Эмиссия парниковых газов из почв холодных областей Евразии – как и чем она регулируется?

Территориальное влияние землепользования в арктических регионах сопоставимо с влиянием изменений климата по своему эффекту на почвенную эмиссию и нетто-баланс CO2, а поселения и промышленные зоны в Арктике функционируют как круглогодичные источники CO2, главным образом, вследствие уничтожения растительного покрова.

К такому выводу пришел коллектив авторов статьи, вышедшей в журнале «Geoderma Regional», под  руководством ведущего научного сотрудника отдела географии и эволюции почв ИГРАН Д.В. Карелина.

Статья посвящена проблеме выделения главных биогенных парниковых газов (ПГ) из почв, которые сформировались в условиях низких температур. Почему это важно? В современной глобальной экологии по-прежнему одной из «огнедышащих» точек приложения сил остается динамика и превращения в биосфере углекислого газа, СО2. Тому есть две причины. Первая – его необходимое участие в самом быстром (и, вероятно, потому самом распространенном) цикле углерода, на котором основан привычный нам мир, его участие в «созидательном» процессе образования органического вещества (фотосинтезе) и в «разрушительной» части этого цикла – дыхании, самом эффективном из известных в природе процессах получения энергии организмами через окисление этого вещества. Вторая причина – это газ, участвующий в регуляции температуры тропосферы, причем на сегодня важнейший, потому что вклад изменений его воздушной концентрации в общий парниковый эффект сейчас наибольший.

Таким образом, СО2 – наиболее удачная, универсальная «разменная монета» в современном балансе биосферы, возникшем в ходе ее эволюции, продукт длительного естественного отбора. Отсюда понятно, что стремительное и масштабное вмешательство человека в сложившийся баланс этого газа через сжигание ископаемого топлива, сведение лесов и, наконец, использование земель для своих целей, становится важным фактором как климата, так и динамики самих экосистем. Кроме того, пока неясно, какую именно долю вносят в общий баланс между продукцией и поглощением парниковых газов в биосфере различные формы землепользования. Почва – «сердцевина» самого быстрого из известных нам круговоротов углерода (органического вещества), долговременный «склад» именно тех веществ, которые необходимы для осуществления этого круговорота, а кроме того, среда жизнедеятельности наземной биоты. С почвой связано 50% дыхания биоты Земли (включая океаны), а микроорганизмы, живущие в ней, дополнительно являются источниками около половины глобальных эмиссий двух других важных ПГ – метана (СН4) и закиси азота (N2O). Почвы же обширных холодных регионов планеты (15% суши и 25% органического углерода), львиная доля которых находится в России, кроме того, содержат в подстилающей их многолетней мерзлоте огромные запасы всех трех биогенных ПГ и запасы древнего органического вещества, которое при таянии мерзлоты потенциально может стать их новым источником для атмосферы.

Данные, которые составили основу представляемого исследования, объединяют арктические и ультра-континентальные регионы Евразии, что было бы невозможно без участия многих российских научных групп (Инстиут географии РАН, Институт лесоведения РАН, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино), Институт общей и экспериментальной биологии сибирского отделения РАН (Улан-Удэ, Бурятия), Северо-восточный федеральный университет (Якутск, Саха), Институт биологических проблем криосферы (Якутск, Саха). Полевые наблюдения за почвенной эмиссией ПГ и факторами ее пространственной вариации проводились в августе-сентябре 2014-2018 гг. в 37 биотопах, представляющих все известные антропогенно-измененные экосистемы (формы воздействий) и их природные аналоги в российской Арктике, ультра-континентальных районах Сибири и на архипелаге Шпицберген (всего 18 точек). Статистически обосновано, что землепользование во всех случаях приводит к устойчивому и долговременному изменению почвенной эмиссии и нетто-потоков ПГ в криогенных (подстилаемых многолетней мерзлотой) экосистемах. Суммарный эффект факторов землепользования с наибольшей вероятностью приводит к формированию нетто-источника СО2 для атмосферы на используемой территории. Это связано с остаточным микробным дыханием почвы после антропогенного уничтожения растительности, что может наблюдаться многие годы после того как первичная продукция т.о. сведена к нулю. Для эмиссии и баланса метана, напротив, существенно важнее местные условия дренажа (влажности) почвы, вне зависимости от того, как именно они формируются – в результате действий человека или естественным образом. В целом, факторы землепользования чаще усиливают эмиссию из почвы и нетто-источники углекислого газа и закиси азота, но ослабляют эмиссию метана. Для построения геоинформационных систем, поэтому, следует проводить точные количественные оценки потоков всех трех ПГ в результате известных видов воздействий и их площадей. В ультра-континентальных мерзлотных областях Сибири, несмотря на большее, по сравнению с Арктикой, количество поступающего тепла, недостаток осадков обусловливает здесь более низкие уровни наблюдаемой эмиссии метана и закиси азота. С другой стороны, несмотря на сухость, больший поток тепла способствует более высокой почвенной эмиссии CO2 благодаря увеличенным запасам живой растительной массы (больше продукция газа ризосферой), наличию древесного полога (больше выражен микрорельеф, обязанный мерзлотным пучением и лесными пожарами), более глубокому сезонному протаиванию мерзлоты (больше продукция газа с единицы площади) и более выраженной трещиноватости почвы (облегчение транспорта газа из почвы). Кроме того, т.н. «эффект Бирча», заключающийся в непродолжительном, но интенсивном выделении углекислого газа и оксидов азота из почвы в результате выпадения дождей после периодов засухи, оказался намного менее выражен в ультра-континентальных мерзлотных почвах по сравнению с европейскими почвами. Проведенные модельные оценки показали, что территориальное влияние землепользования в арктических регионах уже сопоставимо с влиянием изменений климата по своему эффекту на почвенную эмиссию и нетто-баланс CO2 за сходные промежутки времени. Поселения и промышленные зоны в Арктике функционируют как круглогодичные источники CO2, главным образом, вследствие уничтожения растительного покрова. В результате они могут компенсировать сток углерода на 100-кратных и более площадях окружающей тундры.

"Исследовательские точки наблюдений и сбора материалов в северной Евразии".


"Почвенная эмиссия СО2 при различных формах антропогенных нарушений по сравнению со своими природными аналогами в арктической зоне Евразии."


"Блок-схема структуры и функционирования ультра-континентальных экосистем. Толщина стрелок отражает силу связи между компонентами".


Коллектив авторов после завершения полевых работ в республике Саха (Якутия)

16/06/2020 - 14:30