Harenda et al., 2018), описано, как понижение уровня грунтовых вод в торфяниках, подобно длительной засухе, первоначально приводило к потере почвенного углерода в результате дыхания, а последующее уплотнение торфяных отложений фактически возвращало систему в исходное состояние. И наоборот, повышение уровня грунтовых вод стимулировало прирост растительности и торфонакопление, что способствовало накоплению углерода, но в последствии приводило к понижению уровня грунтовых вод относительно поверхности торфа и увеличению аэрации верхнего слоя залежи, снова приводя к потере углерода. Известно, что интенсивность эмиссии метана во многом зависит от окислительно-восстановительных условий (в том числе, Walter, Heimann, 2000). Сброс неочищенных сточных вод с высоким содержанием органического вещества может заметно влиять на эмиссию метана, поскольку способствует изменению гидрохимического и гидрологического режимов и, как следствие, изменению окислительно-восстановительных условий в верхней части торфяной залежи. Для подтверждения этой гипотезы и первичной оценки степени влияния сброса неочищенных сточных вод на баланс углерода эвтрофного болота нами был изучен химический состав болотных вод и изотопный состав растворенного неорганического углерода и измерены удельные потоки метана на открытом и облесенном участках Обского болота.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования выбраны участки эвтрофного Обского болота, расположенного в долине реки Оби в Шегарском районе Томской области. Район исследования относится к подтаежной зоне и представлен типичными для нее экосистемами. Обширные участки на плакорах занимают смешанные сосново-березовые леса с примесью осины и богатым травяным ярусом, представленным разнотравьем с высокой долей злаковых. Открытые участки, нередко ранее мелиорированные, заняты под пашни. Заболачивание происходит в понижениях рельефа, вблизи озер, в речных поймах и староречьях.

Торфяные отложения относятся к низинному типу со средней мощностью залежи 3.2 м и максимальной — 6 м (Schipper et al., 2007). Облесенный участок Обского болота, расположенный к югу от села Мельниково, и открытый участок Обского болота, расположенный в 2.5 км южнее от села Нащеково, характеризуются средней зольностью торфа 28.7 %, степенью разложения 34 % и значениями pH от 5.5 до 7.3 (Савичев и др., 2013). Облесенный участок представляет собой труднопроходимый березово-папортниковый лес с развитым кустарниковым ярусом, содержание влаги в залежи в среднем 83.7 % (Савичев и др., 2013), в понижениях естественно дренированной залежи большую часть года застаивается вода. Открытый участок по большей части представлен папоротниково-осоковыми и вахтово-осоковыми гипновыми топями (C. chordorrhiza, Carex diandra, D. sendtneri, Drepanocladus aduncus, Bryum pseudotriquetrum). Ближе к центральной части располагается топь с отдельными слабоориентированными грядами, поросшими редким древостоем из сосны обыкновенной (Pinus sylvestris), березы пушистой (Birtula pubescens) и ели сибирской (Picea obovata).

Облесенный участок включает в себя створ сосредоточенного выпуска сточных вод жилищно-коммунального хозяйства с. Мельниково, пункты наблюдений располагались в 40 м (OB-I-08), 100 м (OB-I-07) и 160 м (OB-I-06) от точки сброса сточных вод (рис. 1), находящегося на границе с суходолом. На открытом участке — в 100 м (OB-IV-05), 200 м (OB-IV-04) и 300 м (OB-IV-03) метрах от суходола.

Уровень влажности участка, включая влагу в растениях, может существенно влиять на разложение органического материала, фотосинтез и потоки парниковых газов. Нормализованный индекс влажности (NDMI) (Kaverin et al., 2022), полученный из комбинации каналов мультиспектральных изображений спутника Sentinel-2 помог получить представление о содержании влаги в растениях и почве двух участков по состоянию на ближайшую к периоду опробования, доступную для анализа дату — 11.07.2023 (рис. 1). Для открытого участка значения ячеек (пикселей) показали умеренные значения и составили от 0.26 до 0.33. Значения для облесенного участка превышают 0.4, представляя высокий полог растительности с высокой концентрацией влаги. Мы также рассмотрели доступные мультиспектральные изображения за июнь – начало июля 2021, 2022, 2023 гг. и получили аналогичные результаты как для открытого, так и для облесенного участков по состоянию на конец июня–начало июля.

