Углерод с карельских болот: как химики исследуют парниковые газы? Интервью с научным сотрудником КарНЦ РАН Елизаветой Линкевич

Более 30% Республики Карелия занимают болота. Знаменитая карельская научная школа болотоведения существует более полувека и сегодня осталась последней в нашей стране. В 2022 г. в Карельском научном центре РАН открылась новая лаборатория ― мониторинга парниковых газов. Ее сотрудники проводят свои исследования в том числе на болотах. Мы поговорили с руководителем лаборатории Елизаветой Линкевич о полевых работах по измерению парниковых газов в заповеднике «Кивач» и не только.

Справка. Елизавета Владимировна Линкевич — кандидат химических наук, руководитель лаборатории мониторинга парниковых газов отдела комплексных научных исследований Карельского научного центра РАН, старший научный сотрудник Карельского научного центра РАН.

— Болота поглощают углекислый газ, но в то же время выделяют метан — один из сильнейших парниковых газов. Какой из этих процессов существеннее?

— Болота — это в первую очередь поглотители углерода, что обусловлено, в частности, их высоким гидродинамическим режимом. Поглотительная способность болот более существенна, потому что запас накопленного в болотах углерода в несколько раз превышает показатели его эмиссии. Тем не менее этот вопрос по-прежнему остается дискуссионным. Дело в том, что соотношение этих ролей может стать другим, например из-за изменения климата. Так, потепление климата и связанное с этим нарушение гидродинамического режима могут оказать сильное влияние на возрастание эмиссии парниковых газов. Но это довольно сложный процесс, привести к которому зачастую может антропогенное воздействие. В таком случае на болоте меняются растительность и типы бактерий, обитающих в торфе, микроклимат, температура почвы, уровень грунтовых вод и т.д. Исследование многофакторных явлений формирования парниковых газов на болотах становится важнейшей задачей в процессе мониторинга, цель которого — накопление данных и определение значимых и малозначимых факторов при дальнейшем поиске способов регулирования процесса.

— Может ли эта поглотительная способность затормозить глобальное потепление?

— Думаю, остановить глобальное потепление болота сами по себе не могут. Даже если вы начнете очень сильно их увлажнять, повышая тем самым уровень воды в болоте, останутся другие негативные факторы, например влияние промышленности, справиться с которым болотам в одиночку точно не под силу.

— Есть ли у Республики Карелия, которая богата болотами и озерами, какая-то уникальная специфика, связанная с выделением или поглощением парниковых газов?

— Карелия стала одним из первых регионов на Северо-Западе России, где в 1990-е гг. начали проводить измерение парниковых газов на поверхности болотных экосистем. Используя современное полевое оборудование, наш молодежный коллектив возобновил эти исследования и усовершенствовал подход к оценке эмиссии парниковых газов: мы стали проводить суточные измерения углекислого газа и паров воды в течение вегетационного периода, что позволит получить новые знания о механизмах формирования потоков углерода. Сравнив наши результаты с работами коллег из Сибири, где тоже очень много олиготрофных, или верховых, болот (тип болот, «питающихся» атмосферными осадками. — Примеч. ред.), мы увидели схожую картину выделения парниковых газов. Сейчас я могу сказать, что там, где болота прогреваются сильнее, выход парниковых газов будет интенсивнее.

— Лето 2024 г. в Карелии выдалось аномально жарким: было побито очень много температурных рекордов. Как это сказалось на измерениях болотных парниковых газов?

— Мы заметили определенную корреляцию между засушливостью текущего года и возрастанием эмиссии парниковых газов. В этом году количество осадков в республике было ниже, чем в 2023 г., и особенно низкими эти показатели были в августе и сентябре. Температура атмосферного воздуха превышала нормальные значения на 2–3 ºС по сравнению с 2023 г. В эти месяцы мы зафиксировали возрастание эмиссии парниковых газов практически в два раза по сравнению с 2023 г.: этот показатель стал равен примерно 4 г углерода на единицу площади. Мы также отметили более глубокое, до 90 см, прогревание почвы и существенное падение уровня грунтовых вод.

— Часть Республики Карелия относится к арктической зоне. Это имеет существенное значение? 

— Да. В Карелии, часть которой (38% — Примеч. ред.) действительно относится к арктической зоне, прогревание воздуха, например, происходит быстрее, чем в других регионах. Так, за последние 40 лет скорость роста температуры составила около 0,53 °C за десять лет, что довольно существенно. Поэтому оценка поглощения парниковых газов и учет их выделения для нашего региона особенно важны.

— И именно этим вы занимаетесь в лаборатории мониторинга парниковых газов КарНЦ РАН?

