Соотношение углерода и азота и вариации стабильных изотопов углерода в торфе, перекрывающем пальза у поселка Елецкий

Васильчук Алла Константиновна доктор географических наук ведущий научный сотрудник, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, ГСП-1, 1, географический факультет, НИЛ геоэкологии Севера Vasil'chuk Alla Constantinovna Doctor of Geography Leading Research Fellow, Laboratory of Geoecology of the Northern Territories, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, Leninskie Gory, GSP-1, 1,, geograficheskii fakul'tet, NIL geoekologii Severa alla-vasilch@yandex.ru Другие публикации этого автора     Васильчук Юрий Кириллович ORCID: 0000-0001-5847-5568 доктор геолого-минералогических наук профессор, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119991, Россия, г. Г Москва, ул. Leninskie Gory,, 1, оф. 2009 Vasil'chuk Yurij Kirillovich Doctor of Geology and Mineralogy Professor, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str.,, 1, of. 2009 vasilch_geo@mail.ru Буданцева Надежда Аркадьевна ORCID: 0000-0003-4292-5709 кандидат географических наук старший научный сотрудник, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007 Budantseva Nadine Arkad'evna PhD in Geography Senior Scientific Associate, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory str., 1, office 2007 nadin.budanceva@mail.ru Другие публикации этого автора     Блудушкина Любовь Бахтияровна ORCID: 0000-0003-2422-8790 инженер, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв 119991, Россия, г. Moscow, ул. Leninsky Gory, 1, оф. 2007 Bludushkina Lyubov' Bakhtiyarovna Engineer, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Leninsky Gory, 1, office 2007, Moscow, Russia bludushkina19@mail.ru Васильчук Джессика Юрьевна ORCID: 0000-0002-4855-8316 младший научный сотрудник, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова 119991, Россия, Москва область, г. Moscow, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007 Vasil'chuk Jessica Yur'evna Junior Researcher, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Leninskie Gory 1, office 2007, Moscow, Russia jessica.vasilchuk@gmail.com Другие публикации этого автора     Гинзбург Александр Павлович бакалавр, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2007 Ginzburg Alexander Pavlovich Bachelor, Department of Landscape Geochemistry and Soil Geography, Faculty of Geography, Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, Moscow, Leninskie Gory, 1, office 2007 alexandrginzburg13154@yandex.ru

Слышкина Елена Сергеевна Начальник лаборатории, АО "Атомэнергопроект" 119234, Россия, г. Москва, ул. Подольских Курсантов, 1, оф. 250 Slyshkina Helen Sergeevna Head of the Laboratory, JSC Atomenergoproekt 119234, Podol'skikh Kursantov str., 1, office 250, Moscow, Russia lena.slyshkina@gmail.com Другие публикации этого автора

Работа выполнена в рамках фундаментальной госбюджетной темы "Эволюция, современное состояние и прогноз развития береговой зоны Российской Арктики (ГЗ)", номер ЦИТИС: 121051100167-1

Введение

В настоящее время динамика бугристых торфяников вызывает у исследователей повышенный интерес поскольку бугры пучения – пальза − являются надежным индикатором изменения состояния многолетнемерзлых торфяников. Продуктивность тундровых ландшафтов, связана с изменениями содержания азота и углерода в торфе в процессе промерзания−оттаивания. Торфяники Арктики и Субарктики − огромный резервуар углерода, который оценивается 415 ± 150 петаграмм (1 грамм равен 1 × 10^-15 петаграмм) углерода^[1]. В других работах с учетом едомных толщ резервуар углерода в Арктике оценивается еще выше до 1055 петаграмм^[2,3], что составляет 35‐70% всего органического почвенного углерода ^[4]. Содержание азота в торфяниках оценивается величиной в 10 ± 7 петаграмм^[1]. Большая часть углерода высокоширотных торфяников, по некоторым оценкам это 277‐800 петаграмм в настоящее время являются мнтоголетнемерзлыми и не подвергаются разложению^[3]. Возраст торфяного покрова пальза надежно определяется радиоуглеродным методом, что дает возможность временной привязки геохимических и биохимических данных. Степень разложения торфа в процессе деградации многолетнемерзлых пород оценивается с использованием изотопного анализа углерода торфа ^[5,6,7,8]. Анализ содержания углерода и азота позволяет с большой степенью уверенности определять историю развития торфяной толщи. Возможность оценки развития пальза-массива Елецкий на основе данных по содержанию углерода и азота, а также изотопного состава торфа − задача данного исследования.

