Недооцененная угроза
Как новый метод анализа переворачивает представления о тающей мерзлоте
Вечная мерзлота, покрывающая четверть Северного полушария, долгое время считалась пассивным хранилищем углерода. По мнению почвоведов Томского государственного университета, в условиях стремительного изменения климата таяние мерзлых многолетних почв может оказать значительное влияние на реки, озера и атмосферу, так как в окружающую среду будут выделяться не только парниковые газы, но и большое количество химических элементов. Это может оказать косвенное влияние на баланс углекислого газа на планете. Результаты исследования геохимических процессов, связанных с таянием вечной мерзлоты, ученые ТГУ представили в новом выпуске журнала Geoderma.
В экспедиции
Фото: Предоставлено Сергеем Лойко
В экспедиции
Фото: Предоставлено Сергеем Лойко
Чтобы количественно оценить потенциал переноса растворенных веществ из мерзлых почв в смежные воды, сотрудники лаборатории «БиоГеоКлим» ТГУ отобрали образцы почв в зоне сплошной вечной мерзлоты в Тазовском районе ЯНАО. Ученые исследовали воду, которая находилась в почвенных порах, дисперсный лед и водные фильтраты на наличие 77 растворенных веществ, включая органические и неорганические химические элементы и соединения.
Результаты анализа заметно варьировались в зависимости от способа отбора проб. Широко распространенным подходом является высушивание почвы с последующей вытяжкой веществ, концентрацию которых необходимо измерить. Более трудозатратной процедурой является работа с нативными пробами, которые в мерзлом состоянии были доставлены в лабораторию, разморожены и проанализированы.
«Концентрации некоторых растворенных веществ в вытяжках из высушенных проб были в десятки раз ниже, чем в нативных пробах воды из талых образцов. То есть, когда мы работаем по стандартным методикам, происходит недооценка концентрации многих веществ»,— поясняет один из авторов статьи, заведующий лабораторией «БиоГеоКлим» ТГУ Сергей Лойко.
К наиболее интересным итогам исследования ученые относят тот факт, что многолетний лед глеезема содержит в 30 раз больше марганца, чем воды талых горизонтов. Результат этого обогащения виден в реках, которые активно выносят марганец в окружающую среду по мере оттаивания многолетней мерзлоты.
Максимальные концентрации ароматических органических соединений, а также таких элементов, как железо, алюминий и ряд нерастворимых микроэлементов, были обнаружены на глубине 40–90 см. Эта зона находится непосредственно над границей вечной мерзлоты, в пределах так называемого активного слоя — той части почвы, которая ежегодно оттаивает и замерзает.
«При всех рассматриваемых сценариях потепления климата таяние минеральных почв в регионах вечной мерзлоты будет сказываться на балансе между экосистемами суши и прибрежной зоны,— считает один из авторов статьи, сотрудник лаборатории “БиоГеоКлим” ТГУ Артем Лим.— Таяние дисперсного льда, находящегося в порах почвы, вероятно, приведет к высвобождению значительного количества органического углерода, а также органических и неорганических макро- и микроэлементов».
Фото: Предоставлено Сергеем Лойко
Фото: Предоставлено Сергеем Лойко
С одной стороны, это потенциально важный механизм обратной связи с потеплением климата, поскольку мобилизованный органический углерод и питательные вещества могут быть вынесены в крупные реки и в конечном итоге в прибрежную зону Северного Ледовитого океана. С другой стороны, токсичные металлы, хранящиеся во льду, также могут выщелачиваться в водную среду, создавая экологические риски.
Как отмечают ученые, опосредованное влияние высвобождаемых элементов на климат и окружающую среду заключается в том, что многие из них увеличивают биологическую продуктивность экосистем. Увеличение количества органики в водоемах способствует большему захвату кислорода, выделению продуктов ее разложения в виде углекислого газа и метана.
Повышенная продуктивность — это более высокие кустарники и деревья, снижение скорости приземного ветра, меньшее выстуживание, увеличение снежного покрова и, соответственно, повышение температуры почвы. Все эти явления будут выступать вторичными факторами, способствующими потеплению.
По мнению ученых, на начальных этапах может возникнуть «эффект домино». Дополнительный выброс газов будет усиливать парниковый эффект, вызывая еще более быстрое таяние мерзлоты, что, в свою очередь, приведет к еще большему высвобождению растворенного органического углерода. Однако по мере потепления и усиления продуктивности растений должно усилиться заболачивание, а значит, и захват углекислого газа, что будет компенсаторным стабилизирующим механизмом.
Сергей Лойко, заведующий лабораторией биогеохимических и дистанционных методов мониторинга окружающей среды ТГУ, кандидат биологических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Почему стандартные методы анализа высушенной почвы сильно недооценивают реальную концентрацию вредных и полезных веществ в вечной мерзлоте по сравнению с анализом замороженных проб?
— После полного высушивания, согласно аналитическим стандартным протоколам, многие соединения переходят в нерастворимое состояние, необратимо сорбируются, коагулируют и т. д. Поэтому вторичный раствор сильно отличается от первичного нативного.
— Какие конкретно опасные вещества (например, марганец, токсичные металлы) и полезные элементы высвободятся при таянии мерзлоты и как они попадут в реки и океан?
— Опасными и токсичными вещества, когда мы говорим про химические элементы, становятся при достижении и многократном превышении ПДК. Поэтому тут лучше просто говорить о химэлементах, дополнительно выделяющихся: это, например, кальций, магний, никель, уран, кремний, барий, соединения углерода. В океан попадут лишь те, что не будут перехвачены растительностью. То есть не сразу, вначале большая часть будет перехватываться растениями, потом уже из растений будет все это вымываться, очень плавно увеличивая концентрации в водах.
Фото: Предоставлено Сергеем Лойко
Фото: Предоставлено Сергеем Лойко
— Как запускается «эффект домино», при котором таяние мерзлоты приводит к дополнительным выбросам парниковых газов и еще большему потеплению?
— Мерзлота тает, растет эмиссия углекислого газа, затем метана, они влияют на увеличение потепления, таяние мерзлоты усиливается.
— Каким образом высвобождаемые из мерзлоты элементы могут одновременно увеличивать биологическую продуктивность растений и способствовать дальнейшему потеплению?
— При таянии высвобождаются десятки элементов. Соединения углерода и закись азота способствуют потеплению через парниковый эффект. Кальций, магний, фосфор, азот, калий, уменьшение концентрации токсичного алюминия способствуют росту продуктивности растений. Больше растений, больше испарения, больше влажность воздуха, а пары воды способствуют усилению парникового эффекта. Но если растения растут, то они активнее углекислый газ накапливают.
— Какой процесс в долгосрочной перспективе может перевесить — усиление парникового эффекта или стабилизация за счет захвата углекислого газа при заболачивании?
— В долгосрочной перспективе «раскисшая» мерзлота, термокарстовые понижения... Все это очаги активизации заболачивания и накопления торфа, секвестрации углерода.