Диоксид углерода в почвенных и поверхностных водах севера Западной Сибири: методические аспекты и количественные показатели

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Растворенный неорганический углерода является существенным компонентом углеродного цикла, особенно в северных регионах, в то же время его потери через водные объекты до сих пор редко включаются в региональные углеродные модели. В задачи работы входило подробное освещение методического подхода выравнивания концентраций к изучению содержания растворенного CO₂ в почвенных и поверхностных водах, а также оценка диапазона величин концентрации CO₂ в водах разного генезиса в ландшафтах севера Западной Сибири. В результате проделанной методической работы выработан и представлен протокол измерения концентрации CO₂ в водах методом выравнивания концентраций с подробными расчетами. Концентрация CO₂ в почвенных (надмерзлотных) и поверхностных водах (речных, болотных, озерных и др.) колебалась от 13 до 2983 мкмоль/л (274 до 57000 мкатм), абсолютное большинство объектов было пересыщено CO₂ по отношению к атмосфере. Максимальными величинами концентраций характеризуются надмерзлотные почвенные и болотные воды; минимальными – воды аквальных экосистем: термокарстовые и лесные озера. Высокая вариабельность содержания CO₂ в водах обусловливает необходимость большого числа измерений для получения адекватных оценок.

Об авторах

О. Ю. Гончарова

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: goncholgaj@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

М. В. Тимофеева

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова; Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: goncholgaj@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; Пыжевский пер., 7, Москва, 119017

Г. В. Матышак

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: goncholgaj@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

А. В. Исаева

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля

Email: goncholgaj@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; ул. Глебовская, 20б, Москва, 107258