Район исследований и отбор образцов

Посёлок Елецкий (67°02' с.ш. и 64°12' в.д.) расположен в Европейской части Полярного Урала в 52 км к югу от Воркуты. Регион находится на границе устойчивой сибирской антициклонной области и районов, подверженных действию атлантических теплых циклонов. Поэтому климат неустойчивый с сильными снегопадами, метелями и суровыми морозами. Период отрицательных температур − с октября по март. По данным метеостанции Елецкая в интервале 1959−2022 гг., минимальная среднегодовая температура отмечена в 1998 г. −8,3⁰С; среднее значение этого показателя −4.9⁰С, максимальное −0.8⁰С в 2020 г. Наиболее низкая среднесуточная температура наблюдалась в феврале 1966 г. −30⁰С, и феврале 1998 г. −29.6⁰С; среднесуточная январская температура составила −19.7⁰С, средняя температура трех зимних месяцев −18.2⁰С. Максимальная среднесуточная температура +18.3⁰С зафиксирована в июле 2007 г., средняя июльская температура +13.7⁰С, за период наблюдений не зафиксировано среднесуточной июльской температуры ниже +7.6⁰С, которая наблюдалась в 1997 г., средняя температура трех летних месяцев составила +10.5⁰С. Максимальная сумма осадков 910 мм/год наблюдалась в 1975 г., минимальная - 391 мм/год в 1985г., среднее значение этого показателя - 607.4 мм/год ^[9]. Вблизи массива пальза находятся р. Уса и ее приток р. Елец. По данным ФГБУ "Северное УГМС" среднегодовой расход воды р.Уса - 1310 м³/с, наибольший - 21500 м³/с (июнь), наименьший - 43,9 м³/с (апрель). Ледостав в октябре - 1-й половине ноября, вскрывается в мае-июне. Питание снеговое и дождевое. На р. Усе по данным ФГБУ "Северное УГМС", интенсивность подъемов воды составляет от 40 до 120 см, на пойме р.Уса период стояния половодных вод длится с середины мая до первой декады июня^[10].
В районе пальза-массива Елецкий зональная растительность в связи с отсутствием соответствующих местообитаний практически не представлена. Господствуют сообщества выпуклобугристых и плоскобугристых торфяников, травяно-моховых болот, представляющих интразональную растительность. Лиственничные редколесья с участием березы (Piceaobovata, Betula tortuosa) низкорослыми, с куртинным подлеском из Betula nana, с мозаичным долгомошно-зеленомошным и кустарничковым покровом встречаются на окраинных частях торфяников^[11]. Пальза-массив Елецкий сформировался в пределах бывшей озерной котловины. В пределах котловины обнаружены более 20 пальза (рис. 1). Они равномерно распределены по площади котловины, в плане пальза чаще имеют овальную форму, реже − округлую, их размеры примерно от 1.5х2 до 10х12 м (рис. 2). Самый высокий бугор достигающий высоты 6 м расположен на северо-западе котловины. На вершинах бугров обнаружены остатки кустарников, преимущественно Betula nana на склонах некоторых пальза растут березы, их высота достигает 3−4 м. На буграх преобладают багульниково-морошково-лишайниковые сообщества, в межбугровых понижениях в основном осоково-сфагновые с ерником растительные сообщества. Почвенный покров представлен торфяно-криоземами и торфяно-глееземами

Рис. 1. Точки детальных работ и отбора образцов на содержание азота, углерода и радиоуглеродный анализ на пальза-массиве Елецкий: отбор 2015 г: El-15-7, El-15-5, El-15-6; отбор 2018 г.: 18EL-VC; отбор 2019 г.: E-VB-2019/47, E-VB-2019/48, отбор 2020 г. El-20-1, El-20-2, El-20-3.

Рис. 2. Исследованные пальза близ пос. Елецкий, 2017 г. Фото Ю.К. Васильчука

Методы измерений

Отбор мерзлого керна производился с помощью электродрелей Makita DDF481rte 18В и Bosch GSR 36 VE-2-LI. Образцы торфа были высушены при температуре 50^оС в течение 72 ч, затем измельчены до состояния пудры. В лаборатории геохимии ландшафтов кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова были выполнены измерения процентного содержания азота и углерода в торфе. Измерения проводились на CHNS-анализаторе VARIO EL III V4.01 20.Aug. 2002, Elementar Analysen systeme GmbH, Германия. В качестве стандарта была использована сульфаниловая кислота (Merck) со значениями N = 8,090%, C = 41,610%.

