Проект «РИТМ»: ученые Полярно-альпийского ботанического сада-института изучают дыхание тундры

Важнейший инновационный проект государственного значения «РИТМ» начал работу в сентябре 2022 года для разработки единой национальной системы мониторинга климатически активных веществ на территории страны. Для этого необходимо объединить данные наземного мониторинга, дистанционного зондирования и математического моделирования, создать систему учета данных по потокам парниковых газов и бюджету углерода в наземных экосистемах. Ради исследования изменения климата с целью научного и информационно-аналитического управления климатическими рисками, были созданы шесть научно-образовательных центров (консорциумов). В самый крупный из них, на 21 организацию, входят и подразделения Кольского научного центра РАН – Институт проблем промышленной экологии Севера и Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина.

Целью шестого консорциума, ведущим учреждением которого выступает Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов Российской академии наук, является разработка системы наземного и дистанционного мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, создание системы учета данных о потоках климатически активных веществ и бюджете углерода в лесах и других наземных экологических системах. Основная задача ученых Ботанического сада – оценка параметров первичной продуктивности и основных составляющих цикла углерода в биогеоценозах горных тундр Кольской Субарктики.

Исследовательские планы, которые поставил перед собой научный коллектив ПАБСИ на 2023-24 годы, таковы: изучить видовое и структурное разнообразие растительного покрова; провести оценку запасов надземной и подземной фитомассы типичных растительных сообществ Хибин; определить эмиссию СО² из подземной сферы; изучить морфологическое строение и аналитическую характеристику почвы, запасы подстилки, сезонную динамику температуры и влажности почвы; определить содержание и запасы углерода и азота в пулах почвы и растительности, а также растворенного углерода и азота – в атмосферных осадках. Еще одна задача – определение почвенной микробной биомассы методом субстрат-индуцированного дыхания и базального дыхания.

О том, как шли работы по проекту «РИТМ», рассказывает главный научный сотрудник Полярно-альпийского ботанического сада-института, доктор биологических наук Наталья Юрьевна Шмакова:

– Похожей проблематикой мы занимались давно, еще в конце 90-х годов – была тема НИР, по окончании которой вышла книга. Тогда мы изучали накопления углерода во всех блоках экосистемы. Были получены сведения об основных составляющих продукционных и деструкционных процессов, составлены схемы углеродного цикла для типичных сообществ разного видового состава и экологической приуроченности. Результаты представляли значительный интерес для оценки роли тундровых экосистем в планетарном балансе углерода.

Сейчас мы вернулись к этой теме и по проекту «РИТМ» исследуем биом горной тундры. Для этого на северо-восточном склоне горы Вудъяврчорр (заповедная территория ПАБСИ) на высоте около 600 метров над уровнем моря заложили десять новых постоянных пробных площадей (десять на десять метров, в пятикратной повторности) на расстоянии 50 метров друг от друга, в двух типах фитоценозов. Постоянные пробные площади заложены в наиболее характерных для горной тундры типах сообществ – кустарничково-лишайниковых на выходах коренных пород (лишайниковый тип) и кустарничковых, расположенных в понижениях рельефа (ерниковый тип). Элементы мозаичности выбраны по доминирующим видам. Для горно-тундрового пояса Хибин характерна большая пестрота растительного покрова, вызванная влиянием мезо- и микрорельефа и неоднородностью микроклиматических условий.

Первый полевой выход сотрудников Сада на Вудъяврчорр для закладки площадок состоялся сразу после схода снега, 12 июня 2023 года. Далее геоботаник Екатерина Копеина провела описание растительности. Выполнена съемка и картирование мозаичности растительного покрова для выбранных типов сообществ. 

Затем с помощью компьютерной программы ученые определили площадь отдельных элементов мозаичности фитоценозов (микрогруппировок). В лишайниковом фитоценозе выделили три доминирующих элемента мозаики. Растительный покров здесь разрежен, пятна голого грунта составляют до 47 процентов. Доминирующими видами среди лишайников можно назвать флавоцетрарии снежную и клобучковую, цетрарию исландскую, алекторию бледно-охряную. Из кустарничков встречаются карликовая береза, вороника, черника и голубика, которые принимают распростертую форму.

Для кустарничковых сообществ выделили четыре доминирующих элемента мозаики растительного покрова. Наибольший процент площади занимает голубично-вороничная мохово-лишайниковая микрогруппировка – в среднем 44 процента.

В целом летняя работа ботаников состояла из нескольких блоков. Основной блок – определение эмиссии CO₂ из подземной сферы. Для этого на всех пробных площадях выбранных типов сообществ установили 50 круглых камер из ПВХ диаметром 110 миллиметров и высотой до 14 сантиметров, а надземный растительный покров срезали на уровне почвы. Потоки СО₂ еженедельно с конца июня замеряли при помощи газоанализаторов LI-COR-850 и VENTPro. Одновременно вели измерения температуры и влажности почвы на глубине пяти и десяти сантиметров.

