Bulletin of the RAS. GeographyBulletin of the RAS. GeographyИзвестия РАН. Серия географическая2587-55662658-6975The Russian Academy of Sciences1758110.31857/S2587-55662019556-66NATURAL PROCESSES AND DYNAMICS OF GEOSYSTEMSПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМResearch ArticleMonitoring of CO2 fluxes on Svalbard: land use alters the gas exchange in the arctic tundraНаблюдения за потоками СО2 на архипелаге Шпицберген: использование территории человеком меняет газообмен арктической тундрыKarelinD. V.КарелинД. В.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comZazovskayaE. P.ЗазовскаяЭ. П.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comShishkovV. A.ШишковВ. А.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comDolgikhA. V.ДолгихА. В.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comSirinA. A.СиринА. А.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comSuvorovG. G.СуворовГ. Г.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comAzovskyA. I.АзовскийА. И.
Russian Federation

Faculty of Biology

биологический факультет

dkarelin7@gmail.comOsokinN. I.ОсокинН. И.
Russian Federation
dkarelin7@gmail.comInstitute of Geography, Russian Academy of SciencesИнститут географии РАНCentre for Problems of Ecology and Productivity of Forests, Russian Academy of SciencesЦентр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАНInstitute of Forest Science, Russian Academy of SciencesИнститут лесоведения РАНLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова02112019556660211201902112019Copyright ©; 2019, Russian academy of sciencesCopyright ©; 2019, Российская академия наук2019Russian academy of sciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/2587-5566/article/view/17581

The article summarized the results of long-term observations (2014–2018) of soil emissions and net CO2 fluxes (2017–2018) in natural and anthropogenically modified (AI) ecosystems of Arctic tundra on the territory of the archipelago of Svalbard (Barentsburg, 78°04′N, 14°13′E). Anthropogenic controls associated with local land use, during the period of their active impact may redouble the emissions of carbon dioxide from soil (0.111 ± 0.021 > 0.064 ± 0.011 gС m–2h–1). During the same period, the net C-balance at the sites with active land use is estimated as a source to the atmosphere. Self-recovering after human influence plots (II) demonstrate intermediate values of soil emissions of СО2 between unaffected tundra (I) and plots with active land use (III). With that they demonstrate the greatest net C-sink within the observed range of Photosynthetically Active Radiation as compared to (I) and (III). At the height of the vegetation period unaffected tundra ecosystems demonstrate a neutral net C-balance. The greatest contribution to soil emissions variance make spatial controls (they explain 56–66% of variance), whereas temporal factors are responsible for 3.8–5.5% only. Amongst spatial controls, the thickness of organogenic layer makes the greatest contribution. Inter-annual fluctuations of key factors, among which the most important are the soil moisture and temperature of the upper soil layer, both affect AI and natural ecosystems hence the spatial differences between them remain constant from year to year. According to preliminary estimates, unlike the carbon dioxide, the contribution of methane and nitrous oxide net fluxes in local ecosystems is insignificant and does not depend on human land use.

Обобщены результаты многолетних наблюдений (2014–2018 гг.) за почвенной эмиссией и нетто-потоками СО2 в естественных и антропогенно-измененных (АИ) экосистемах зональной арктической тундры на территории архипелага Шпицберген (пос. Баренцбург, 78°04′ с.ш., 14°13′ в.д). Установлено, что антропогенные факторы, связанные с местным землепользованием, в период своего активного воздействия могут почти вдвое (0.111 ± 0.021 > 0.064 ± 0.011 гС м–2ч–1) увеличивать эмиссию диоксида углерода из почвы. В тот же период нетто-баланс С на таких участках является положительным (источник для атмосферы). Самовосстанавливающиеся после антропогенного воздействия участки демонстрируют промежуточные между фоновыми и АИ участками величины почвенной эмиссии СО2, но при этом наибольший по сравнению с ними нетто-сток С во всем диапазоне освещенности. Фоновые экосистемы демонстрируют в разгар периода вегетации равновесное состояние по С-балансу. Наибольший вклад в вариации эмиссии СО2 из почвы вносят пространственные факторы (объясняют 56–66% дисперсии), тогда как временные факторы объясняют лишь 3.8–5.5%. Среди пространственных факторов наибольшее значение имеет мощность органогенного горизонта. Межгодовые флуктуации условий, среди которых наиболее важны влажность и температура верхнего (0–6 см) слоя почвы, одинаково влияют на АИ и фоновые экосистемы, поэтому пространственные различия между ними поддерживаются из года в год. Судя по предварительным оценкам, в отличие от диоксида углерода вклад потоков метана и закиси азота не зависит от антропогенного воздействия и является для местных экосистем незначимым.