Определения изотопного состава углерода выполнены в изотопной лаборатории географического факультета МГУ на масс-спектрометре Delta-V со стандартной опцией элемент-анализатор. Для измерений использованы международные стандарты IAEA-CH-3 (значение δ¹³С = –24,724‰) и IAEA-CH-6 (значение δ¹³С = –10,449‰). Точность определений δ¹³С составила ±0,2‰.

Молярное отношение C^а/N^а (C^а и N^а - отношение процентного содержания углерода и азота к атомному весу) рассчитано по результатам определения входящих в состав органического вещества углерода и азота. Для почвенных горизонтов величина C^а/N^а, равная 8-10 соответствует высокой и средней обеспеченности гумуса азотом^[12]. Очень высокие значения 18-20 и более свойственны горизонтам с низким содержанием азота, например, грубогумусным горизонтам лесных почв. Для очень бедных гумусом отложений величина C^а/N^а не превышает 2-3 единиц.

Результаты

Исследования динамики пальза на северо-востоке Большеземельской тундры в том числе в районе пос. Елецкая ведутся с 2000 г., по настоящее время ^[7.8,13]. В пределах выпуклобугристого массива в районе пос. Елецкий (67°16′ с.ш., 63°39′ в.д.) детально исследованы бугры пучения высотой от 1,5 до 5 м (рис. 1). Образцы отбирались из разрезов, расположенных в различных геоморфологических позициях: на вершинах, склонах и у подножий пальза, а также в ложбинах на вершинах бугров.

Точка El-15-5 − пальза высотой около 1,5 м, размером 2х2 м. Поверхность бугра кочковатая, в растительном составе преобладают карликовая березка, морошка, багульник, мхи и лишайники. В шурфе, заложенном на вершине бугра, было вскрыто:

0-0.16 м – торф коричневый рыхлый, с остатками веточек, корешков, мало разложившихся растений;

0.16-0.4 м – торф темно-коричневый с прослоями светло-коричневого, выделяются горизонты более влажного и плотного торфа, встречены остатки коры, веточек, древесные волокна;

0.4-0.6 м – торф коричневый и рыжевато-коричневый, с волокнами древесины, с остатками коры и веточек. В нижней части слоя, на границе сезонного оттаивания, торф более плотный и влажный. С глубины 0,6 м торф мерзлый;

Точка El-15-6 -пальза на стадии деградации, с кратером в центральной части, высота бугра около 1,5 м, превышение краевой части над кратером составляет около 0.4 м. Центральная просевшая часть бугра почти лишена растительности, на склоне бугра угнетенная форма Betula tortuosa и несколько кустов Betula nana. На возвышенной части бугра произрастала преимущественно травянистая растительность. Было заложено 2 шурфа – в центре оголенного торфа в кратере (№1), и в краевой части валика (№2). В шурфе на вершине бугра вскрыто:

0-0.55 м - торф темно-коричневый, сухой, рыхлый, местами слоистый, с кусочками коры, с прослоями древесных остатков и малоразложившихся растительных остатков. На глубине 0.5 м встречен 5-см прослой малоразложившихся крупных древесных остатков. Торф подстилался суглинком серым;

В шурфе №2 мощность торфа составляла около 0.25 м, торф рыхлый в верхней части, более плотный в нижней, отмечены прослои древесных остатков. Под торфом вскрыт суглинок серый, оторфованный.

Бугор пучения высотой 3.5 м Точка EL20-1 на рис. 1 (El-15-7) один из наиболее крупных и выраженных в рельефе бугров на исследуемом участке. Его размер 5х6 м, на склонах прослеживается несколько трещин, на вершине и склоне бугра есть небольшие пятна оголенного торфа. В составе растительности преобладает карликовая березка, морошка, багульник, мхи и лишайники. В нижней части склонов бугра в составе растительности возрастает доля карликовой березки, также встречены злаки и осоки. Заложено 2 шурфа – на вершине (№1) и на склоне (№2). В шурфе на вершине бугра вскрыто:

0.54 м – переслаивание торфа коричневого, темно- и светло-коричневого, с включениями древесных остатков (древесина, кора), веточек, в нижней части слоя количество древесных остатков возрастает;