Сточные воды, сбрасываемые в Обское болото, характеризуются как гидрокарбонатно-хлоридные натриевые, с высоким содержанием аммония (64 мг/л), фосфатов (18 мг/л), хлоридов (160 мг/л) и сульфатов (50 мг/л) (Иванова и др., 2020).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отбор проб воды и замер удельных потоков метана проводились 24–25 июня 2022 года. Измерения проходили в светлое время суток при приблизительно одинаковых погодных условиях.

Диффузионные удельные потоки метана были измерены камерным методом: плавающей камерой в случае достаточно высокого уровня болотных вод в обводненных микропонижениях (Tremblay et al., 2005) и статической камерой для микроповышений (более сухих участков) (Hutchinson, Mosier, 1981; Глаголев и др., 2010) и микропонижений с недостаточной площадью свободной поверхности воды для установки плавающей камеры. Замеры концентрации парниковых газов проводили в режиме реального времени в герметично установленной темной камере, покрытой светоотражающей плёнкой для предотвращения нагрева в результате действия солнечных лучей (Глаголев и др., 2010). Камера при помощи трубок подсоединялась к портативному газоанализатору (GasScouter G4301, Picarro), который определяет концентрацию парниковых газов во время измерения c частотой один раз в 3 секунды. Статическая камера имела форму куба с объемом 0.07 м³, устанавливалась на врезанное в торф стальное основание площадью 0.13 м². Плавающая камера представляла собой пластиковую емкость с поплавками; объём надводной части камеры 0.01 м³, площадь охвата водной поверхности — 0.08 м². В пределах каждого участка (облесенного и открытого) было выбрано 3 точки наблюдений (рис. 1), расположенные на разном удалении от суходола, максимально приближенные к точкам опробования многолетних гидрохимических наблюдений (Савичев и др., 2013; Иванова и др., 2020). На каждой из точек наблюдения было выбрано одно повышение микрорельефа (более сухая часть с кочками) и одно обводненное понижение (или, для топи, наиболее обводненная часть). Таким образом на каждой точке наблюдений измерения проводилось на двух элементах микрорельефа (далее условно: микропонижение и микроповышение). Замеры удельных потоков метана на каждом элементе микрорельефа производились минимум в пятикратной повторности, время экспозиции для получения одного значения удельного потока составляло 4–5 минут. Метеорологические параметры (температура воздуха, атмосферное давление, влажность, скорость ветра) в процессе измерения удельных потоков метана замеряли с помощью портативной метеостанции Kestrel 5000 (США).

 

Рис. 1. Схема размещения пунктов наблюдений за химическим составом вод Обского болота и удельными потоками метана в июне 2022 г. и распределение значений индекса влажности (NDMI) со спутникового снимка Sentinel-2 в районе пунктов наблюдений на ближайшую к периоду опробования доступную для анализа дату.

 

Удельные потоки рассчитывались при помощи аппроксимации полученных значений линейной регрессией в координатах время-концентрация по уравнению:

$F_{диф}=\frac{a\times p\times V\times M}{100\times R\times T_{\mathrm{возд}}\times S},$ (1)

где F_диф — диффузионный удельный поток ПГ, мг(газа)/м²/ч; a — угловой коэффициент линейной регрессии изменения концентрации газа в камере со временем, %/ч; p — среднее атмосферное давление за измерение, Па; V — объем камеры, м³; M — молярная масса метана, 16040 мг/моль; R — универсальная газовая постоянная, 8.3145 Дж/моль/К; T_возд — средняя температура воздуха за измерение, К; S — площадь основания камеры, м².

Согласно тесту Андерсона–Дарлинга (проведен в Statistic Toolbox Matlab 7.10.0 для уровня значимости 0.05), распределение полученных удельных потоков метана практически во всех случаях отлично от нормального (за исключением микропонижений открытого участка и микроповышений облесенного), поэтому в качестве оценки математического ожидания измеренных удельных потоков для облесенного и открытого участков в целом, а также для отдельных точек наблюдений и элементов микрорельефа использовалось медианное значение. Отметим, что отличный от нормального (а именно — логнормальный) характер распределения удельных потоков метана отмечается в литературе ранее (Паников, 1995; Глаголев, Сабреков, 2008; Глаголев, Шнырев, 2008; Kazantsev et al., 2018), где также освещены возможные причины данного явления.

