Эмиссия парниковых газов из природных экосистем Норильского промышленного района

Казанцев Владимир Сергеевич ORCID: 0000-0002-0156-0566 кандидат биологических наук старший научный сотрудник, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, Россия, г. Москва, пер. Пыжевский, 3 Kazantsev Vladimir Sergeevich PhD in Biology Kazantsev Vladimir Sergeevich 119017, Russia, Moscow region, Moscow, lane. Pyzhevsky, 3 kazantsev@ifaran.ru Кривенок Людмила Алексеевна ORCID: 0000-0001-8220-6720 младший научный сотрудник, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, Россия, г. Москва, пер. Пыжевский, 3 Krivenok Lyudmila Alekseevna Junior researcher at the Institute of Atmospheric Physics named after. A.M. Obukhov RAS 119017, Russia, Moscow, lane. Pyzhevsky, 3 krivenok@ifaran.ru Чербунина Мария Юрьевна ORCID: 0000-0002-6211-7971 кандидат геолого-минералогических наук младший научный сотрудник, МГУ им. М.В. Ломоносова 119991, Россия, москва область, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1 Cherbunina Mariya Yur'evna PhD in Geology and Mineralogy Junior Researcher, Moscow State University M.V. Lomonosov 119991, Russia, Moscow region, Moscow, Leninskie Gory str., 1 cherbuninamariya@gmail.com

Котов Павел Игоревич ORCID: 0000-0002-5945-3405 кандидат геолого-минералогических наук директор, Научно-исследовательский центр ЗГУ им. Н.М. Федоровского 663310, Россия, Красноярский край, г. Норильск, ул. 50лет Октября, 7 Kotov Pavel Igorevich PhD in Geology and Mineralogy Director, Research Center ZSU named after. N.M. Fedorovsky 663310, Russia, Krasnoyarsk Territory, Norilsk, ul. 50let Oktyabrya, 7 KotovPI@norvuz.ru

Исследование выполнено при поддержке ЗГУ имени Н.М. Федоровского в рамках мероприятия Программы деятельности научно-образовательного центра мирового уровня «Енисейская Сибирь» ТП 35 «Региональная сеть карбоновых полигонов для долговременных наблюдений потоков парниковых газов, тепла и влаги».

1. Введение

Актуальные изменения климата, обусловленные в том числе ростом содержания в атмосфере парниковых газов (ПГ), четко фиксируются учеными начиная с середины XIX века. К основным ПГ относятся водяной пар, метан и углекислый газ. Источниками метана и углекислого газа в атмосфере являются как антропогенные, так и природные, среди последних значимую роль играют озера, реки, болота ^[1]. Одной из актуальных задач современной экологии является инвентаризация источников ПГ в глобальном масштабе. Это необходимо как для адекватной оценки эмиссии ПГ природными и антропогенными источниками, так и для построения и верификации прогнозных моделей эмиссии в условиях изменения климата.

В связи с вышеизложенным особый интерес представляют источники ПГ, которые расположены в арктической зоне, так как именно для этой территории прогнозируется наиболее интенсивное изменение климата, в том числе проявляющееся в виде повышения среднегодовой температуры воздуха. Ожидается, что этот процесс скажется на изменении интенсивности эмиссий ПГ из естественных экосистем Арктики в сторону увеличения в связи с вовлечением в биологический круговорот части запасов органического вещества, которое в настоящее время находится в толще многолетнемёрзлых пород.

В целом, российская Арктика до настоящего момента слабо изучена в части инвентаризации источников ПГ в атмосферу. Имеющиеся исследования относятся к относительно небольшому количеству объектов, расположенных на территории арктической части Евразии. В силу логистических сложностей основные точки исследований эмиссий ПГ расположены вблизи населённых пунктов или транспортных коммуникаций и не охватывают широкое разнообразие природных экосистем Арктики. Какие-либо результаты изучения эмиссий ПГ из природных экосистем Норильского промышленного района (НПР) нам не известны.

Из близлежащих регионов со схожими природными условиями в отношении эмиссии ПГ в большей степени изучена северная часть Западной Сибири. В подзоне южной тундры первые исследования эмиссии метана проводились в 1996 г. в период весеннего снеготаяния и в летний период на юге ямальского полуострова ^[2]. В работах [3–5] описаны результаты изучения естественных пресноводных экосистем южной и северной тундры в районе п. Тазовский Ямало-Ненецкого автономного округа. В рамках исследования ^[6] проведены полевые измерения эмиссии метана в лесотундровой зоне в 10 км к северу от г. Игарка. Была показана связь потребления атмосферного метана минеральными почвами с распределением многолетнемерзлых пород и режимом влажности почвы, а также отмечена высокая эмиссия из термокарстового озера. Одна из последних работ ^[7] приводит результаты изучения эмиссии метана из озёр Приполярного Урала и Центрального Ямала. В работе выявлено также влияние скорости ветра на эмиссию CH₄, и на примере одного озера описана суточная динамика эмиссии метана.