0.54-0.6 м – прослой малоразложившейся древесины, с включениями коры и веточек;

0.6-0.67 м – торф с древесными остатками, мерзлый, лед в виде мелких вкраплений;

В шурфе на склоне бугра (на оголенном пятне торфа) вскрыто:

0-0.16 м− торф светло-коричневый и коричневый, рыхлый, с включениями древесных остатков и веточек;

0.16-0.23 м – древесные остатки;

0.23-0.5 м – торф коричневый и темно-коричневый, волокнистый, более плотный, с включениями веточек, коры. Плотность и влажность торфа возрастали с глубиной;

В течение полевого сезона 2017 г. на вершине данного бугра пучения был заложен шурф до нижней границы сезонного протаивания (0.75 м). В мерзлом торфе и подстилающем его суглинке была пробурена скважина глубиной 0.8 м, с отбором сегрегационного льда для анализа δ¹⁸О и δ²Н.

Из торфяного слоя, перекрывающего исследованные бугры, с детальностью 3-5 см отобраны образцы торфа для анализа содержания С, N, определения изотопного состава углерода (δ¹³С). Также для этого ряда определений отобран торф из увлажненных понижений.

Точка EL20-1 Вершина бугра высотой 3,5 м, который был изучен ранее,^[7] (EL -15-7). Отбор сезонно-талого торфа – из стенки шурфа каждые 3 см торфа вырезались ножом, отбор мёрзлого торфа – из скважины. В шурфе на вершине бугра вскрыто:

0-5 см – растительный слой;

5-8 см – корни современных растений в торфе;

8-11 см – торф коричневый с редкими современными корнями;

11-14 см – торф коричневый, рыхлый, сухой, однородный;

14-17 см – торф коричневый плотный волокнистый;

17-20 см, торф коричневый, плотный, более влажный;

20-23 см – торф коричневый плотный;

23-26 см – торф тёмно-коричневый, плохоразложенный слоистый;

26-29 см – прослой рыжий плохоразложенной древесины в торфе, торф рыхлый;

29-32 см – торф тёмно-коричневый рыхловатый с остатками коры и рыжей древесины;

32-35 см – торф тёмно-коричневый плотный, более влажный;

35-38 см – торф местами тёмно-коричневый, местами – просто коричневый, с остатками древесины и неразложившихся растений;

38-41 см – торф коричневый с пятнами рыжего. С остатками неразложившихся растений;

41-44 см – торф коричневый слоистый с неразложившейся древесиной;

44-47 см – торф тёмно-коричневый плотный с прослоями светло-коричневого и древесными остатками;

47-50 см – древесные остатки: ветки, кора, рыхлые;

50-53 см – торф тёмно-коричневый плотный влажный;

53-56 см – торф тёмно-коричневый с корой берёзы плотный;

56-59 см – торф тёмно-коричневый плотный влажный;

59-61 см – торф тёмно-коричневый плотный в нижней части с древесными остатками;

61-63 см – древесные остатки;

63-66 см – торф рыжевато-коричневый рыхлый более сухой с остаткам осок;

66-69 см – торф рыже-коричневый рыхлый;

69-72 см – торф суховатый рыхловатый рыже-коричневый;

72-75 см – торф коричневый внизу с пятнами чёрного, рыхлый;

75-78 см – торф тёмно-коричневый, плотный, влажный;

81-84 см – торф тёмно-бурый рыхлый с кусками коры;

84-87 см – торф тёмно-бурый рыхлый с кусками коры;

87-90 см – торф тёмно-коричневый рыхлый с отдельными веточками;

90-93 см – торф тёмно-коричневый слоистый с веточками;

93-96 см, торф чёрно-коричневый влажный;

96-99 см – торф чёрно-коричневый влажный на границе с мёрзлым, в нижней части кристаллы льда;

96-100 см – торф чёрно-коричневый мёрзлый на датирование ¹⁴С.

Образцы торфа мёрзлого с сегрегационным льдом из скважины (100-120 см).