Помимо измерения удельных потоков, на точках наблюдения осуществлялся замер быстроменяющихся физико-химических параметров воды в обводненных микропонижениях и отбор проб воды с глубины 5–10 см с последующим анализом химического состава и изотопного состава растворенного неорганического углерода (δ¹³С-DIC). Пробы на общий химический анализ отбирали в пластиковые бутылки объемом 0.5 л, пробы для анализа растворенного углерода и азота и изотопный анализ отбирали во флаконы из темного стекла объемом 50 мл, предварительно отфильтровав через шприцевой фильтр с размером пор 0.22 мкм (материал фильтра — нейлон).

Параметры pH, электропроводность и температуру воды определяли с помощью портативного мультиметра (HI98194, HANNA Instruments). Окислительно-восстановительный потенциал измеряли с помощью прибора ORP200 (HM Digital). Определение содержания компонентов карбонатной системы (СО₂, НСО₃^–, СО₃^2–) в пробах проводилось методом потенциометрического титрования 0.1 н раствором NaOH с установлением конечной точки титрования с помощью рН-метра «Анион-4100» (Инфраспак-Аналит, Россия), определение содержания основных компонентов водного раствора и соединений азота и фосфора (NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Cl^–, SO₄^2–, NO₂^–, NO₃^–, PO₄^3–) — методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-205» (Люмекс, Россия) с предварительным фильтрованием через бумажный фильтр «синяя лента». Анализ концентрации общего растворенного углерода (TC), растворенного органического углерода (DOC) и общего растворенного азота (TNb) проводилось методом высокотемпературного каталитического окисления на приборе VarioTOCcube (Elementar, UK) в Центре коллективного пользования Тюменского государственного университета (ТюмГУ). Анализ изотопного отношения ¹³С/¹²С растворенного в природных водах неорганического углерода (DIC) использовался метод изотопной масс-спектрометрии с непрерывным потоком (CF-IRMS) на приборе Isoprime precisION, соединенном с проточной системой уравновешивания и ввода газовой пробы Headspace gas analyzer isoFLOW (Elementar, UK) в Центре изотопной биогеохимии ТюмГУ. Значения δ¹³C приведены в промилле (‰) относительно стандарта Vienna Pee-Dee Belemnite (VPDB). Погрешность измерений <0.1 ‰.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Медианное значение удельных потоков для открытого участка болота составляет 3.26 мгCH₄∙м^–2∙ч^–1 (рис. 2). На облесенном участке — 2.28 мгCH₄∙м^–2∙ч^–1 (рис. 2), при этом наблюдается ряд экстремальных значений, вероятно, одна из причин появления которых — пузырьковая эмиссия из обводненных микропонижений вблизи выпуска сточных вод.

 

Рис. 2. Статистические характеристики удельных потоков метана на открытом и облесенном участках Обского болота.

 

На некоторых частях графиков, получаемых с газоанализатора при измерениях концентрации CH₄ в режиме реального времени, наблюдалось резкое повышение концентрации метана за короткий временной промежуток (рис. 3). Наиболее вероятной причиной подобных скачков концентрации является попадание пузырьков метана в камеру (Hoffman et al., 2017) (наличие активной пузырьковой эмиссии на обводненных микропонижениях облесенного участка было заметно визуально во время измерений, при этом данный тип эмиссии практические не регистрировался на открытом участке).

 

Рис. 3. Графики изменения концентрации метана в камере со временем: (а) микропонижение на облесенном участке, отмечается пузырьковая эмиссия; (б) микропонижение на открытом участке, диффузионная эмиссия.

 

Обратим внимание, что медиана удельных потоков метана из обводненных микропонижений больше, чем с микроповышений на обоих участках, однако наибольшим разбросом значений характеризуются микропонижения облесенного участка (рис. 4).

Рис. 4. Статистические характеристики удельных потоков метана с поверхности микроповышений и микропонижений на участках Обского болота.

 

По мере удаления от точки сброса сточных вод удельные потоки метана из микропонижений облесенного участка значительно снижаются с 60 мгCH₄∙м^–2∙ч^–1 до 0.76 мгCH₄∙м^–2∙ч^–1 на расстоянии 160 м от суходола (рис. 5), при этом интенсивность удельных потоков метана с микроповышений ниже и меньше изменяется в пространстве. На открытом участке эмиссия метана как с микроповышений, так и с микропонижений изменяется идентично: она сохраняется приблизительно равной фоновому значению на протяжении 200 м по мере удаления от суходола, далее, на расстояние 300 м удельный поток метана возрастает почти в 10 раз.

 

Рис. 5. Пространственная динамика удельных потоков метана с микроповышений и микропонижений Обского болота по мере удаления от суходола.