Список литературы

  1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
  2. Верещагин Г.Ю. Методы полевого гидрохимического анализа в их применении к гидрологической практике. Л.: ГГИ, 1930. 135 с.
  3. Гончарова О.Ю., Тимофеева М.В., Матышак Г.В. Диоксид углерода в природных почвенных, грунтовых и поверхностных водах арктических и бореальных регионов: роль, источники, методы определения (обзор) // Почвоведение. 2023. № 3. С. 321–338. https://doi.org/10.31857/S0032180X22601025
  4. Инишева Л.Н. Закономерности функционирования болотных экосистем в условиях воздействия природных и антропогенных факторов: монография. Томск: Изд-во ТГПУ, 2020. 482 с.
  5. Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. Новосибирск: Наука, 1983. 165 с.
  6. Матышак Г.В., Богатырев Л.Г., Гончарова О.Ю., Бобрик А.А. Особенности развития почв гидроморфных экосистем северной тайги Западной Сибири в условиях криогенеза // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1155–1164. https://doi.org/10.7868/S0032180X17100069
  7. Орехов П.Т. Аквальные природные комплексы северной тайги Западной Сибири // Криосфера Земли. 2010. Т. 14. № 2. С. 23–28.
  8. Пипко И.И., Пугач С.П., Савичев О.Г., Репина И.А., Шахова Н.Е., Моисеева Ю.А., Барсков К.В., Сергиенко В.И., Семилетов И.П. Динамика растворенного неорганического углерода и потоков CO₂ между водой и атмосферой в главном русле реки Обь // Доклады АН. 2019. Т. 484. № 6. С. 691–697.
  9. Понизовский А.А., Пинский Д.Л., Воробьева Л.А. Химические процессы и равновесия в почвах. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 102 с.
  10. Природные условия и естественные ресурсы СССР: Западная Сибирь. М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1963. 490 с.
  11. Смагин А.В. Газовая фаза почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. 301 с.
  12. Тимофеева М.В., Гончарова О.Ю., Матышак Г.В., Чуванов С.В. Потоки углерода в экосистеме торфяно-болотного комплекса криолитозоны Западной Сибири // Геосферные исследования. 2022. № 3. С. 109–125.
  13. Aufdenkampe A.K., Mayorga E., Raymond P.A., Melack J.M., Doney S.C., Alin S.R., Aalto R.E., Yoo K. Riverine coupling of biogeochemical cycles between land, oceans, and atmosphere // Frontiers Ecology Environ. 2011. V. 9. № 1. P. 53–60. https://doi.org/10.1890/100014
  14. Billett M.F., Moore T.R. Supersaturation and evasion of CO₂and CH4 in surface waters at Mer Bleue peatland, Canada // Hydrol. Process. 2008. V. 22. № 12. P. 2044–2054. https://doi.org/10.1002/hyp.6805
  15. Cole J.J., Prairie Y.T. Dissolved CO₂// Encyclopedia of Inland Waters. Elsevier, 2009. P. 30–34. https://doi.org/10.1016/B978-012370626-3.00091-0
  16. Cole J.J., Prairie Y.T., Caraco N.F., McDowell W.H., Tranvik L.J., Striegl R.G., Duarte C.M., Kortelainen P., Downing J.A., Middelburg J.J., Melack J. Plumbing the Global Carbon Cycle: Integrating Inland Waters into the Terrestrial Carbon Budget // Ecosystems. 2007. V. 10. № 1. P. 172–185. https://doi.org/10.1007/s10021-006-9013-8
  17. Dean J.F., Meisel O.H., Martyn Rosco M., Marchesini L.B., Garnett M.H., Lenderink H., Logtestijn R. van, Borges A.V., Bouillon S., Lambert T., Röckmann T., Maximov T., Petrov R., Karsanaev S., Aerts R., Huissteden J. van, Vonk J.E., Dolman A.J. East Siberian Arctic inland waters emit mostly contemporary carbon // Nat Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 1627. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15511-6
  18. Grace J., Malhi Y. Carbon dioxide goes with the flow // Nature. 2002. V. 416. № 6881. P. 594–594. https://doi.org/10.1038/416594b
  19. Greenhouse gas emissions – fluxes and processes: hydroelectric reservoirs and natural environments. Berlin: Springer, 2005. 732 p.
  20. GHG measurement guidelines for freshwater reservoirs: derived from: The UNESCO/IHA Greenhouse Gas Emissions from Freshwater Reservoirs Research Project / Ed. Goldenfum J.A. London: Intern. Hydropower Association (IHA), 2010. 138 p.
  21. Hope D., Billett M.F., Cresser M.S. A review of the export of carbon in river water: Fluxes and processes // Environ. Poll. 1994. V. 84. № 3. P. 301–324. https://doi.org/10.1016/0269–7491(94)90142–2
  22. Hope D., Palmer S.M., Billett M.F., Dawson J.J.C. Carbon dioxide and methane evasion from a temperate peatland stream // Limnol. Oceanogr. 2001. V. 46. № 4. P. 847–857. https://doi.org/10.4319/lo.2001.46.4.0847
  23. Hope D., Palmer S.M., Billett M.F., Dawson J.J.C. Variations in dissolved CO₂and CH4 in a first-order stream and catchment: an investigation of soil-stream linkages // Hydrological Processes. 2004. V. 18. № 17. P. 3255–3275. https://doi.org/10.1002/hyp.5657
  24. Kling G.W., Kipphut G.W., Miller M.C. The flux of CO₂and CH4 from lakes and rivers in arctic Alaska // Hydrobiologia. 1992. V. 240. № 1–3. P. 23–36. https://doi.org/10.1007/BF00013449
  25. Koschorreck M., Prairie Y.T., Kim J., Marcé R. Technical note: CO₂is not like CH4 – limits of and corrections to the headspace method to analyse pCO₂in fresh water // Biogeochemistry. Greenhouse Gases. 2020. https://doi.org/10.5194/bg-2020-307
  26. Neal C., House W., Down K. An assessment of excess carbon dioxide partial pressures in natural waters based on pH and alkalinity measurements // Sci. Total Environ. 1998. V. 210–211. P. 173–185. https://doi.org/10.1016/S0048-9697(98)00011-4
  27. Oil L., Halbedel (née Angelstein) S. Advances in the headspace equilibration technique for CO₂sampling // Protocol Exchange. 2015. P. 1–18. https://doi.org/10.1038/protex.2015.085
  28. Öquist M.G., Wallin M., Seibert J., Bishop K., Laudon H. Dissolved inorganic carbon export across the soil/stream interface and its fate in a boreal headwater stream // Environ. Sci. Technol. 2009. V. 43. № 19. P. 7364–7369. https://doi.org/10.1021/es900416h
  29. Prairie Y.T., Bird D.F., Cole J.J. The summer metabolic balance in the epilimnion of southeastern Quebec lakes // Limnol. Oceanogr. 2002. V. 47. № 1. P. 316–321. https://doi.org/10.4319/lo.2002.47.1.0316
  30. Rantakari M., Kortelainen P., Vuorenmaa J., Mannio J., Forsius M. Finnish Lake Survey: the role of catchment attributes in determining nitrogen, phosphorus, and organic carbon concentrations // Water, Air, Soil Poll. Focus. 2004. V. 4. № 2/3. P. 683–699. https://doi.org/10.1023/B: WAFO.0000028387.61261.96
  31. Raudina T.V., Loiko S.V., Lim A., Manasypov R.M., Shirokova L.S., Istigechev G.I., Kuzmina D.M., Kulizhsky S.P., Vorobyev S.N., Pokrovsky O.S. Permafrost thaw and climate warming may decrease the CO2, carbon, and metal concentration in peat soil waters of the Western Siberia Lowland // Sci. Total Environ. 2018. V. 634. P. 1004–1023. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.059
  32. Repo M.E., Huttunen J.T., Naumov A.V., Chichulin A.V., Lapshina E.D., Bleuten W., Martikainen P.J. Release of CO₂and CH4 from small wetland lakes in western Siberia // Tellus B.: Chem. Phys. Meteorol. 2007. V. 59. № 5. P. 788. https://doi.org/10.1111/j.1600-0889.2007.00301.x
  33. Roehm C.L., Prairie Y.T., Giorgio P.A. del. The pCO₂dynamics in lakes in the boreal region of northern Québec, Canada: LAKE pCO₂dynamics in Boreal Lakes // Global Biogeochem. Cycles. 2009. V. 23. № 3. https://doi.org/10.1029/2008GB003297
  34. Shirokova L.S., Pokrovsky O.S., Kirpotin S.N., Desmukh C., Pokrovsky B.G., Audry S., Viers J. Biogeochemistry of organic carbon, CO2, CH4, and trace elements in thermokarst water bodies in discontinuous permafrost zones of Western Siberia // Biogeochemistry. 2013. V. 113. № 1–3. P. 573–593. https://doi.org/10.1007/s10533-012-9790-4
  35. Striegl R.G., Dornblaser M.M., McDonald C.P., Rover J.A., Stets E.G. Carbon dioxide and methane emissions from the Yukon River system // Global Biogeochem. Cycles. 2012. V. 26. № 4. P. 2012GB004306. https://doi.org/10.1029/2012GB004306
  36. Vachon D., Sponseller R.A., Karlsson J. Integrating carbon emission, accumulation and transport in inland waters to understand their role in the global carbon cycle // Global Change Biology. 2021. V. 27. № 4. P. 719–727. https://doi.org/10.1111/gcb.15448.
  37. Wehrli B. Conduits of the carbon cycle // Nature. 2013. V. 503. № 7476. P. 346–347. https://doi.org/10.1038/503346a
  38. Weiss R.F. Carbon dioxide in water and seawater: the solubility of a non-ideal gas // Marine Chem. 1974. V. 2. № 3. P. 203–215. https://doi.org/10.1016/0304-4203(74)90015-2
  39. Worrall F., Burt T., Adamson J. Fluxes of dissolved carbon dioxide and inorganic carbon from an upland peat catchment: implications for soil respiration // Biogeochemistry. 2005. V. 73. № 3. P. 515–539. https://doi.org/10.1007/s10533-004-1717-2
  40. Yoon T.K., Jin H., Oh N.-H., Park J.-H. Technical note: Applying equilibration systems to continuous measurements of CO₂ in inland waters // Biogeosciences. 2016. V. 13. P. 3915–3930. https://doi.org/10.5194/bg-2016-54

