Депонирование и эмиссия углерода болотами Западной Сибири

УДК 631.4

Депонирование и эмиссия углерода болотами Западной Сибири

Л. И. Инишева, М. А. Сергеева, О. Н. Смирнов

В работе рассматривается депонирование углерода болотами на примере центральной части Западно-Сибирской равнины. На основании базы данных по эмиссии парниковых газов было проведено ранжирование по заданным интервалам. В первом варианте разработана схема районирования территории Западной Сибири по эмиссии парниковых газов.

Ключевые слова: торфяные болота; Западная Сибирь; углерод; депонирование; парниковые газы; эмиссия.

В России имеется 139 миллионов гектаров болот (слой торфа более 30 см). Большая часть сосредоточена в Западно-Сибирской низменности (до 70—90 %), на севере страны, в таежной зоне и на Дальнем Востоке. Площадь заболоченных земель (со слоем торфа до 30 см) составляет 230 млн га. Согласно оценкам С. Э. Вомперского с соавторами [Вомперский и др., 1994], общая площадь оторфованных земель в России составляет 369 млн га (21,6 % от территории страны). В болотах России сосредоточено 100,9 млрд т углерода. В целом отор-фованные земли представляют один из главных углеродных пулов органического углерода биоты России — 113,5 млрд т. По данным других авторов, содержание депонированного углерода в торфяных болотах России оценивается в 116,5 млрд т и 118,9 млрд т. Некоторые различия в цифрах объясняются слабой изученностью торфяных ресурсов России и неодинаковыми методами расчетов.

Заторфованность территории России различна, наибольшая характерна для Западно-Сибирской равнины и достигает 14 % (рис. 1).

Рис. 1. Заторфованность территории России по федеральным округам

По активности процессов торфообразования Западная Сибирь характеризуется феноменом заболачивания. М. И. Нейштадтом [Ней-штадт, 1977] была прослежена скорость процесса заболачивания на

примере торфяного болота Бакчарское Томской области (табл. 1).

Таблица 1

Развитие процесса заболачивания [Нейштадт, 1977]

Мощность торфяной залежи, м Время, число лет тому назад Заболоченная площадь Площадь, заболачиваемая за год, га

га % общей площади участка

4 9000-8000 3200 1,4 3,2

4-3 8000-6000 33500 14,7 16,7

3 1 ю 6000-4000 64000 28,2 32

2-1 4000-2000 74100 32,3 36,5

1-0 2000-0 53000 23,4 26,5

Данные таблицы свидетельствуют об уменьшении заболачиваемой площади за последние 2000 лет. На самом же деле процесс заболачивания ни в коей мере не затухает. Уменьшение процента заболачи-

ваемой площади связано с распространением болота за его пределы на прилегающую территорию. Средняя заторфованность в этой зоне возросла с 17 % до 25 %. Так образовались огромные торфяные болота: Лайменское (502 км2), Салымо-Юганское (739 км2), Васюганское (53 тыс. км2). Считается, что процесс торфообразования в Западной Сибири прогрессирует, захватывая около 92 км2 ежегодно [Нейштадт, 1977].

Целью наших исследований было определение содержания депонированного углерода в центральной части Западно-Сибирской равнины.

По схеме районирования болот [Болотные системы ..., 2001] исследуемая территория занимает западносибирскую таежную бореаль-но-атлантических выпуклых олиготрофных моховых болот активного заболачивания и западносибирскую подтаежную атлантических плоских эвтрофных травяно-моховых болот умеренного заболачивания. Торфяные ресурсы представлены практически всеми типами болотных биогеоценозов (рис. 2).

Далее рассмотрим депонирование углерода болотами Западной Сибири на примере ее центральной части, охватывающей 2 болотные области и 5 провинций (округа приведены в табл. 2).

Известно, что экосистемы России по содержанию устойчивого Сорг почвы на единицу площади располагаются в ряд: болота, степи, леса [Заварзин, 1994]. Следовательно, болота играют значительную роль в круговороте углерода. Считается, что болота — экосистемы, которые обеспечивают постоянный сток в них углерода. Они смягчают «парниковый эффект» климата за счет накопления углерода в виде органического вещества торфа. В торфяной залежи находятся основные запасы углерода, тогда как в лесных биогеоценозах (БГЦ) запас углерода сосредоточен в древесном ярусе. Несмотря на то, что биологическая продуктивность в лесных экосистемах намного выше по сравнению с болотными, леса имеют значительно более интенсивный

Рис. 2. Районирование болот Западной Сибири по О. Л. Лисс и др. [Болотные системы ..., 2001]