Точка EL20-2 (67,039083 с.ш., 64,250277 в.д.) Вершина бугра пучения, исследованного в 2015 г. (точка EL-15-4). Бугор пучения высотой 3.5 м. Максимальная глубина протаивания на вершине бугра (в конце сентября) составляла 0.65 м. Было заложено 4 шурфа от вершины до межбугрового понижения. На вершине бугра со дна шурфа пробурена скважина в мерзлом торфе и подстилающем суглинке, глубиной 1.3 м. В шурфе, заложенном на вершине бугра, вскрываются:

0-0.06 м – корни современных растений;

0.06-0.54 м – торф коричневый, с прослоями светло-коричневого и черного, с остатками плохо разложившихся сосудистых растений, с древесными остатками (волокна древесины, кора), веточками. Торф преимущественно плотный, волокнистый;

0.54-0.65 м – торф темно-коричневый, плотный, влажный, на границе с мерзлым торфом;

Скважиной вскрыто:0.65-1.25 м – торф мерзлый, криотекстура тонкослоистая и массивная.

1.25-1.7 м – суглинок серый, мерзлый, криотекстура линзовидно-слоистая;

1.7-1.9 м – суглинок серый, мерзлый, очень льдистый, криотекстура шлировая;

В шурфе на склоне бугра вскрыто:

0.05–0.3 м – торф коричневый, с волокнами древесины, на гл.0.25 м встречен фрагмент малоразложившейся рыжей древесины;

0.3-0.4 м – торф с большим количеством прослоев древесных и травянистых остатков

0.4-0.6 м – торф волокнистый, более сухой, в основании слоя большое количество малоразложившихся древесных остатков, таких же, как и в шурфе на вершине бугра.

Отобраны образцы торфяной залежи с интервалом 3-4 см, для определения δ¹³С. В шурфах на вершине и склоне бугра, а также у подножия бугра в межбугровом понижении, отобраны образцы торфа для ¹⁴С датирования. Из мерзлого торфа и подстилающего суглинка отобран сегрегационный лед для анализа δ¹⁸О и δ²Н.

Точка EL20-6 (67,039634 с.ш., 64,255261 в.д.)

Бугор пучения высотой примерно 5 м со стенкой обвалившегося торфа у края озерца. В обнажении вскрыты: 0-2,5 м – торф коричневый, слоистый, сухой, нижняя часть торфа (2,3-2,5 м) со значительной примесью суглинка

2,5-3,5 м (нижняя вскрытая граница) – суглинок серый с линзами льда (рис. 3), криотекстура слоистая и слоисто-сетчатая, толщина шлиров от 1 до 4 см.

Рис. 3. Суглинок серый с линзами льда в ядре пальза Елецкая, 2020, точка EL20-6. Фото Дж.Ю. Васильчук

Рис. 4. Лед шлира из ядра в пальза Елецкая, 2020, точка EL20-6. Фото Ю.К.Васильчука

Величина δ¹³С в торфе 3.2 м пальза − точка EL VB-19 изменяется в пределах 3.55 ‰, от −28,5 до −32,05‰, в среднем составляя −30,33‰ (табл. 1). наиболее отрицательные значения δ¹³С прослеживаются в интервале 0.52-0.69 м. Согласно ранее проведенным исследованиям ^[8] в торфе данного пальза были получены значения δ¹³С в диапазоне от –27 до –29.8 ‰, в среднем –28 ‰. В результате повторного изучения изотопного состава торфа получены несколько более легкие значения, что связано с неоднородностью ботанического состава торфа. В целом состав стабильных изотопов углерода демонстрирует незначительные латеральные и радиальные вариации. Соотношение C/N в торфе на вершине бугра пучения в основной массе торфа составляет около 15, повышаясь до 30 в нижней части торфа и до 40 – в поверхностном ^[8]. Корни современных растений не прослеживаются с глубины 10 см, на этой глубине отмечен локальный минимум значений δ¹³С −30,87‰, очевидно этот слой торфа соответствует мезотельму граничному слою между акротельмом и катотельмом, (между слоем, образованным живыми растениями и уже отмершими растительными остатками).

Таблица 1

Значения δ¹³С в торфе, Елецкая, 2019 г. Точка EL VB-19

Величина δ¹³С в торфе 3.5 м пальза − точка EL 20-1- изменяется в пределах 3.55 ‰, в среднем составляет −28,71‰ (табл. 2), древесине высокой степени разложения соответствует значение δ¹³С −29,02‰. Согласно ранее проведенным исследованиям^[8] в торфе данного пальза были получены значения δ¹³С в диапазоне от –27,64 до –29,06 ‰, в среднем –28,32 ‰. Вариации содержания стабильных изотопов углерода незначительны. В результате повторного изучения получены очень близкие значения изотопного состава торфа.

