Западно-Сибирская равнина представляет собой крупнейший торфяной регион мира с содержанием торфа около 40 % от общемировых запасов. Заболачивание территории Западной Сибири в целом носит прогрессирующий характер. Последние 2000 лет оно происходит здесь со скоростью 92 км2 в год. В подзоне мелколиственных осиново-берёзовых лесов Западной Сибири, где преобладают эвтрофные осоково-гипновые и травяные болота, трансгрессия болот из очагов заболачивания замедляется. Это связано с интенсивным разложением растительных остатков в условиях переменной увлажненности и повышенной теплообеспеченности, что характерно для последних десятилетий. Именно в этой зоне можно проследить влияние изменений климата на активность болотообразования, которая, в свою очередь, определяется интенсивностью взаимообусловливающих процессов (гидротермических, биохимических, микробиологических и других). В юго-восточной части Томского района Томской области, отличающейся относительно невысокой заболоченностью, есть небольшие по площади болота, наиболее подходящие для выяснения вопроса об активности указанных процессов.
Объекты и методы исследований
Болото Газопроводное представляет собой выпуклое олиготрофное болото. Оно располагается в северобарабинском болотном округе подтаежных эвтрофных осоково-гипновых болот в сочетании с сосново-кустарничково-сфагновыми (по болотному районированию [1]) и относится к категории мелкоконтурных замкнутых (бессточных), с преимущественно атмосферным типом водно-минерального питания. Общая площадь болота в нулевых границах торфяной залежи – около 123 га, при ее максимальной глубине 2,5–2,7 м. Это характерный для междуречья Оби и Томи вариант рослого ряма, отличительной особенностью которого является абсолютная разновозрастность древостоя с нередким обособлением двух-трех поколений леса.
Исследуемые торфа относятся в основном к древесно-травяной и моховой группам верхового типа (табл.). С поверхности и до глубины 175 см торфяная залежь сложена верховыми торфами, которые далее сменяются на переходный и низинный. Степень разложения торфа варьирует от 20 до 50 %, зольность – в пределах 2,3–10,9 %. Мощность торфяной залежи – 3,25 м. Торфа являются среднекислыми и сильнокислыми (рНсол 2,2–3,6 ед.). Содержание водорастворимых и легкогидролизуемых веществ составляет 25,3–46,5 % и равномерно снижается с глубиной. Количество гуминовых кислот, напротив, увеличивается вниз по профилю, достигая максимальной величины (36,1 %) в придонном слое, сложенном низинным типом торфа. Содержание фульвокислот распределено по залежи неравномерно и варьирует в пределах 12,0–24,7 %.
Характеристика общетехнических и химических свойств торфов болота Газопроводное
|
Глуби-на, см |
Вид торфа |
Степень раз-ло-же-ния, % |
Золь-ность, % |
рН сол |
Hr |
S |
Степень насыщенности основа-ниями, % |
ВРВ+ ЛГВ,% |
ГК,% |
ФК, % |
|
мг*экв/100г с.в. |
% ОМ |
|||||||||
|
0-25 |
Комплексный-В |
25 |
4,3 |
2,21 |
104,34 |
10,53 |
9,16 |
46,5 |
17,3 |
14,8 |
|
50-75 |
Сосново-сфагновый-В |
20 |
3,1 |
2,3 |
102,85 |
12,50 |
10,84 |
34,6 |
21,5 |
23,2 |
|
100-125 |
Сосново-пушицевый-В |
50 |
2,8 |
2,4 |
98,37 |
12,5,0 |
11,27 |
34,7 |
23,8 |
16,7 |
|
150-175 |
Комплексный-В |
32 |
2,3 |
2,4 |
105,83 |
16,45 |
13,45 |
33,2 |
27,8 |
24,7 |
|
200-225 |
Травяно-гипновый-П |
32 |
3,3 |
2,9 |
73,04 |
24,35 |
25,00 |
26,4 |
35,6 |
12,0 |
|
300-325 |
Осоковый-Н |
30 |
10,9 |
3,6 |
79,00 |
38,18 |
32,58 |
25,3 |
36,1 |
22,0 |
|
325-350 |
Минеральный грунт |
- |
- |
- |
10,5 |
17,77 |
31,31 |
- |
- |
- |
Примечание. Hr – гидролитическая кислотность, S – сумма поглощенных оснований, с.в. – сухого вещества, «-» – не определялось, В – верховой торф, П – переходный, Н – низинный торф, ВРВ – водорастворимые вещества, ЛГВ – легкогидролизуемые вещества, ГК – гуминовые кислоты, ФК – фульвокислоты, ОМ – органическая масса.
Для определения плотности снежного покрова использовался весовой снегомер (Р-43). По данным снегомерной съёмки выяснялись запасы воды в снеге. В период с апреля по сентябрь на болоте проводились наблюдения за уровнем болотных вод с периодичностью 1 раз в декаду. Температурный режим изучался с помощью стационарных датчиков «АБИ». Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) определялся платинированными электродами до глубины 2–3 м один раз в 10 дней [2].
