Процессы образования парниковых газов в болотах Горного Алтая

Рис. 1. Низинное болото с пушицей (Западная Сибирь)

В связи с беспокойством о последствиях увеличения содержания парниковых газов в атмосфере и попытками долговременного прогнозирования ситуации проводятся детальные исследования процессов запасания и выделения (эмиссии) парниковых газов разными биотопами. Широко известна депонирующая (накапливающая) роль торфяных болот в круговороте углерода, но в них также идут процессы разложения органики, а, следовательно, происходит выделение парниковых газов. Многолетние наблюдения и сравнительный анализ биохимических процессов, происходящих в горных торфяных болотах, выявили особенности биохимического состава Горно-Алтайских болот и степень их участия в формировании эмиссии парниковых газов.

Начиная с позднего плейстоцена, для которого концентрация диоксида углерода в атмосфере известна на основании результатов анализов пузырьков воздуха из антарктических и гренландских ледяных кернов (200 ppmv), содержание СО₂ все время увеличивалось (Sundquist, 1993). Роль континентальной биоты во флуктуациях концентрации атмосферного СО₂ до сих пор окончательно не ясна, но большинство специалистов считает, что биомасса и почвы служили нетто-стоком атмосферного диоксида углерода.

В увеличении почвенного пула углерода, несомненно, оказалась велика роль развития болот и накопления в них торфа.

В России общая площадь оторфованных и заболоченных земель – 3.691 млн км² или 21% территории страны (Рис. 1). Ежегодно в мире продолжает заболачиваться около 66 тыс. га территории. Хорошо это или плохо? Но есть другая сторона этого процесса – одновременно с накоплением углерода в виде торфяной залежи происходит и ее разложение. При этом выделяются парниковые газы СН₄ и СО₂.

До сих пор ученые продолжают спорить по многим вопросам: какие болота и сколько выделяют парниковых газов, где в торфяной залежи они образуются, какую роль играет генезис болот и их расположение по территории на активность биохимических процессов и эмиссию (выделение) парниковых газов и др.

И очень недавно ученые обратили внимание на микробиологические процессы превращения торфа в торфяные залежи болот. В торфе содержится тьма микроорганизмов. Активная их роль в разрушении растительного вещества связана с метаболизмом: в клетку бактерий могут поступать только простые органические вещества. Приходится им разлагать высокомолекулярные соединения до простых сахаров, жиров и аминокислот. Работа по разрушению органики передается от одной группы микроорганизмов, аммонификаторов и гумусоразрушителей к другой и т. д., пока сложное органическое вещество не будет разрушено до состояния простых органических веществ. Во время этих превращений и происходит выделение парниковых газов СН₄ и СО₂. Однако полностью торф никогда не разрушается, так как микрофлора болот живет в неблагоприятных условиях: высокой обводненности, низких температурах, кислой среде, труднодоступном кислороде. Определить соотношение этих процессов, суметь составить прогноз превращения торфов в процессе разрушения и синтеза (процесс и называется торфообразованием) – важная задача ученых.

В данной работе для изучения микрофлоры и выделения парниковых газов определены горные торфяные болота (Северо-Восточный Алтай), так как количественные аспекты этих процессов в этих болотах остаются не исследованными (Рис. 2).

Рис. 2. Горное болото Черчёк (Сказка)

На низинном (Турочак) и переходном (Кутюшское) болотах (Турочакский район Республики Алтай) в течение многих лет, начиная с 2009г., изучается микрофлора разными современными методами, а также ведутся наблюдения за условиями, в которых трудится микрофлора. Это состояние влажности, температуры, питательных элементов и др.

В результате в торфяных залежах горных болот разного образования впервые удалось получить количественные параметры содержания разных форм микроорганизмов (Рис. 3 и 4).

Рис. 3. Колонии актиномицетов в торфяных болотах, увеличение в 75 раз

Оказалось, что распределение их по профилю торфяной залежи (мощность исследуемых болот 2-5 м) зависит от взаимодействия разных групп микроорганизмов, а также внешних условий в самой торфяной залежи (ботанического состава торфяной залежи, реакции среды, химических свойств торфов и др.). Были выявлены особенности биохимического состава Горно-Алтайских болот и степень их участия в формировании эмиссии парниковых газов болот. За период исследований получены экстремальные значения эмиссии горных болот по СО₂ 3.07- 93.2, по СН₄ /- 1.6/ - 11.3 мг/м²ч.

Доказано, что в отличие от ранее известного положения, биохимические процессы разной направленности активны в торфяном профиле до подстилающих пород. Но их состав и степень проявления активности в разных частях торфяных залежей (ТЗ) различны. В нижнем слое ТЗ, прошедшем стадию болотообразования, происходит замедление и качественное изменение биохимических процессов, а процесс аэробного разложения передвигается вверх вместе с нарастающей ТЗ вверх при сохранении биохимической активности в факультативно анаэробной среде в глубине ТЗ.

Рис. 4. Разнообразие грибной микрофлоры

Степень биохимической активности определяется физическими свойствами и биохимическими процессами, в результате которых в ТЗ формируются локальные анаэробно-аэробные условия, свидетельствующие о наличии в затопленной ТЗ окислительных условий. Об этом же свидетельствует динамика каталазы, активность которой свидетельствует о наличии в ТЗ кислорода.

Плотность бактериальных сообществ (грибы, мицелий, споры) постепенно снижается в торфяном профиле в сторону подстилающей породы. Но значительно больше актиномицетного мицелия в ТЗ болота Турочак (в 2 раза) по сравнению с более бедным по содержанию элементов питания Кутюшским болотом.

Сравнение динамики микробобиохимических процессов в Горно-Алтайских болотах с аналогичными типами болот юго-восточной части Западно-Сибирской низменности показывает: значительно большую их активность в ТЗ, большее выделение СН₄ и СО₂ именно Горно-Алтайскими болотами.

Исследования не подтвердили четкой зависимости динамики биохимических процессов (а также и эмиссии парниковых газов) от погодных условий вегетационного периода, что позволяет предположить, что это взаимовлияние накапливается в течение более продолжительного времени, вследствие особых гидрофизических свойств горных торфяных болот, что необходимо учитывать при моделировании.