Одними из основных факторов, влияющих на процесс эмиссии метана углекислого газа является влажность и температура почвы ^[8]. С увеличением влажности болотных и минеральных почв интенсифицируется процесс эмиссии метана и снижается эмиссия углекислого газа из-за смещения равновесия процессов выделения метана и углекислого газа и поглощения метана бактериями ^[9]. Температура почвенного субстрата также влияет на процесс эмиссии метана в сторону его интенсификации за счет роста активности метанпродуцирующих бактерий ^[10].

Целью данного исследования было изучение особенностей эмиссии метана и углекислого газа из естественных экосистем на территории НПР. В связи с этим была поставлена задача провести натурные измерения эмиссии метана и углекислого газа с поверхности природных объектов, оценить влияние природных факторов определения природных факторов, влияющих на эмиссию этих ПГ.

2. Методика

2.1 Ландшафтное районирование

Для выбора расположения точек исследования было проведено предварительное районирование территории по природным условиям, определяющим формирование многолетнемерзлых пород (ММП) района с целью выявить наиболее типичные ландшафты. Исследуемая территория расположена в зоне преимущественно сплошного распространения ММП. Распределение ММП по площади определяется совместным влиянием зональных, региональных и местных факторов теплообмена горных пород с атмосферой, и вследствие большого разнообразия последних, оказывается весьма сложным. При выборе точек для измерения ПГ учитывались площадь распространения района, в котором выделялись наиболее типичные ландшафты, геологическое строение и его геокриологические особенности. Ниже приведена характеристика каждого выделенного района.

Район 1 представляет собой ландшафты долины р. Хараелах и предгорьев плато Путорано. Здесь преобладают пологие склоны верхнеплейстоцен-голоценового возраста, где в условиях повышенного увлажнения развиты делювиально-солифлюкционные отложения из дресвы и щебня с суглинистым заполнителем, часто оторфованные. Особенностью этой территории также является наличие вложенных краевых морен в придолинных частях склонов вследствие горно-долинного верхнеплейстоценового оледенения. С геокриологической точки зрения для этого района характерно сплошное распространение ММП мощностью 200–400 м и самые низкие температуры пород от −2 до −5 °C [11–12].

Район 2 занимает обширную территорию и расположен на широко распространенной поверхности озёрно-ледниковой верхнеплейстоценовой низменности, которая относится к геоморфологическому уровню Вальковской равнины, сложенной толщей алевритов, ленточных глин, илов. Ее образование связано с осушением Вальковского ледникового пресноводного водоема, который исчез во время голоценового оптимума. В литературе чаще обозначают эту поверхность как Вальковскую озерно-аллювиальную равнину или террасу, тогда как на карте четвертичных отложений ^[13] оно обозначена как озерно-ледниковая [13–14]. Для района характерен бугристо-западинный рельеф, чрезвычайно расчлененный, связанный с активным развитием термокарста по сильнольдистым отложениям и наличием большого количества сегрегационно-инъекционных бугров пучения ^[15]. Здесь наблюдается прерывистое распространение ММП мощностью 40–80 м, с мягкими температурными условиям – среднегодовыми температурами пород от 0 до −2 °С.

Район 3 расположен у р. Норильская в месте впадения р. Валек, которая является ее правым притоком (относится к Рыбнинско-Норильской долине). Расположение здесь района позволяет охарактеризовать ландшафтно-геокриологические условия территорий, на которые оказывает влияние река. Здесь выделяются поверхности русла поймы и террасы р. Норильской, старица р. Валек, вероятно, голоценового возраста, сложенные слоистой толщей песчаного алевритового состава с включениями растительных детритов. Склоны террасы покрыты лиственнично-елово-березовым лесом с кустарничком, пойма –растительностью в виде разнотравья с кустами ивы. Здесь характерно прерывистое распространение ММП мощностью 40–80 м со среднегодовыми температурами пород от 0 до −2℃. Для старичных отложений и прирусловых в долине р. Норильская отмечаются отдельные острова мерзлоты с температурами от 1 до −1 °C.