Величина δ¹³С в торфе 3.0 м пальза − точка EL 20-2- изменяется в пределах 2.23 ‰ от-29,48‰ до 27,25‰, в среднем составляет −28,05‰ (табл. 2), древесине высокой степени разложения соответствует значение δ¹³С −28,7‰. Граничный слой мезотельм – между акротельмом и катотельмом, по данным изотопии не прослеживается, визуально отмечен на глубине 0,11 м, ниже корни современных растений встречаются единично. Различий в изотопном составе торфа при переходе от талого торфа к мерзлому не прослеживается. Степень разложения торфа на изотопном составе торфа не прослеживается.

Таблица 2

Значения δ¹³С в торфе, Елецкая, 2020 г. Точки EL-20-1 (EL -15-7), EL -20-2 (EL -15-4), EL -20-3, EL -20-4

Таблица 3

Содержание углерода, азота, изотопный состав углерода в торфе пальза 18El−VC

В поверхностном слое пальза 18El−VC (рис. 3), расположенного на периферии осушенной озерной котловины значения δ¹³С варьируют в узких пределах от −27,77 до −29,50‰, средняя величина δ¹³С составляет −28,61‰ (табл. 3).

Рис. 5. Мощный слой торфа в верхней части пальза 18El-VC. Фото Ю.К. Васильчука

В торфе максимальному значению δ¹³С −27,77% соответствует локальный минимум содержания азота 2,09% и локальный максимум содержания углерода 52,03%, а также максимальному значению C/N, составляющему 31,12, возможно торф из этого интервала соответствует мезотельму – граничному слою между акротельмом и катотельмом, поскольку ниже этого слоя корни современной растительности во время полевого изучения практически не встречались. На этом уровне прослеживается абсолютный пик значений отношения C/N 31,12. Величина содержания азота находится в интервале 1,777-4,475%, среднее значение - 3,309%. Содержание углерода составляет 29,48-55,36%, среднее значение содержания углерода – 48,43%, при этом минимальное значение приходится на граничный с подстилающим суглинком слой торфа. Переход от талого торфа к мерзлому на глубине 0.4 м не отмечен изменениями изученных показателей. В суглинке, подстилающем торф, содержание углерода и азота снижено, показатель C/N близок к единице. Степень разложения торфа на изотопном составе торфа и на содержании азота и углерода не отразилась.

Дискуссия

Сравнивая содержание азота и углерода в литальза^[14] и пальза^[7,8] отметим, что диапазон колебаний содержания азота существенно выше в литальза в долине р. Сенца – от 0,45 до 8,86%, в то время как в торфе в пальза-массива Елецкий от 0,23 до 4,48%, а углерода напротив гораздо выше от 29,48 до 60,47%, в поверхностных слоях литальза даже с включениями погребенного торфа от 2,52 до 11,56% (табл. 4). Это видимо свидетельствует об активной переработке азота микроорганизмами и растениями в условиях пальза.

Таблица 4

Содержание углерода и азота и значения C^a/N^a в верхнем слое пальза и литальза

Таблица 5

Содержание углерода и азота и значения C^a/N^a в полигональных торфяниках

Сравнивая изотопный состав и содержание углерода и азота в пальза-массиве Елецкий с полигональными тундровыми торфяниками, на Центральном Ямале и на Чукотке (табл. 5), отметим, что средний изотопный состав углерода в полигональных торфяниках примерно одинаков, несмотря на их удаленность друг от друга, что объясняется прежде всего близким составом растительных ассоциаций, образующих полигональные торфяники. Если в процессе формирования и роста пальза образуются новые экологические ниши, и происходит смена одних фитоценозов на другие, то в случае полигональных торфяников новых экологических ниш не создается. Поэтому и изотопный состав их более менее однороден. Так как полигональные торфяники развиваются в более суровых условиях как летнего, так и зимнего сезонов, то содержание свободного азота, доступного для растений еще меньше, чем в бугристых торфяниках. Это отражается на высоких значениях C/N, средние значения 27,94-30,85. Благодаря высокой степени обводнения пальза-массива Елецкий в целом в процессе аккумуляции торфа преобладали преимущественно анаэробные условия деструкции торфа.