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Объекты исследования: 1 — река Лонг-Юган; 2а — лесной ручей; 2б — лесное озеро; 3а1, 3а2 — термокарстовые озера; 3б — торфянико-болотные озера (дистрофные озерки); 3в — озера грядово-мочажинного комплекса; 5 — “подпертые воды”. Развернутое описание объектов представлено в тексте.

Скачать (714KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема перекачки пробы воздуха после уравновешивания свободного пространства из большого шприца в малый (рисунок М.А. Чепурновой).

Скачать (82KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты методической работы по определению парциального давления CO₂ для вод методом уравновешивания свободного пространства (представлены среднее и стандартная ошибка среднего). а — эксперимент с различным временем встряхивания шприцов и временем уравновешивания, b — эксперимент с различным соотношением водной и воздушных фаз и условий уравновешивания (температура), в воде или на воздухе.

Скачать (141KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Парциальное давление CO₂ в надмерзлотных и поверхностных водах севера Западной Сибири (а): 1 — река Лонг-Юган; 2а — лесной ручей; 2б — лесное озеро; 3а1, 3а2 — термокарстовые озера; 3б — торфянико-болотные озера (дистрофные озерки); 3в — озера грядово-мочажинного комплекса; 4 — надмерзлотные воды; 5 — “подпертые воды” (развернутое описание объектов представлено в тексте, представлены средние значения, ошибка среднего и выбросы, шкала логарифмическая). b — результаты исследования содержания CO₂ в водах разного происхождения по трансекте, пересекающей основные элементы торфяно-болотного комплекса и прилегающих лесных экосистем (без штриховки — воды заросшего лесного ручья и торфянико-болотных озерков, штриховка — надмерзлотные воды торфяников, сплошная заливка — краевые точки озерков в непосредственной близости от торфяников).

Скачать (175KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024