Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ОЛИГОТРОФНОГО БОЛОТА В ЗАСУШЛИВЫХ УСЛОВИЯХ

Порохина Е.В. 1 Сергеева М.А. 1 Дырин В.А. 1 Маслов С.Г. 2 Егорова А.В. 2
1 Томский государственный педагогический университет
2 Институт природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета
Торфяные болота – уникальные экосистемные образования биосферы: они способны чутко реагировать на изменения внешних условий. Есть данные, согласно которым в подзоне мелколиственных осиново-берёзовых лесов Западной Сибири трансгрессия болот из очагов заболачивания замедляется. В этой зоне можно отчетливо проследить влияние изменения климата на активность болотообразования, которое обусловлено рядом взаимозависимых процессов, в первую очередь, гидротермических, микробиологических, биохимических. В работе приводятся результаты изучения динамики перечисленных процессов в олиготрофной торфяно-болотной экосистеме, находящейся на территории Томского района Томской области. Общая площадь болота – около 123 га; максимальная глубина торфяной залежи – 2,5–2,7 м. В течение вегетационного периода 2014 года здесь были проведены исследования разных режимов функционирования болота. Погодные условия периода наблюдений характеризовались как теплые и засушливые. Уровни болотных вод варьировали в диапазоне 10–40 см, глубина прогревания торфяной залежи до активных температур (до 10 °С и выше) составляла около 50 см. Окислительные условия отмечались только в поверхностном слое (0–20 см). В результате изучения в экосистеме режимов было показано, что в условиях сухого летнего периода 2014 г. происходила активизация микробиологических и биохимических процессов по всему профилю торфяной залежи и наиболее заметно – в слое 0–25 см. Очевидно, что и торфообразовательный процесс в указанный период протекал с наибольшей активностью на этой глубине.
торфяно-болотная экосистема
торфогенез
торфяная залежь
динамика процессов
гидротермический режим
окислительно-восстановительные условия
биохимический режим
газовый режим
эмиссия парниковых газов
1. Болотные системы и их природоохранное значение / О.Л. Лисс, Л.И. Абрамова, Н.А. Аветов и др. – М., 2001. – 584 с.
2. Инишева Л.И. Болотообразовательный процесс. Проведение полевых исследований на болотных стационарах / Л.И. Инишева, О.А. Голубина. – Томск: Изд-во ТГПУ, 2010. – 67 с.
3. Структура микробных сообществ верховых и низинных торфяников Томской области / Т.Г. Добровольская [и др.] // Почвоведение. – 2012. – № 3. – С. 317–326.
4. Инишева Л.И. Руководство по определению ферментативной активности торфяных почв и торфов / Л.И. Инишева, С.Н. Ивлева, Т.А. Щербакова. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. – 122 с.
5. Steinmann Ph., Shotyk W. Sampling anoxic pore water in peatlands using ''peepers'' for in situ-filtration. Fresenius J. Anal. Chem., 1996, pp. 709–713.
6. Наумов А.В. Дыхание почвы: составляющие, экологические функции, географические закономерности / А.В. Наумов. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. – 208 с.
7. Болотные стационары Томского государственного педагогического университета : коллективная монография / Л.И. Инишева, В.Ю.Виноградов, О.А. Голубина [и др.]. – Томск: ТГПУ, 2010. – 148 с.
8. Инишева Л.И. Биохимические процессы образования парниковых газов в болотах Горного Алтая / Л.И. Инишева, А.В. Головченко, Г.В. Ларина // Журнал общей биологии. – 2016. – Т. 77. – № 4. – С. 92–104.
9. Функционирование микробных комплексов в верховых торфяниках – анализ причин медленной деструкции торфа / отв. ред. И.Ю. Чернов. – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2013. – 128 с.
10. Головченко А.В. Микробиологические основы оценки торфяника как профильного почвенного тела / А.В. Головченко, Т.Г. Добровольская, Д.Г. Звягинцев // Вестник ТГПУ. – 2008. – Вып. 4 (78). – С. 46-53.

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).


Библиографическая ссылка

Порохина Е.В., Сергеева М.А., Дырин В.А., Маслов С.Г., Егорова А.В. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ОЛИГОТРОФНОГО БОЛОТА В ЗАСУШЛИВЫХ УСЛОВИЯХ // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 5.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=26760 (дата обращения: 23.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252