Торфяники, перекрывающие пальза являются уникальными местообитаниями, т.к. в них много углерода, но они термодинамически пассивны. Резкие климатические изменения, такие как, например, подтопление или переход в многолетнемерзлое состояние могут изменить скорость разложения органического вещества. Степень разложения торфа − одна из базовых характеристик торфяников, для которой условия обводненности и/или существование многолетней мерзлоты играют определяющую роль. В зоне подтопления деструкция торфа, как правило, замедленна из−за низкого содержания кислорода, в мерзлых торфяниках деструкция приостанавливается, в зоне аэрации скорости разложения торфа довольно высоки^[17]. В одной из последних статей Р. Уилсон^[18], установлено, что поступление нового органического вещества от растений, поселившихся на оттаивающих торфяниках, существенно ускоряет разложение органического вещества в перекрывающем пальза торфе. Было установлено, что механизм разложения органического вещества характеризовался существенными отличиями от других местообитаний, где растущие растения отсутствовали, в то время как на подтопленных участках никаких различий не отмечено. Это подтверждается и другими исследованиями, в которых основная роль в ускорении деструкции торфа отводится увеличению количества корневых волосков у тундровых растений, произрастающих на торфяном субстрате при повышении летней температуры. Установлено также, что даже весьма краткосрочные изменения температурного и влажностного режима влияют на кумулятивную минерализацию углерода и азота через незначительные изменения в концентраций лабильного углерода и азота в акротельме торфяников^[19]. При увеличении глубины протаивания многолетнемерзлых торфяников конкурентное преимущество получают растения с более развитой корневой системой^[20], это установлено по результатам определений С/N в омбротрофном торфяном болоте Стордален на севере Швеции для моделирования реакции арктической растительности на динамику азота в экосистеме с многолетнемерзлыми породами с использованием модели JULES Land Surface. Sphagnum fuscum − это один из основных видов сфагнового мха, маркирующих начало пучения пальза^[21]. Исследования изотопного состава углерода целлюлозы стеблей из торфа образованного Sphagnum fuscum на поверхности пальза, продемонстрировали хорошую корреляцию с июльскими температурами. Наиболее низкие значения δ¹³C соответствуют низким значениям средней температуры воздуха^[22]. При сравнении данных осушенной и обводненной частей торфяника Х.Нюканен с соавторами^[23] показали, что дополнительным фактором, который определяет значения δ¹³C, является близкое залегание грунтовых вод к поверхности торфяника. По сравнению с низинными болотами грунтовые воды на верховых торфяниках располагаются гораздо глубже. Поэтому сосудистые растения на верховых торфяниках обычно обеднены изотопом ¹³С. Если процесс фотосинтеза сфагнума происходит во влажных условиях, значения δ¹³C растения увеличиваются, если в сухих условиях – уменьшаются. Аэробное микробиологическое разложение повышает величину δ¹³C оставшегося торфа, тогда как анаэробный распад органики консервирует или незначительно уменьшает значения δ¹³C в торфе. В более поздней статье Х.Нюканен с соавторами^[24] продемонстрировали, что профиль δ¹³C отдельно взятой колонки может отражать эффекты, сохранившиеся в результате колебаний увлажнения. В верхних 50 см как увлажненного, так и осушенного торфяника не было замечено значительной корреляции между измеренными значениями δ¹³C и содержанием углерода(C%). Заметная отрицательная корреляция между δ¹³C и глубиной отбора пробы была обнаружена только в профиле осушенного торфяника. На обоих как осушенной, так и увлажненной частях торфяника наиболее низкие значения δ¹³C были отмечены на одной и той же глубине, где также наблюдались: максимумы C%, N% и минимум отношения C/N. Согласно выводам авторов этот факт отразил наличие стадии развития торфяника в теплых и влажных условиях. Хотя заметим, что динамика бугров пучения не всегда определяется влиянием климатических условий. В результате избыточного накопления снега вдоль линейных сооружений, таких как железные дороги и магистральные трубопроводы, происходит деградация бугристых массивов. И, наоборот, в благоприятных условиях происходит зарождение и современный рост бугров пучения, например, в долине р. Адыр−Хем на Алашском плато на северо−западе Саян^[25] на широте 51°. В целом, бореальные торфяники, не смотря на огромные запасы углерода, бедны питательными веществами