Введение
Многолетнемерзлые породы Восточной Сибири содержат крупные запасы органического вещества, накопленного в течение тысяч и десятков тысяч лет. Пока грунт остается мерзлым, значительная часть этого углерода недоступна для микробного разложения. Повышение температуры и увеличение мощности сезонноталого слоя переводят ранее законсервированное органическое вещество в биогеохимически активное состояние. Наиболее важное различие проходит между постепенным оттаиванием сверху и быстрым термокарстовым разрушением льдистых грунтов. Во втором случае просадка поверхности, образование озер и изменение дренажа способны вовлекать в современный круговорот глубокие плейстоценовые горизонты, которые обычные модели активного слоя учитывают неполно [2,6]. Цель статьи – систематизировать механизмы высвобождения, переноса и стабилизации почвенного углерода при деградации мерзлоты Восточной Сибири. Работа является обзорно-аналитической и основана на опубликованных полевых, лабораторных и модельных исследованиях.
Материалы и методы
Материал отбирался по трем группам исследований: модельные оценки глубины оттаивания и термокарста; лабораторные инкубации мерзлотных почв; полевые измерения форм углерода в реках, озерах и термокарстовых водоемах. Такой подход позволяет проследить цепочку от физического оттаивания грунта до микробной минерализации и гидрологического экспорта. В качестве основных показателей использовались мощность сезонноталого слоя, запас органического углерода, концентрация растворенного органического углерода, поток CO2 и CH4, а также радиоуглеродный возраст органического вещества. Радиоуглеродные данные особенно важны для отделения современного углерода растительного происхождения от древнего углерода мерзлоты. Температурная чувствительность микробного разложения описывалась коэффициентом Q10, показывающим, во сколько раз изменяется скорость процесса при повышении температуры на 10 °C. По метаанализу инкубационных экспериментов повышение температуры на 10 °C примерно удваивало суммарное высвобождение углерода из мерзлотных почв [3].
Результаты
Моделирование льдистых низменностей северо-восточной Сибири показывает, что учет термокарстовых процессов резко повышает оценку количества органического углерода, переходящего в талое состояние при сильном потеплении. В сценариях интенсивного потепления во второй половине XXI века эффект таяния избыточного льда и просадки рельефа становится сопоставимым или больше эффекта одного только постепенного углубления активного слоя [2]. Физическое оттаивание не означает немедленного поступления всего углерода в атмосферу. Часть вещества остается сорбированной на минеральной поверхности, часть переносится водой, часть включается в современную пищевую сеть. Исследования плейстоценовой мерзлоты показывают, что минерально-ассоциированная фракция способна быть существенно устойчивее свободного органического вещества [7]. После оттаивания судьба углерода определяется влажностью. Метаанализ лабораторных экспериментов показал, что при аэробной инкубации мерзлотные почвы высвобождали существенно больше углерода, чем при анаэробной [3]. При этом в переувлажненных условиях возрастает доля метана, обладающего более высоким потенциалом потепления на единицу массы. Поэтому осушение и обводнение термокарстовых форм дают различные климатические траектории. Хорошо дренированная просадочная поверхность благоприятствует аэробному дыханию и CO2, тогда как озерные и болотные микросреды увеличивают вероятность метаногенеза. В верховьях бассейна Колымы обнаружен растворенный органический углерод древнего радиоуглеродного возраста, который может активно использоваться микробными сообществами [4]. Однако в более крупных водотоках и многих внутренних водоемах значительная часть эмитируемого углерода имеет современное происхождение [5]. Это показывает, что усиление термокарста меняет углеродный цикл не только через прямое высвобождение древнего вещества, но и через перестройку современной продуктивности и водной биогеохимии. Следовательно, оценка мерзлотно-углеродной обратной связи должна включать физическую скорость оттаивания, гидрологический режим и биодоступность органического вещества. Один только запас углерода в мерзлоте не позволяет напрямую оценить будущие выбросы.
Заключение
Деградация многолетней мерзлоты Восточной Сибири переводит древний органический углерод из мерзлого резервуара в активный биогеохимический цикл, но дальнейшая судьба этого углерода неоднозначна. Термокарст ускоряет вовлечение глубоких горизонтов, тогда как минеральная стабилизация и гидрологический экспорт способны задерживать часть вещества. Ключевым регулятором газового отклика является увлажнение: аэробные условия усиливают CO2-выделение, а анаэробные – повышают относительную роль CH4. Поэтому надежный прогноз требует сопряжения мерзлотных, гидрологических и биогеохимических наблюдений, включая радиоуглеродный анализ.