 

Поскольку наиболее интенсивная эмиссия метана связана с обводненными микропонижениями, был проведен анализ гидрохимических данных с целью выявления взаимосвязи эмиссии метана с химическим составом болотных вод.

Болотные воды облесенного участка по данным многолетних наблюдений (Колотыгина и др., 2023) характеризуются как нейтральные, солоноватые, гидрокарбонатно-хлоридные натриево-кальциевые (табл. 1). Воды открытого участка болота — нейтральные, пресные, гидрокарбонатные кальциево-магниевые.

 

Таблица 1. Удельные потоки метана в эвтрофных болотах южной тайги и подтайги Западной Сибири, измеренные камерным методом

Экосистема/элемент микрорельефа		Статистические характеристики удельного потока метана, мгСН4∙м–2∙ч–1			Источник
		I квартиль	медиана	III квартиль
Обское болото, открытый участок	обобщение по экосистеме	2.48	3.26	17.35	Настоящее исследование
	микроповышения	2.55	3.26	9.67
	микропонижения	2.62	10.27	18.77
Обское болото, облесенный участок	обобщение по экосистеме	1.53	2.28	4.03
	микроповышения	1.48	1.95	2.96
	микропонижения	1.87	13.54	48.74
Обское болото, 2006 г.	пойма р. Оби, УБВ=0 см	10.88	11.50	12.04	(Глаголев и Шнырев, 2008)
Обское болото, 2007 г.	обобщение по экосистеме	12.19	23.11	26.49	(Глаголев и др., 2010)
Батуринское болото	обобщение по экосистеме	1.13	2.41	4.05	(Глаголев и Шнырев, 2008)
	микроповышения	0.69	0.71	0.74
	мочажины	2.51	3.57	4.61
Эвтрофная топь, южная тайга	мочажины	1.63	7.01	11.95	(Клепцова и др., 2010)

 

По данным опробования 2022 года максимальные концентрации основных загрязнителей (аммония, нитритов, нитратов, фосфатов, сульфатов, хлоридов) наблюдаются на облесенном участке в точке, расположенной в 40 м от суходола.

По мере удаления от суходола значительно снижаются минерализация, концентрации HCO₃^–_, TC, DOC, TNb, NH₄⁺ и NO₂^– (рис. 6а, 7а, в, 8а-в). Концентрации SO₄^2–, Cl^– и PO₄^3– при удалении от сброса сточных вод практически не изменяются (рис. 6в, г, 8д). Высокая подвижность в торфяной залежи указанных анионов хорошо известна. Содержание NO₃^– резко возрастает в 100 м от суходола и затем снова снижается в 160 м (рис. 8г).

 

Рис. 6. Пространственная динамика минерализации (а) и основных анионов (б – гидрокарбонат-ион; в — сульфат-ион; г — хлорид-ион) болотных вод открытого и облесенного участков Обского болота.

 

Рис. 7. Пространственная динамика концентраций общего углерода (а), растворенной углекислоты (б) и растворенного органического углерода (в) в болотных водах открытого и облесенного участков Обского болота.

 

Рис. 8. Пространственная динамика концентраций общего азота (a), его соединений (б – ион аммония; в – нитрит-ион; г — нитрат-ион) и фосфат иона (д) в болотных водах открытого и облесенного участков Обского болота.

 

Концентрация растворенной углекислоты также изменяется скачкообразно (рис. 7б), однако можно отметить тенденцию к уменьшению ее содержания по мере удаления от источника загрязнения. Вместе с тем, известно, что ее содержание в воде естественных болот по глубине залежи и на поверхности может значительно варьировать, что и подтвердили полученные данные. Отмеченные тенденции к снижению концентрации загрязнителей и соединений углерода подтверждаются данными многолетних наблюдений (Колотыгина и др., 2023).

На открытом участке болота значения практически всех рассмотренных показателей ниже и мало изменяются в пространстве. Это объясняется высокой степенью однородности участка. Двукратный рост по мере удаления от суходола зафиксирован только для растворенного CO₂ (рис. 7б) и DOC (рис. 7в).

Значение δ¹³С-DIC облесенного участка изменяется в пределах от –9.64 до –9.21 ‰, открытого участка — от –12.83 до –11.24 ‰, при этом по данным (Шварцев и др., 2007) для подземных вод зоны гипергенеза района исследований характерны значения δ¹³С-DIC от –25.7 до –12.8 ‰.