и поэтому характеризуются более высоким значением отношения углерода к азоту (C/N), чем торфяники низких широт, поскольку углерод в экосистеме накапливается, в то время как азот может циркулировать и использоваться и микроорганизмами, и растительностью^[26]. Прослежена закономерность, в ряде случаев значения C/N уменьшаются при возрастании степени разложения торфа^[27]. Аэробное разложение торфа приводит к обогащению ¹³C и ¹⁵N оставшегося органического материала. Содержание стабильных изотопов углерода и азота, по мнению авторов, отражает как гидрологические процессы в процессе разложения торфа, так и изотопный состав исходного растительного материала. Например, осоки обогащены ¹³C и ¹⁵N, по сравнению с листьями кустарников, а стебли сфагнума характеризуются диапазоном значений δ¹³C от −25,0 и −29,6 ‰^[27]. Исследованию воздействия дренажа пальза в болоте Стордален (68°21'20" с. ш., 19°02'84" в. д.), в северной Швеции с определением отношения C/N, и вариаций значений δ¹³С посвящена работа Ф. Клаус ^[28]. В пределах пальза−массива рассмотрены три основных местообитания: пальза, пальза частично протаявшие и межбугорные талые понижения. Наиболее высокое значение C/N отмечено в верхних 10 см профиля пальза, максимальное значения 112,1. Установлено снижение значений C/N в верхних 15 см от более 80 до менее 40 на глубине 15 см. На глубине менее 15 см отношение C/N в природных торфяниках колебалось от 26,7 до 57,2. Отношение C/N в осушенных торфяниках колебалось от 20,5 до 78,4, причем на обоих участках в Тролльбергете значения снижались в верхних 10 см. Открытый лесной участок в Хельсингфорсе Стормиран показал более равномерное соотношение C:N с глубиной, варьирующее от 46,7 до 71,6 по всему профилю. Существенной разницы в отношении C/N на естественных и осушенных торфяниках при рассмотрении всей торфяной толщи не выявлено. Изотопная запись в органическом веществе с глубиной показала несколько увеличивающиеся величины δ¹³C с глубиной как для осушенных, так и для естественных торфяников. Значения δ¹³C варьировали от −30,2 до −24,5 ‰, с самыми низкими значениями δ¹³C в верхних 10 см торфяного профиля. Самое высокое значение было измерено на глубине 39 см в Хельсингфорсе Стормиран^[28]. Изучение торфяного покрова пальза в Дегеро Стормыр^[29] на севере Швеции имеют среднее отношение C/N равное 57. Более низкое отношение C/N в акротельме−слое, содержащем живые растения − (в среднем 41) и мезотельме – переходном слое (в среднем 35) указывает на более высокие скорости минерализации с газообразным выделением углерода и азота. В катотельме − слое, содержащем мертвый растительный материал − с естественными анаэробными условиями отношение C/N было в том же диапазоне, что и в акротельме (в среднем 49). Соотношение С/N в разрезах торфа перекрывающего пальза составляет в Кево (Лапландия, север Финляндии) 22,29 в осушенных торфяниках и 26,88 во влажных торфяниках, в Карлботне (Финмарк, север Норвегии) 22.741 в осушенных торфяниках и 19,34 во влажных торфяниках^[30]. Детальные исследования А.Пастухова и Д.Каверина с соавторами^[6] вариаций значений δ¹³С и C/N в разрезах торфа перекрывающего пальза в южной части ареала пальза в точках Инта 1, Инта 2 и Колва показали, что значения δ¹³С варьируют от −25 до −28‰ (к VPDB). Микробиологическая активность в верхних 20 см торфа, перекрывающего торфяники, зафиксирована самыми высокими значениями C/N, 30–35, что указывает на низкое содержание азота. В нижних слоях перекрывающих торфяников отношение C/N значительно ниже 20–27 ^[30].

Заключение

Исследования пальза-массива Елецкий показали, что изотопный состав углерода в пальза-массиве Елецкий определяется прежде всего ботаническим составом растительных остатков. Различий в изотопном составе торфа при переходе от талого торфа к мерзлому не прослеживается. Степень разложения торфа на изотопном составе торфа не прослеживается. По сравнению с литальза в условиях пальза доступный микроорганизмам и растениям азот перерабатывается гораздо активнее. Поскольку в изученном торфе пальза максимальному значению δ¹³С −27,77% соответствует локальный минимум содержания азота 2,09% и локальный максимум содержания углерода 52,03%, а также максимальному значению C/N, составляющему 31,12, весьма вероятно, что торф из этого интервала соответствует мезотельму – граничному слою между акротельмом и катотельмом, Полученные результаты указывают на высокую степень обводнения массива Елецкий в целом в процессе аккумуляции торфа и преимущественно анаэробные условия его разложения.