Образцы торфов для биохимических и агрохимических анализов отбирались ежемесячно буром ТБГ-1, в соответствии с ботаническим составом, до минерального грунта [2]. Биомасса микроорганизмов изучалась прямым методом с использованием люминесцентной микроскопии. Препараты просматривались на люминесцентном микроскопе МИКМЕД-2 [3].
В качестве показателей ферментативной активности учитывались: активность каталазы – газометрическим методом в модификации Ю.В. Круглова и Л.Н. Пароменской; полифенолоксидазная активность (ПФО) и пероксидазная активность (ПДО) – методом Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловской [4]. Измерения проводились в трех повторностях. Газовый режим изучался «peepers»-методом. Газовый состав анализировался на хроматографе «Кристалл-5000.1» по стандартной методике [5, 6]. Статистическая обработка полученных данных проведена с использованием программы Microsoft Excel (с доверительным интервалом 0,95).
Результаты исследований
Вегетационный период 2014 года существенно отличался от предыдущих неравномерным выпадением осадков (судя по среднемноголетним данным). Избыточное увлажнение наблюдалось в мае и июле (количество осадков составило в 2,1 и 1,2 раза больше нормы). В целом вегетационный период 2014 года можно охарактеризовать как теплый и засушливый (ГТК 0,74).
Мощность снежного покрова на болоте Газопроводное в среднем была равна 65 см, при экстремальных ее значениях 56–79 см; снегозапасы в среднем составили 139 мм. Динамика уровней болотных вод (УБВ) характеризовалась равномерным их снижением в течение всего срока наблюдений (УБВ изменялись в диапазоне от 10 до 40 см). К концу вегетационного периода УБВ снизились до 50 см от поверхности, что для болота олиготрофного типа не характерно и объясняется погодными условиями года.
Прогревание торфяной залежи (ТЗ) началось в конце мая. Активные температуры (10 °С и более) распространились вглубь залежи до глубины более 40 см и фиксировались на этой глубине в период с 10 августа по 20 сентября. Летние температуры (более 15 °С) наблюдались только в поверхностном слое залежи (0–5 см) с последней декады июня до конца августа, а на глубине 80 см и ниже по профилю температура в течение всего периода наблюдений не достигала 10 °С.
Высокие значения окислительно-восстановительного потенциала, характеризующие окислительные условия, отмечались в ТЗ на глубине до 40 см, а в глубже расположенных слоях поддерживались, преимущественно, восстановительные условия (0–100 мВ).
Ранее было установлено, что в торфяных болотах, в которых поддерживаются восстановительные условия на протяжении всего теплого периода, обитают различные группы микроорганизмов: бактерии, актиномицеты, грибы, являющиеся главными участниками торфообразовательного процесса [7]. Микроорганизмы являются основными продуцентами энзимов в почве, поэтому степень активности микрофлоры и ферментов в торфяной залежи отражает направленность торфообразовательного процесса [3, 8].
Результаты исследований показывают, что по всей ТЗ болота Газопроводное (до подстилающей породы) распространены бактерии, актиномицеты и споры грибов. Их содержание постепенно уменьшалось с глубиной. Грибной мицелий обнаруживался преимущественно в верхних слоях (до глубины 175 см) (рис. 1).
Содержание бактерий в среднем для вегетационного периода максимальных значений достигало в верхних слоях (15–30 млрд кл/г). В верхнем (0–25 см) и среднем (100–125 см) слоях торфяного профиля минимальная численность бактерий отмечалась в мае. Вероятно, весенние низкие температуры и обильные осадки подавляли развитие бактерий, особенно аэрофилов. В слоях глубже 200 см четкой сезонной динамики выявить не удалось; при этом минимум бактериальных клеток фиксировался в сентябре.
Рис. 1. Микробная биомасса в торфяной залежи болота Газопроводное
Длина актиномицетного мицелия изменялась от 30 до 350 тыс. м/г. В придонном горизонте (300–325 см) длина актиномицетного мицелия по месяцам практически не изменялась, в верхнем и среднем слоях максимум актиномицетов отмечался в июле, превышая весенние и осенние значения, в среднем, в 2 раза.
В грибной составляющей микробной биомассы на всех глубинах преобладали споры. Слабое развитие грибного мицелия на глубине ниже 200 см, вероятно, связано с изменением типа торфа – с верхового на переходный, и далее – на низинный. Аналогичные результаты были получены ранее для торфяных залежей олиготрофного типа. В поровом пространстве торфа низинного типа преобладают ультрамикропоры, размером менее 5 мкм, в которых развитие микроскопических грибов проблематично [9, 10].
Результаты наблюдений за динамикой ферментативной активности показали, что общая каталазная активность в условиях 2014 года в ТЗ изменялась от 0,51 до 7,32 мл О2 / г * 2 мин (далее – ед.) при среднем значении 1,83 ед. (рис. 2).
Наибольшей активностью фермента характеризовался верхний, хорошо аэрируемый слой 0–25 см, в котором отмечаются контрастные гидротермические условия. В сезонной динамике общей каталазной активности в верхних (0–75 см) и нижних (200–325 см) слоях ТЗ отчетливо отмечался майский максимум активности, когда наблюдались невысокие температуры в сочетании с повышенной влажностью.