Болотные области: I — западносибирская тундровая пребореально-боре-альных полигональных эвтрофных травяных, травяно-моховых, кустарничково-травяно-моховых, лишайниковых болот слабого торфонакопления; II — западносибирская лесотундровая пребореально-бореальных эвтрофно-олитотрофных бугристых кустарничково-мохово-лишайниковых, мохово-лишайниковых и травяно-моховых болот умеренного торфонакопления; III — западно-сибирская таежная бореально-атлантических выпуклых олиготрофных моховых болот активного заболачивания и интенсивного торфонакопления; IV — западносибирская лесостепная атлантико-суббореальных вогнутых эвтрофных травяных болот слабого заболачивания и торфонакопления; V — степная зона с единичными болотами Болотные провинции: I — арктическая тундровая западно-сибирских эвтрофных травяных и травяно-моховых болот в сочетании с валико-полигональными комплексами и мохово-лишайниковыми пятнистыми тундрами; 1 — типичная тундровая западносибирских эвтрофных полигональных кустарничково-осоково-моховых и не комплексных травяно-моховых болот; 1 — южная тундровая западно-сибирских комплексных трещиновато-полигональных, плоско-бугристых ку-старничково-моховых и не комплексных кустарничково-сфагново-лишайниковых болот; III — северотаежная западносибирских олиготрофных озерково-грядовых и сосново-кустарничково-сфагново-кладиновых болот; Ш — среднетаежная западно-сибирских олиготрофных грядово-мочажинных и сосново-кустарничково-сфагновых болот; Шз — южнотаежная западносибирских олиготрофных сосно-во-кустарничково-сфагновых и грядово-мочажинных, мезотрофных и эвтрофных сосново-березово-осоково-гипновых (или сфагновых) и осоково-гипновых (или сфагновых) болот; III — подтаежная западносибирских атлантических эвтрофных осоково-гипновых болот

круговорот веществ и, следовательно, минерализуется практически все, что ежегодно продуцируется древесным ярусом лесов, в то время как в болотах связывание углерода происходит на длительный период. Специфичность биосферной функции болот обусловлена незамкнуто-стью круговорота веществ, т. е. система получает больше вещества и энергии, чем отдает [Заварзин, 1994].

Особенностью торфяных ресурсов Западной Сибири является высокая концентрация запасов торфа на крупных месторождениях. Более 96 % разведанных запасов торфа Западно-Сибирского района располагаются на 148 торфяных месторождениях площадью свыше 1000 га, более 70 % запасов торфа сосредоточены на 106 крупных торфяных месторождениях, имеющих площади более 50 тыс. га. Среди них выделяется группа уникальных торфяных месторождений, таких как Ва-сюганское (53 тыс. км2), Кациярское (132 км2), Ламинское (502 км2), Салымо-Юганское (732 км2).

В Западной Сибири площадь торфяных болот достигает 42 % от территории болот России (30 млн га), именно на этой территории в болотах сосредоточено 36 % от депонированного углерода России [Ефремов, 1994; Болотные системы ..., 2001].

Нами были подсчитаны площади болот, средние глубины и запасы торфа по типовым участкам в границах промышленной залежи (0,7 м) как для всей территории центральной части Западной Сибири, так и для выделенных (согласно предложенному нами районированию) областей, провинций и округов. Заторфованность определялась с учётом общих площадей контуров, выделенных в результате районирования, и площадей болот, расположенных в их пределах. При расчётах были использованы кадастровые справочники по Тюменской, Томской, Новосибирской и Омской областям, а также крупномасштабные топографические карты. По нашим подсчётам, общая площадь торфяных болот центральной части Западной Сибири (в границах промышлен-

ной залежи) составляет 40661 тыс. га при средней глубине торфяных отложений 2,7 м. Запасы торфа исчисляются в 920 млрд м3.

Подсчёт запаса депонированного углерода производился с учётом средней глубины залежи и объёмного веса. Были приняты следующие показатели объёмной массы и содержания углерода на органическую массу: для низинных залежей — 0,133 г/см3 (55,3 %); для переходных и смешанных 0,085 г/см3 (56,03 %); для верховых — 0,073 г/см3 (55,5 %).

Запасы депонированного углерода в торфах Западной Сибири учитывают только охваченные поисками и разведкой торфяные болота с мощностью торфа более 0,7 м. Процент заболоченности указывает на соотношение разведанных торфяных болот и незаболоченной территории, в которую входят также болота с мощностью торфа менее 0,7 м, что косвенно характеризует занижение запасов депонированного углерода. Распределение депонированного углерода по отдельным регионам центральной части Западной Сибири представлено в таблице 2. В целом в торфяных месторождениях этого региона депонированного углерода содержится 42,3 млрд т, большая часть (76 %) приходится на таежную провинцию бореально-антлантических выпуклых олиго-трофных болот активного заболачивания, что составляет 32,1 млрд т углерода, из которых 20,3 млрд т депонировано в торфяных месторождениях южнотаежного округа. Практически поровну распределились запасы углерода между верховыми типами залежей (21,8 млрд т) и в сумме переходными смешанными и низинными (20,8 млрд т).