— Да, мы проводим суточные измерения парниковых газов на болотных экосистемах для оценки эмиссии за вегетационный период и в ближайшем будущем планируем расширить свои эксперименты: определить интенсивность и закономерность выделения метана с болот и установить связь этой эмиссии с микроклиматом болота. Чтобы выяснить это, нам предстоит разработать новые подходы. На текущий момент мы уже научились эффективно оценивать эмиссию углекислого газа и паров воды.

— Сколько лет ведутся эти исследования?

— Мы исследуем концентрацию CO₂ на болотных экосистемах на протяжении двух лет. Как я уже упоминала, в 1990-е гг. в Карельском научном центре РАН проводились подобные исследования, но они имели ряд существенных недостатков: отсутствовала конкретная закономерность в наблюдениях эмиссии углекислого газа, то есть не был оценен вклад различных видов болотных экосистем в этот процесс. Мы исследуем влияние микроклимата болот на прогревание почвы и увеличение интенсивности эмиссии парниковых газов с ее поверхности. Наши наблюдения позволят сформировать максимально полную картину выделения углекислого газа с поверхности болот и определить, есть ли там геохимические барьеры, препятствующие выделению газа, на какой глубине они находятся и т.д.

— Какие промежуточные итоги уже удалось получить?

— Мы выяснили, что прогревание почвы, снижение количества осадков и увеличение освещенности приводят к увеличению интенсивности выделения углекислого газа на болоте, причем этот процесс может быть связан с глубинными механизмами. Кроме того, отмечается увеличение вклада гетеротрофного почвенного дыхания (процесс, при котором микроорганизмы разлагают органические вещества в почве с использованием кислорода; при этом в атмосферу выделяется углекислый газ. — Примеч. ред.), значение которого возрастает при снижении уровня грунтовых вод, количества осадков и росте процессов окисления на болоте.

Помимо этого, изучая болото Близкое в заповеднике «Кивач», где мощность торфяной залежи составляет 5,5–6,0 м, мы обнаружили, что на глубине 1,5–2 м формируется так называемый геохимический барьер, то есть выделение CO₂ на этом уровне затруднено. Его эмиссии препятствуют комплексные соединения органического вещества торфа, образуемые с d-элементами (железо, алюминий и др.). Таким образом, говоря о формировании парниковых газов на болоте, мы можем учитывать вклад глубинных процессов, протекающих на уровне не глубже 2 м. 

— Может ли этот геохимический барьер разрушиться из-за изменения климата?

— Важно понимать, как именно формируется такой барьер. Это происходит тогда, когда активные формы органического вещества (те же самые гуминовые вещества, например) образуют прочные комплексные соединения преимущественно с d-элементами и закупоривают капиллярные каналы в торфяной почве, понижая пористость и препятствуя продвижению газов на поверхность болота. Этот геохимический барьер представляет собой своеобразное препятствие. Шансов, что оно разрушится, крайне мало даже в условиях аномальной жары и антропогенной нагрузки. Исследование этого глубинного распределения подвижных форм высокомолекулярных органических компонентов в торфяной почве имеет большое значение, поскольку накопление и преобразование органического вещества осуществляются почвенными микроорганизмами.

— Вы исследуете болота в том числе с помощью почвенных метеостанций. Сколько их в Республике Карелия?

— Мы используем почвенные метеостанции, позволяющие регистрировать прогревание болота на разных глубинах и изменение влажности за вегетационный период. Одна из таких станций была установлена в заповеднике «Кивач» на олиготрофном болоте Близкое. Почвенная станция также позволяет оценить прогревание торфяных почв после осушения и мелиорации. Поэтому мы устанавливали такую станцию, например, на осушенных участках болота Агвен-суо при одновременном проведении измерений парниковых газов с поверхности болота. Это позволяет нам регистрировать скорость прогревания торфяной залежи на разных глубинах — важный показатель в определении возможного вклада формирующихся парниковых газов на глубинах болота в общую эмиссию с поверхности болота.

— Планируете ли вы сделать свои исследования парниковых газов многолетними?

— Очень хотелось бы. Мы планируем определить факторы, позволяющие регулировать эмиссию парниковых газов. Один из таких факторов — оценка активности микроорганизмов (в разных видах торфяной почвы), участвующих в выделении парниковых газов. Это очень интересная область исследований. Еще одна перспективная тема — изучение структуры торфяных залежей, которое позволит расширить знания о глубинных процессах формирования выделения парниковых газов в сочетании с деятельностью торфяной микробиоты. Исследовать парниковые газы необходимо комплексно: оценка эмиссии парниковых газов с поверхности болот, вклад дыхания и процессов жизнедеятельности микроорганизмов в общую эмиссию парниковых газов, геохимические особенности строения торфяной почвы, влияние динамики глубинных температур болота и других факторов. Все это поможет представить более полную картину закономерностей формирования парниковых газов и их взаимосвязи с особенностями болотных экосистем в Республике Карелия.

Фотографии в галерее: Александр Козлов, Янина Хужина / «Научная Россия»