Рис. 2. Ферментативная активность в торфяной залежи болота Газопроводное
Активность полифенолоксидазы изменялась в ТЗ в течение периода наблюдений в пределах 0,13–6,72 мг 1,4-бензохинона / г * 30 мин (далее по тексту – ед.), при среднем значении 1,33 ед. Ранее исследователями экспериментально было доказано [9], что при увеличении аэрации активность ПФО возрастает. Результаты наших исследований показывают, что, как и в случае с каталазой, самые высокие показатели ПФО отмечались в верхнем, аэробном слое 0–25 см (рис. 2). Сезонная динамика активности ПФО в разных слоях залежи различалась. В верхнем слое (0–25 см) наибольшая активность фермента зафиксирована в сухие периоды (июнь, август). В средней части ТЗ (50-175 см) благоприятные условия для деятельности ПФО отмечались, преимущественно, в мае и сентябре, а в нижней (200-325 см) – в июле–августе.
Активность пероксидазы в ТЗ составила 0,69–26,19 мг 1,4-бензохинона / г*30 мин (далее – ед.), при среднем значении 8,80 ед. Слой ТЗ мощностью 0–175 см характеризовался низкими показателями ПДО (не превышающими 8,16 ед.). В более глубоких слоях с восстановительными условиями и более низкой температурой, активность ПДО возрастала в 3–5 раз, по сравнению с верхними горизонтами.
Исследование газового режима в ТЗ болота Газопроводное показывает, что в период наблюдений происходило увеличение концентрации СО2 и CH4 с глубиной (рис. 3). Концентрация CH4, в среднем за летний период, составила 0,10 ммоль/л. Сезонная динамика метана в верхнем (0–25 см) и глубже расположенных слоях различалась. Максимальные значения CH4 на всех исследуемых глубинах ТЗ зафиксированы в мае, но в последующие месяцы изменения по глубинам были не одинаковы. В аэробном слое концентрация метана в июне снизилась в 8 раз и не изменялась в последующие месяцы. В слое 125 см концентрация метана, близкая к весенним значениям, отмечалась в июле и августе. В слоях глубже 200 см в летний период концентрация метана снизилась примерно в 1,5–2 раза.
Рис. 3. Изменение концентрации СН4 и СО2 в торфяной залежи болота Газопроводное
Высокая концентрация СН4 в мае в верхних слоях ТЗ могла быть связана с обильными осадками и, как следствие, высоким УБВ. Ухудшение аэрации могло привести к повышению активности метаногенных микроорганизмов, и снижению активности метанотрофных.
Концентрация СО2 в залежи, в среднем за летний период, составила 0,24 ммоль/л (пределы – 0,00–0,41 ммоль/л). Минимальные значения отмечались в верхнем слое 0–25 см (0,00–0,06 ммоль/л). Увеличение концентрации СО2 с глубиной совпадает с увеличением концентрации СН4 и с активностью ПДО, но противоположно каталазной и полифенолоксидазной активности, а также общему содержанию микроорганизмов, численность которых с глубиной падает. Очевидно, что в нижней части ТЗ микробиологические и биохимические процессы протекают относительно активно, но с участием специфической микрофлоры (отличной от микрофлоры верхних, аэробных, слоев).
Анализ сезонной динамики показал, что, начиная с глубины 100–125 см, наиболее высокая концентрация СО2 отмечалась в мае и июле.
Выводы
1. Динамика гидротермического и окислительно-восстановительного режимов болота Газопроводное в условиях теплого и засушливого вегетационного периода 2014 г. характеризовалась следующими параметрами: уровни болотных вод варьировали в диапазоне 10–40 см, глубина прогревания торфяной залежи до активных температур (10 °С и выше) составляла около 50 см. Окислительные условия отмечались только в поверхностном слое (0–20 см).
2. Наибольшее количество микроорганизмов отмечалось в верхних слоях ТЗ болота. В структуре микробной биомассы преобладала бактериальная составляющая. Грибной компонент в верхних слоях залежи был представлен мицелием и спорами, в нижних – преимущественно спорами. Сезонная динамика наиболее заметно проявлялась в верхних слоях залежи, подверженных воздействиям гидротермических условий окружающей среды.
3. Окислительно-восстановительные процессы, регулируемые каталазой и полифенолоксидой, наиболее интенсивно протекали в верхнем, аэробном слое (0–25 см) ТЗ. Нижняя часть ТЗ (глубже 175 см) отличалась высокой активностью пероксидазы.
4. Интенсивность образования диоксида углерода и метана увеличивалась с глубиной, наиболее активное образование СН4 фиксировалось в мае, августе и сентябре, СО2 – в мае и июле.
5. Анализ результатов режимных исследований показывает, что в условиях сухого летнего периода происходит активизация биохимических процессов по всей ТЗ олиготрофного болота, но наибольшая активность проявляется в слое 0–25 см.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки (госзадание ТГПУ № 5.7004.2017/БЧ).