По собственным и литературным источникам была сформирована база данных (БД) по эмиссии парниковых газов из болот и получено на нее свидетельство. Модель БД достаточно проста, так как практически основывается на единственном основном понятии — отношении. В то же время эта модель является полностью формализованной, т. е. основанной на формальном математическом аппарате. В рамках этой мо-

Запасы углерода в торфяных болотах центральной части Западно-Сибирской равнины в соответствии с районированием, разработанным О. Л. Лисс и др. [Болотные системы ..., 2001 ]

Территориальные единицы Заторфован-ность территории, % Запасы углерода по типовым участкам, тыс. т

область провинция округ олиготроф- ный мезотрофный и смешанный эвтрофный

Западно-Сибирская таежная бореаль-но-атлантиче-ских выпуклых олиготрофных моховых болот активного заболачивания и интенсивного торфонако-пления Северотаежная III, Итого по провинции 50 2288154,7 631121,2 11888,7

Средне-таежная Ш2 Кондинский 51 2714362,9 942685,1 279333,0

Салымо-Юган- ский 34 2724063,1 527099,4 88622,9

Тым-Вахский 29 846052,0 39122,1 21822,8

Кеть-Тымский 31 246890,0 284295,1 98290,7

Итого по провинции 39 26531368,1 1793201,8 488069,4

Южно-таежная Ш3 Тавдинский 46 8492,1 5844,1 195123,9

Васюганский 39 9354593,4 1503917,1 8740336,7

Кеть-Чулымский 9 89974,4 53760,8 72041,1

Обь-Чулымский 24 48541,6 92777,2 150407,0

Итого по провинции 32 9501601,7 1656273,1 9157908,8

НАУЧНЫЙ ДИАЛОГ. 2012 Выпуск № 7. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И ЭКОЛОГИЯ

СП

Территориальные единицы Заторфован-ность территории, % Запасы углерода по типовым участкам, тыс. т

область провинция округ олиготроф- ный мезотрофный и смешанный эвтрофный

Подтаежная Североболото- Ишимский 21 9228,2 15339,3 658413,3

Северобарабин- ский 41 3489617,9 885361,7 5300014,2

Чулымский 8 - 574,2 58794,9

Итого по провинции 25 3498846,1 902275,2 6083190,4

Западно-Сибирская лесостепная атлан-тико-субборе-альных вогнутых эвтрофных травяных болот пассивного заболачивания Лесостепная IV Южнотоболо- Ишимский 3 2878,1 607,6 45700,6

Южнобарабин- ский 15 24635,8 6236,0 88329,8

Барнаульский 3 - - 225,7

Итого по провинции 8 29444,7 6843,6

Итого по центральной части Западно-Сибирской равнины 30 21849416,0 4989713,6 15809345,4

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ Выпуск № 7 / 2012

дели поддерживаются различные средства манипулирования данными, в том числе абстрактная реляционная алгебра, а также более удобные и распространенные языки QBE и SQL (Structured Query Language — язык структурированных запросов). В нашем случае в качестве базовой СУБД выбрана mySQL. В настоящее время БД частично наполнена информацией.

На основании БД по эмиссии парниковых газов была проведена статистическая обработка всей выборки (табл. 3).

Таблица 3

Статистические параметры по БД «Эмиссия парниковых газов»

Статистические характеристики Верховые болота Низинные болота

со2 сн4 со2 сн4

Среднее, мг С/м2/ч 94,37 3,99 122,44 1,39

Минимальное, мг С/м2/ч 4,6 -4,73 478,9 -0,11

Максимальное, мг С/м2/ч 403 41,1 14,4 5,65

Стандартное отклонение 72,17 7,19 114,18 1,57

Средняя квадратическая ошибка 9,73 0,64 24,92 0,29

Число наблюдений 55 126 121 128

В последующем, выборка была ранжирована по следующим интервалам: для СН4 — 40—8, 8—3, менее 3 мг С/м2/ч; для СО2 — 400— 200, 200—100, менее 100 мг С/м2/ч. На основе проведенных расчетов была разработана схема районирования территории Западной Сибири по эмиссии парниковых газов (рис. 3). Основой для районирования послужила контурная карта Западной Сибири масштаба М 1:15000 и болотное районирование [Болотные системы ..., 2001].