CO2 soil emissionnet carbon exchangeArctic tundraSvalbardhuman land useпочвенная эмиссия СО2нетто-обмен углеродаарктическая тундраархипелаг Шпицбергенантропогенное преобразование территорииField research was carried out within the framework of the state-ordered research theme of the Institute of Geography RAS, no. 0148-2017-0005, determination of methane and nitrous oxide concentrations by gas chromatograph was fulfilled within the framework of the state-ordered research theme of the Centre for Problems of Ecology and Productivity of Forests RAS, no. АААА-А18-118052400130-7. The work was also supported by the grants received from the RFBR and Russian Geographical Society (greenhouse gases emission in natural tundra communities) and from the RFBR, no. 18-05-60279 “Arctic” (human impact on emission and balance of greenhouse gases in Arctic ecosystems).Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РГО-РФФИ № 17-05-41157 РГОа (в части изучения потоков парниковых газов в естественных тундровых сообществах), РФФИ-Арктика № 18-05-60279 (в части изучения антропогенного влияния на эмиссию и баланс парниковых газов в арктических экосистемах). Полевые исследования выполнены в рамках темы Государственного задания № 0148-2017-0005 (Институт географии РАН), определение концентраций метана и закиси азота в пробах на газовом хроматографе выполнено в рамках Государственного задания № АААА-А18-118052400130-7 (Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН).Karelin D.V., Zamolodchikov D.G. Uglerodnyi obmen v kriogennykh ekosistemakh [Carbon Exchange in Cryogenic Ecosystems]. Moscow: Nauka Publ., 2008. 344 p.Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г. Углеродный обмен в криогенных экосистемах. М.: Наука, 2008. 344 с.Karelin D.V., Goryachkin S.V., Zamolodchikov D.G., Dolgikh A.V., Zazovskaya E.P., Shishkov V.A., Pochikalov A.V., Sirin A.A., Suvorov G.G, Kraev G.N. The influence of local anthropogenic factors on soil emission of biogenic greenhouse gases in cryogenic ecosystems. Zh. Obshchei Biol., 2016, vol. 77, no. 3, pp. 167–181. (In Russ.).Карелин Д.В., Горячкин С.В., Замолодчиков Д.Г., Долгих А.В., Зазовская Э.П., Шишков В.А., Почикалов А.В., Сирин А.А., Суворов Г.Г., Краев Г.Н. Влияние местных антропогенных факторов на почвенную эмиссию биогенных парниковых газов в криогенных экосистемах // Ж. общей биологии. 2016. Т. 77. № 3. С. 167–181.Karelin D.V., Goryachkin S.V., Zamolodchikov D.G., Dolgikh A.V., Zazovskaya E.P., Shishkov V.A., Kraev G.N. Impact of various types of anthropogenic impact on greenhouse gas emissions in permafrost ecosystems. Dokl. Akad. Nauk., 2017, vol. 477, no. 5, pp. 610–612. (In Russ.). doi 10.7868/S0869565217350225Карелин Д.В., Горячкин С.В., Замолодчиков Д.Г., Долгих А.В., Зазовская Э.П., Шишков В.А., Краев Г.Н. Влияние различных видов антропогенного воздействия на эмиссию парниковых газов в мерзлотных экосистемах // ДАН. 2017. Т. 477. № 5. С. 610–612.Baburin V.L., Badina S.V., Bolysov S.I., Bocharnikov M.V., et al. Natsional’nyi atlas Arktiki [National Atlas of the Arctic]. Moscow: Roskartografiya, 2017. 496 p.Национальный атлас Арктики / ред. Бабурин В.Л., Бадина С.В., Болысов С.И., Бочарников М.В., Бредихин А.В., Ващенкова Е.Н., Вергун А.П., Гаранкина Е.В., Гиппиус Ф.Н., Гладкевич Г.И., Голубева Е.Н., Горячко М.Д., Даньшин А.И., Деев М.Г., Демидов А.Н., Добролюбов С.А., Дубинин Е.П., Емельянова Л.Г., Иванов А.Н., Казьмин М.А., Касимов Н.С., Кириллов П.Л., Кислов А.В., Кокин О.В., Колдобская Н.А., Левик Л.Ю., Леонова Н.Б., Лукьянова С.А., Микляева И.М., Огородов С.А., Платов Г.А., Романенко Ф.А., Румянцев В.Ю., Сафронов С.Г., Соколова Д.В., Солдатов М.С., Соловьёва Г.Д., Сорокина В.Н., Торопов П.А., Тузов Ф.К., Тульская Н.И., Фузеина Ю.Н., Чуженькова В.А., Шабалина Н.В., Яковлев Н.Г. М.: Роскартография, 2017. 496 с.The trust “Arktikugol”. The official site of FSUE “GT” Arktikugol, 2019. Available at: http://www.arcticugol.ru/index.php/about/trest-arktikugol (accessed: 07.08.2019). (In Russ.).Трест “Арктикуголь”. Официальный сайт ФГУП «ГТ “Арктикуголь”». http://www.arcticugol.ru/index.php/about/trest-arktikugolAnderson M.J., Gorley R.N., Clarke R.K. PERMANOVA+ for PRIMER: Guide to Software and Statistical Methods. Plymouth: PRIMER-E Ltd, 2008. 214 p.Anderson M.J., Gorley R.N., Clarke K.R. PERMANOVA+ for PRIMER: guide to software and statistical methods. Plymouth: PRIMER-E Ltd., 2008. 214 p.IPCC. Climate Change 2014: Synthesis Report: Contribution of Working Groups I, II, and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Core Writing Team, Pachauri R.K., Meyer L.A., Eds. Geneva, Switzerland: IPCC, 2014. 151 p.Climate change 2014: Synthesis Report: Contribution of Working Groups I, II, and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva: IPCC, 2014. 151 p.Tishkov A.A. The ecosystems of the west coast of Spitsbergen (Svalbard archipelago). Polar Geogr., 1985, vol. 9, no. 1, 1985, pp. 70–83.Tishkov A.A. The ecosystems of the west coast of Spitsbergen (Svalbard archipelago) // Polar Geogr. and Geol. 1985. № 9 (1). P. 70–83.Tarnokai 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 Biogeochem. Cy., 2009, vol. 23, no. 2, pp. 1–11.Tarnokai 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 Biogeochem. Cycles. 2009. V. 23. P. 1–11.Yakushev V.S., Chuvilin E.M. Natural gas and gas hydrate accumulations within permafrost in Russia. Cold Regi. Sci. Technol., 2000, vol. 31, no. 3, pp. 189–197.Yakushev V.S., Chuvilin E.M. Natural gas and gas hydrate accumulations within permafrost in Russia // Cold regions science and technology. 2000. V. 31. P. 189–197.