– Эти приборы – общие для всех участников проекта «РИТМ», - рассказывает Наталья Юрьевна. – Они были модернизированы специально для подобных замеров инженером из Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН в Пущино. Подобными приборами мы можем работать до пяти часов, на это время хватает зарядки. У нас в саду их три и один оригинальный, очень точный. Двадцать лет назад приборы предназначались для исследования еще и углекислотного газообмена надземной части фитоценозов, а сегодня задача измерять эмиссию только из подземной сферы, так называемое «дыхание биоценоза», которое складывается из дыхания корней, микроорганизмов и даже зооценоза - в проект входит учет видового состава и количества дождевых червей. Их, кстати, в лишайниковом типе сообществ не оказалось совсем, а в ерниковом - в небольшом количестве.

В конце июля в Ботанический сад прибыла группа из трех почвоведов МГУ – они помогали почвоведу лаборатории биогеоценологии Татьяне Литвиновой закладывать почвенные разрезы.

– Почвенный блок исследований - второй по значимости после замеров эмиссии СО₂, – рассказывает Наталья Шмакова. – Мы провели полнопрофильные исследования, заложив 31 почвенный разрез и сделав 21 прикопку. Разрезы надо было делать с учетом микросообществ до минерального горизонта, выбрать образцы почв по генетическому профилю, отобрать часть на химический анализ, а также взять монолиты из надземной и подземной части для исследования запасов фитомассы. Кроме того, мы отобрали образцы почвы по горизонтам на определение микробиоты, которые отправили самолетом в специальных сумках-холодильниках на анализ в Москву. Там методом субстрат-индуцированного и базального дыхания оценивают состояние микробной биомассы по вкладу дыхания, упор будет сделан на содержание углерода и азота.

В дальнейшем надземные и подземные части растений, а также почвы будут превращены в пудру для определения содержания углерода и азота в твердых средах. Этим занимаются в Центре коллективного пользования ИППЭС КНЦ РАН. Затем мы, с учетом содержания этих элементов в компонентах биогеоценоза, рассчитаем запасы углерода в надземном и подземном блоках.

Также летом в полевых условиях проводили отбор атмосферных осадков – на каждой площадке установили по три осадкосборника. Ученые ПАБСИ определяют объемы, кислотность растворов, а затем передают осадки в ЦКП для дальнейшего анализа на растворенные углерод и азот, дополнительно отслеживают электропроводность.

К сегодняшнему дню полностью разобрана фитомасса, определена микробная часть, идет подготовка проб растений и почвы для дальнейших анализов все пробы для дальнейшего определения азота и углерода, идет подготовка для анализа надземной части:

– Фитомасса отбирается в сроки максимального развития растений, когда уже полностью сформированы листья, появился годичный прирост. Тут следует быть очень внимательными, не пропустить, чтобы листья не начали желтеть, а у нас в тундре этот период очень короткий, – рассказывает Наталья Шмакова. – Все нужно было собрать за два-три дня, а затем разобрать, причем даже мхи, а это такие мелкие организмы, особенно печеночники! Мы на разбор фитомассы приглашали и временных работников, и студенток Череповецкого университета.

Когда результаты будут собраны полностью, можно будет составить баланс поступления углерода.

– Вообще газообмен и фотосинтетический аппарат – наше доминирующее направление исследований, можно сказать, – наш конек, мы в этом сильны. Но что получится по новым данным? Ведь прошло уже больше двадцати лет со времени предыдущих исследований. Интересно будет сравнить! – говорит Наталья Юрьевна. – Сейчас поступление углерода будет оцениваться по годичной весовой продукции, далее, и на основании балансовой цифры, в итоге проекта мы должны сделать вывод, является ли этот биоценоз стоком или источником. То есть накапливает он или отдает углерод. Хотя, как правило, в горных тундрах основная часть углерода концентрируется и закрепляется в подземной части, в почве. Считается, что в стационарном состоянии этот показатель должно быть на уровне нуля, то есть, сколько получили, столько и израсходовали. У нас же до 80 процентов углерода закрепляется, а эмиссия в горных тундрах совсем небольшая.

– Если наши почвы являются накопителем углерода, то что произойдет, если они начнут его отдавать?

– Существует гипотеза о положительной обратной связи между глобальным потеплением и изменением характера углеродного баланса тундровых биогеоценозов со стока на источник углерода. Суть гипотезы: потепление климата в Арктике может привести к ускорению процессов разложения органического вещества в почвах тундровых экосистем. Возможное увеличение первичной продукции не сможет компенсировать увеличение дыхания, то есть произойдет освобождение в атмосферу значительных количеств пассивного в настоящий момент углерода. Таким образом, будет спровоцирован дополнительный парниковый эффект, что приведет к еще большему потеплению климата, стимулируя дальнейший процесс потери углерода тундрами.

Будущим летом ученые ПАБСИ планируют сосредоточиться на эмиссии углерода, а также намерены изучить углекислотный газообмен надземной части сообществ при различном сочетании внешних условий. Планы по «РИТМу» на 2024 год определены, возможно, он продлится и до 2030 года.

– Проект очень масштабный – говорит Наталья Шмакова. – Да, углеродный след и раньше в России изучали, но вот чтобы так скоординировано и массово – это впервые. В дальнейших планах «РИТМа», кроме отработки всех методик и создания единых измерительных инструментов, – установка метеорологических вышек, которые будут автоматически собирать данные в труднодоступных районах, включая как горную, так и зональную тундру. Сеть национального мониторинга позволит тем, кто станет в будущем заниматься климатическими проблемами, держать их на постоянном контроле и делать своевременные шаги для улучшения ситуации.