В зонах болотного районирования Ш-1 — Ш-4 средняя эмиссия метана чаще измеряется величиной менее 3 мг С/м2/ч. Вместе с тем в пределах зон Ш-2 и Ш-3 показатели эмиссии метана могут иметь значения 3—8 мг С/м2/ч и значительно реже — более 8 мг С/м2/ч, до-

Рис. 3. Районирование заболоченной территории Западной Сибири по эмиссии парниковых газов:

Левая половина диаграммы представляет эмиссию СН4, %; правая половина — эмиссию СО2, %. Болотные области и провинции те же, что на рис. 2.

стигая изредка 40 мг С/м2/ч. Средняя эмиссия СО2 в пределах 400— 200 мг С/м2/ч отмечается только в зонах Ш-1, Ш-3 и Ш-4. Преобладающие значения эмиссии СО2 по всем болотным провинциям составляют 200—100 мг С/м2/ч. В южной части болотной провинции Ш-1 (район г. Сургута), а также в северной части провинции Ш-3 преобладают значения СО2 менее 100 мг С/м2/ч.

Таким образом, центральная часть Западной Сибири характеризуется наибольшей заболоченностью (50 %), высокой заторфован-ностью (35,6 %) и преобладанием крупных торфяных болот. Данная часть этой территории по проявлению процесса торфообразования может быть выбрана в качестве модельной для проведения фундаментальных научных исследований по изучению депонирования и эмиссии углерода в болотах. По нашим подсчётам, общая площадь торфяных болот центральной части Западной Сибири (в границах промышленной залежи) составляет 40661 тыс. га при средней глубине торфяных отложений 2,7 м. Запасы торфа исчисляются в 920 млрд м3.

В целом в торфяных месторождениях этого региона депонированного углерода содержится 42,3 млрд т, большая часть (76 %) приходится на таежную провинцию бореально-антлантических выпуклых оли-готрофных болот активного заболачивания, что составляет 32,1 млрд т углерода, из которых 20,3 млрд т депонировано в торфяных месторождениях южно-таежного округа. Практически поровну распределились запасы углерода между верховыми типами залежей (21,8 млрд т) и в сумме переходными смешанными и низинными (20,8 млрд т).

В первом приближении проведено районирование территории центральной части Западной Сибири по эмиссии парниковых газов.

Литература

1. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение / О. Л. Лисс и др. — Москва : Гриф и К, 2001. — 584 с.

2. Вомперский С. Э. Заболоченные органогенные почвы и болота России и запас углерода в их торфах / С. Э. Вомперский, А. И. Иванов, О. П. Цыганова // Почвоведение. — 1994. — № 12. — С. 17—25.

3. Ефремов С. П. Запасы углерода в экосистемах болот / С. П. Ефремов, Т. Т. Ефремова, Н. В. Мелентьева // Углерод в экосистемах лесов и болот России. — Красноярск, 1994. — С. 128—139.

4. Заварзин Г. А. Цикл углерода в природных экосистемах России / Г. А. Заварзин // Природа. - 1994. - № 7. - С.15—18.

5. Нейштадт М. И. Возникновение и скорость развития процесса заболачивания / М. И. Нейштадт // Научные предпосылки освоения болот Западной Сибири. — Москва : Наука, 1977. — С. 39—48.

© Инишева Л. И., Сергеева М. А., Смирнов О. Н., 2012

Carbon Deposition and Emission by Bogs of Western Siberia

L. Inisheva, M. Sergeeva, O. Smirnov

Bogs' carbon deposition is studied in this work by the example of the central part of the West Siberian Plain. Greenhouse gas emissions are ranked by specified intervals based on the corresponding databases. The authors have developed the first variant of a zoning scheme on greenhouse gas emissions for the Western Siberia territory.

Key words: peat bogs; Western Siberia; carbon; deposition; greenhouse gases; emission.

Инишева Лидия Ивановна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член-корреспондент Российской академии сельскохозяйственных наук (РАСХН), Томский государственный педагогический университет (Томск), agroecol@yandex.ru.

Inisheva, L., Doctor of Agricultural Sciences, professor, corresponding member of the Russian Academy of Agricultural Sciences, Tomsk State Pedagogical University (Tomsk), agroecol@yandex.ru.

Сергеева Маргарита Александровна, кандидат биологических наук, доцент, Томский государственный педагогический университет (Томск), MASerg@mail.ru.

Sergeeva, M., PhD in Biological Sciences, associate professor, Tomsk State Pedagogical University (Tomsk), MASerg@mail.ru.

Смирнов Олег Николаевич, аспирант, Томский государственный педагогический университет (Томск), agroecol@yandex.ru.

Smirnov, O., post-graduate student, Tomsk State Pedagogical University (Tomsk), agroecol@yandex.ru.