Район 4 расположен в районе Оганера в техногенно-трансформированном ландшафте (также относится к Рыбнинско-Норильской долине). Здесь, по сравнению с районом 3, происходит замещение первоначальных лесов на кустарничковую тундру вследствие аэротехногенного воздействия от горно-металлургического комбината ^[16]. В районе широко распространены полигоны вытаивающих повторно-жильных льдов (ПЖЛ) и приуроченный к ним процесс заболачивания. Один из самых больших районов по площади в исследуемом регионе.

Район 5 расположен недалеко от пос. Алыкель на озерно-ледниковой низменности, отложения сложены толщей алевритов, ленточных глин, илов. Поверхность сильно заболочена и заозёрена (встречается большое количество озер преимущественно округлой формы). Сложные очертания озёр, характер их береговой линии (наличие низких отрезков с зарастающими частями озёр и крутые обрывистые берега) указывает на их термокарстовое происхождение. Для ММП выделяется достаточно широкий диапазон температур от −1 до −5 °С при мощности 60–120 м.

Район 6 относится к Приенисейской позднеплейстоценовой ледниковой аккумулятивной поверхности, сложенной суглинистыми моренными отложениям. Заозерненный, включает мерзлотные формы рельефа, из которых можно выделить системы ПЖЛ и эрозионно-термокарстовые котловины. Относится к южной тундре, с характерными кустарниковыми сообщества различных видов ив, которые формируются в условиях обильного увлажнения (в долинах рек и по понижениям рельефа на водоразделе), реже встречаются осоково-пушицевые кочкарники. Здесь характерны мощности ММП около 60–120 м. Узким диапазоном невысоких отрицательных температур от −1 до −2 °С ММП характеризуются поверхности под плоскими, часто заболоченными, кочковатыми кустарниковыми и кустарничково-моховыми тундрами. Такая стабильность температурных условий объясняется практически плоским рельефом поверхности и преобладающим моховым напочвенным покровом.

2.2. Объекты исследования

Исследования удельных потоков (УП) метана и углекислого газа проводились на территории Норильского промышленного района 3–8 июля 2023 года. Расположение точек, в которых измерялись УП, представлена на рисунке 1, координаты и описание точек – в таблице 1. Болотные экосистемы классифицировались согласно ^[17].

Рисунок 1. Схема расположения точек исследования эмиссии СН₄ и СО₂.

Таблица 1. Характеристики точек измерения эмиссии ПГ

Все точки также были сгруппированы в зависимости от типа экосистемы (с фокусировкой на степень увлажненности) следующим образом.

I. Расположенные на минеральных хорошо дренированных почвах (точки 1.1, 2.1 и 3.1, рис. 2 А–В).

Точка 1.1 находится в предгорье плато Путорана вблизи рудника Скалистый на слабонаклоненной относительно ровной поверхности, осложненной деятельностью временных водотоков, а также наличием крупнообломочного материала обвалов и осыпей. Микрорельеф поверхности мелкобугристый. Размер бугров в среднем 1,5 х 1,5 м, в высоту до 0,2 м.

Точка 2.1 расположена на слабонаклоненной слабоувлажнённой поверхности (угол наклона 3–5°) на минеральной почве.

Точка 3.1 располагается на склоне I надпойменной террасы р. Валек на слабонаклоненной поверхности (угол наклона 3–5°). Поверхность мелкобугристая, размеры бугров от 0,1 х 0,1 до 0,8 х 0,9 м.

Рисунок 2. Точки А – 1.1, Б – 2.1, В – 3.1

II. Сухие участки болотных экосистем (точки 4.2, 5.1 и 6.1, рис. 3 А–В).

Точка 4.2 находится на слабодренированном заболоченном участке Вальковской равнины. Поверхность участка бугристо-западинная, размеры бугров варьируются от 4 х 4 до 10 х 15 м.

Измерения УП ПГ проведены на бугре в крупнобугристом топяно-озерковом комплексе.

Точка 5.1 находится в Вальковской равнине в заторфованной низине. Рельеф поверхности мелкобугристый, представлен сухими буграми и влажными мочажинами. Размеры бугров варьируются от 1,3 х 1,3 м до 3 х 7 м, между ними встречаются микроозерки размером до 3–5 м. Вся исследовательская площадка 5 расположена в полигональном бугристо-озерковом болоте, измерения на точке 5.1 охватывают бугор.

Точка 6.1 расположена на Вальковской равнине в осушенной озерной котловине. Рельеф поверхности мелкобугристый, представлен сухими буграми и влажными мочажинами. Размеры бугров варьируются от 0,3 х 0,3 м до 1 х 0,4 м. Развиваются процессы заболачивания и термокарста. Статическая камера установлена на бугре в плоскобугристо-топяном комплексе.

Рисунок 3. Точки А – 4.2, Б – 5.1, В – 6.1

III. Обводненные участ