Таким образом, воды облесенного участка характеризуются более тяжелым изотопным составом растворенного неорганического углерода не только относительно открытого участка (рис. 9а). Также можно отметить, что утяжеление изотопного состава по углероду происходит с ростом его концентрации, причем это относится как к неорганическим, так и к органическим формам (рис. 9б).

 

Рис. 9. Пространственная динамика δ¹³С-DIC (a) и δ¹³С-DIC от концентрации растворенного неорганического углерода (б) в болотных водах открытого и облесенного участков Обского болота. Оранжевая точечно-пунктирная линия — линейная регрессия для значений HCO₃-; синяя пунктирная линия — линейная регрессия для значений СО₂; синяя точечная линия — линейная регрессия для значений DOC.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 1 приведено сравнение статистических характеристик измеренных нами удельных потоков метана с результатами других исследователей, полученных для эвтрофных болот южной тайги и подтайги Западной Сибири.

Отметим, что медиана удельных потоков метана в настоящем исследовании в сравнении с другими эвтрофными болотами несколько выше и для открытого, и для облесенного (на котором происходит сброс сточных вод) участка, но значительно ниже по сравнению с исследованиями, проведенными на Обском болоте в 2006 и 2007 годах. В целом, межквартильный интервал выше для Обского болота, чем для других болот, во всех приведенных ниже исследованиях.

Заметна значительная эмиссия метана из обводненных микропонижений по сравнению с более сухими микроповышениями: удельные потоки из микропонижений выше, чем из микроповышений в 3.2 и 6.9 раз для открытого и облесенного участков соответственно (табл. 1). Факт того, что удельные потоки метана зависят от влажности субстрата, отмечается в обзорных работах (Aronson et al., 2012; Le Mer, Roger, 2001). Метаногены активны в анаэробной среде при замедленном водо- и массообмене экосистемы и достаточном количестве органического вещества, при этом образующийся метан в растворенном виде или в виде пузырьков поступает в аэробный слой (в случае наличия последнего), где происходит его химическое окисление и метанотрофия. Микроповышения находятся выше уровня болотных вод, что, вероятно, благоприятствует поступлению кислорода, увеличению скорости окислительных процессов и, как следствие, превращению метана в углекислый газ, в то время как в обводненных микропонижениях скорость этого процесса значительно замедлена (Walter, Heimann, 2000; Tan, 2005). Более низкие удельные потоки метана с микроповышений облесенного участка по сравнению с аналогичными формами микрорельефа открытого участка болота объясняются тем, что на последнем микроповышения менее выражены в рельефе и лишь слегка выступают над поверхностью болотных вод, ввиду чего их увлажненность выше, а мощность аэробного слоя меньше.

Высокая положительная корреляция между удельными потоками метана и концентрациями общего и растворенного органического углерода является закономерной, особенно для облесенного участка, где коммунально-бытовые сточные воды с высоким содержанием органического вещества, попадая в анаэробные условия, приводят к увеличению интенсивности пузырьковой эмиссии метана (Le Mer, Roger, 2001).

Отмечена также положительная корреляция потоков метана с концентрациями растворенного углекислого газа и гидрокарбонат-иона, т. е. с неорганическими формами углерода, являющимися продуктами минерализации органического вещества в водной среде. Так как метанообразующие бактерии получают энергию в процессе окисления водорода и восстановления углекислоты, увеличение потоков метана с ростом концентрации питательного субстрата, необходимого для карбонатного дыхания бактерий, является логичным при протекании метаногенеза (Whiticar, 1999).

Утяжеление изотопного состава δ¹³С-DIC на облесенном участке болота (рис. 9) также вероятно связано с протеканием метаногенеза. Повышение значений δ¹³C-DIC обусловлено тем, что метаногены предпочитают использовать более легкий ¹²C, в результате чего производимый ими CH₄ имеет облегченный изотопный состав по сравнению с исходным субстратом, а потребляемый бактериями СО₂, наоборот, обогащается тяжелым ¹³С (Whiticar et al., 1986; Campeau et al., 2017). Так, например, гидрогенотрофный метаногенез ведет к сильному изотопному фракционированию с коэффициентом 1.055–1.085, а ацетокластический метаногенез характеризуется коэффициентом фракционирования от 1.040 до 1.055 (Whiticar, 1999). В свою очередь, СO₂ является одним из основных компонентов карбонатной системы, а значит и растворенного неорганичного углерода. Хотя при нейтральных и слабощелочных значениях рН основной неорганической формой углерода является гидрокарбонат, он образуется при участии растворенного CO₂ (Шварцев и др., 2007), а значит также будет обогащен тяжелым изотопом ¹³С.

Разбавление болотными водами концентраций соединений азота и углерода и снижение потоков метана по мере удаления от сброса сточных вод на облесенном участке (рис. 6–8) может указывать на способность болотных вод к «самоочищению» (Иванова и др., 2020; Савичев и др., 2022; Колотыгина и др., 2023) по аналогии с самоочищением сточных вод в речных системах. Кроме разбавления стоков в болотах следует учитывать процессы поглощения загрязнителей живыми организмами и сорбционные свойства торфяных отложений, повышающих эвтрофикацию болот, вызывающих перестройку структуры верхнего слоя залежи и изменение растительности.

Однако на открытом участке болота по мере удаления от суходола на расстояние 300 м потоки метана, наоборот, увеличиваются почти вдвое (рис. 5). На данном этапе исследований, сложно сделать выводы о причинах такого поведения. Для выяснения факторов, влияющих на пространственную динамику потоков метана на открытом участке Обского болота, необходимо расширить сеть опробования, провести дополнительные исследования торфяной залежи и изотопного состава газовой фазы. Поскольку, утяжеление изотопного состава растворенного неорганического углерода по мере удаления от суходола (рис. 9а), как уже отмечалось выше, может свидетельствовать о более активном протекании процессов метаногенеза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вблизи сброса сточных вод на облесенном участке Обского болота наблюдается значительное увеличение пузырьковой эмиссии метана из обводненных микропонижений, превосходящее фоновые значения почти в 30 раз. Вместе с тем, поблизости от источника загрязнения отмечаются высокие концентрации соединений углерода, азота и фосфора, которые поступают со сточными водами и являются субстратом для микробной биомассы и метаногенеза. Несмотря на то, что средние значения эмиссии метана с открытого участка болота несколько выше, чем с облесенного, более тяжелый изотопный состав растворенного неорганического углерода на облесенном участке говорит о том, что метаногенез здесь идет активнее, чем на открытом участке. Таким образом, можно заключить, что загрязнение сточными водами значительно влияет на формирование химического состава болотной воды и интенсивность потоков метана, а изотопный состав растворенного неорганического углерода потенциально может быть использован как маркер распространения загрязнения.

По мере удаления от источника загрязнения потоки метана из обводненных микропонижений облесенного участка снижаются вместе с концентрацией общего углерода, растворенного органического углерода, гидрокарбонатов, общего азота, аммония и нитритов.

Дальнейшие исследования будут направлены на углубленное изучение процессов, обуславливающих метаногенез, масштабов распространения загрязнения и количественную оценку вклада пузырьковой эмиссии в потоки метана. Для этого на облесенном участке Обского болота будет расширена сеть опробования и проанализировано изотопное отношение ¹³С/¹²С растворенного и свободного метана и растворенного органического углерода.

Коллектив авторов благодарит ЦКП «Рациональное природопользование и физико-химические исследования» и Е. В. Крестьянникову за помощь в организации химического анализа воды, а также Г. Г. Клюку за участие и неоценимую помощь в отборе проб на облесенном участке Обского болота. Выражаем искреннюю благодарность рецензентам и научному редактору М. И. Дину за ценные замечания, конструктивную критику и ценный вклад в подготовку научной статьи.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № MK-1684.2022.1.5. Анализ δ¹³С-DIC выполнен за счет средств программы академического лидерства Тюменского государственного университета «Приоритет-2030», обработка данных по изотопному составу выполнена в рамках проекта CarboRus (075-15-2021-610).

Об авторах

Е. А. Солдатова

Тюменский государственный университет; Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: 2a61@mail.ru
Россия, 625003, Тюмень, ул. Володарского, 6; 634055 Томск, пр. Академический, 4

В. Н. Колотыгина

Тюменский государственный университет; Тюменский индустриальный университет

Email: mns@vkolotygina.ru
Россия, 625003, Тюмень, ул. Володарского, 6; 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38

Л. А. Кривенок

Институт физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН

Email: krivenok@ifaran.ru
Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер., 3

В. Иванов

Тюменский государственный университет

Email: v.ivanov@utmn.ru
Россия, 625003, Тюмень, ул. Володарского, 6

Т. А. Кремлева

Тюменский государственный университет

Email: t.a.kremleva@utmn.ru
Россия, 625003, Тюмень, ул. Володарского, 6

Список литературы

Дополнительные файлы