Второго февраля на планете отмечается Всемирный день водно-болотных угодий. Болота есть на всех континентах, кроме Антарктиды, и именно болота считаются главными «кладовыми» углерода. Учёный Биологического института Томского государственного университета, болотовед Ирина Волкова рассказала, почему сибирские торфяники обладают самым высоким КПД, какую роль в захоранивании углерода играют бактерии, живущие без кислорода, и как болота помогают людям, смягчая засуху и половодье.
«Летопись» Земли
– Ирина Ивановна, общеизвестно, что болота аккумулируют парниковые газы и тем самым защищают планету от перегревания. Как именно это происходит?
– Наверное, стоит начать с того, что болото – система очень древняя. Три её основных компонента – вода, органические отложения в виде торфа и специфическая растительность – определяют существование друг друга и экосистемы в целом.
В далёком прошлом наша сибирская территория пережила значительное оледенение. Около 10-12 тысяч лет назад оно исчезло, после этого появились торфяники, которые начали аккумулировать углерод, – это и есть наши современные болота.
Конечно, подобные экосистемы существовали и гораздо раньше. Например, на территории Греции обнаружен древнейший торфяник в мире, ему 700 тысяч лет, а торф уходит на глубину 190 метров. Он продолжал расти – вплоть до осушения торфяников для сельскохозяйственных нужд в период с 1931 по 1944 год. Сразу же после осушки торфа началась деградация торфяника, просадки грунта и разрушение инфраструктурных сооружений.
Болота не зря называют естественными природными летописями. Они своё органическое вещество – недоразложившиеся растения, остатки животных (встречались даже мумии людей) – накапливают слой за слоем, и получаются как бы фотографии, которые отражают условия прошлого. По ним, как по книге, можно прочесть, каким был климат на планете в тот или иной период времени.
– Как учёные читают эту природную летопись?
– С помощью бурения можно пройти до самого дна, вынуть торфяную колонку, разделить её на разные порции, в зависимости от того, какая исследовательская цель перед нами стоит. Если необходимо установить, какая была растительность на окружающей болото территории, нужно использовать метод спорово-пыльцевого анализа. Для этого пробы обычно берутся не более пяти сантиметров высотой. Если нас интересует растительность не регионального уровня, а именно, в конкретной точке болота, мы берем образцы по десять сантиметров и проводим анализ макроостатков.
Листья, веточки, корешки, отдельные ткани и клетки болотных растений мы идентифицируем, то есть определяем, к какому виду они принадлежат. Рассчитываем пропорции, в каком соотношении находятся остатки: какие виды доминировали в растительном покрове болота, а каких было мало.
Радиоуглеродное датирование определяет возраст образцов, то есть устанавливает, когда именно эта растительность покрывала болото, как она менялась со временем, пока болото тысячелетиями росло и вширь, и вверх, накапливая органику, а в ней – углерод.
Кроме этих методов, для палеоэкологических реконструкций есть и другие: по раковинным амебам, диатомеям, по химическим элементам. Поэтому всегда интереснее работать, когда в исследовании задействованы разные специалисты, которые применяют совокупность методов, а такой мульти-прокси-подход повышает достоверность реконструкции.
Бессмертный сфагнум
– Ирина Ивановна, почему болотные растения не разлагаются подобно тому, как это происходит в лесу?
– Это объясняется условиями, в которых существуют растения на болоте. Среда там холодная и кислая. Болотная флора имеет специфический химический состав, особенно сфагновые мхи: как раз именно они, начав разлагаться, создают кислую среду, которая выступает консервантом.
Есть и другой важный фактор. Полностью разложить растения способны бактерии – деструкторы, которым нужен кислород. На глубине торфяников его нет, там живут другие микроорганизмы – анаэробные, которые в своей жизнедеятельности обходятся без кислорода, но они не способны разложить остатки до такой степени, чтобы торфяная залежь стала просто минеральной почвой. Растения, поглотившие углерод из атмосферы в процессе фотосинтеза, в полуразложившемся состоянии год за годом, век за веком укладываются слоями в торфяники. Так и происходит захоронение углерода.
У нас распространены преимущественно сфагновые болота. Стоит отметить, что именно они имеют самый высокий КПД с точки зрения способности улавливать и захоранивать углерод. Мангровые болота, например, у которых на поверхности находится водоём, тоже поглощают его, но не в таких количествах. Там совсем другие условия – температура, влажность, соответственно, растительность и микроорганизмы тоже сильно отличаются. Разложение органики идет интенсивнее, и много углерода возвращается назад в атмосферу.
Болото – это не просто самое мокрое и грязное место, каким его принято считать. Это природный комплекс, который во многом зависит от увлажнения. Например, в горах формируются особые типы – висячие болота. Грунтовая вода местами выклинивается из склона, там накапливается торф, хоть слой и не мощный, но есть. В Англии из-за повышенной влажности воздуха свой уникальный тип болот – торфяники-плащи.
Самые болотные организмы, которые распространены в Сибири и Субарктике, – мхи, в особенности, сфагнум. Они, с одной стороны, требуют болотных условий, с другой – сами создают эту среду. Сфагновые мхи устроены очень интересно – у них два типа клеток. По форме одни как сосиски, другие как сардельки. Лежат в один слой. Те, которые сардельки, имеют поры. Во влажном состоянии они заполнены водой, в сухом – воздухом. Структура сфагнума она очень пористая, благодаря чему растение впитывает в 30 раз больше воды, чем весит само. То есть 100 граммов сфагнума могут удержать три литра воды.
Сфагнум по строению вообще очень необычное растение – у него не только два типа клеток, но и два типа «веток». Есть веточки, которые отстоят в стороны, ими сфагны «держатся» за своих «собратьев». Ведь они растут на 0,5–1 см в год, все вместе, как дернина, а по одному не смогут стоять, падают. Сфагнум каждый год нарастает бесконечно «головой» и отмирает «ногами». Можно сказать, что это растение бессмертно.
Второй тип веточек свисает вдоль стебля. Если выдернуть сфагнум, мы увидим, что стебелек со свисающими веточками создает систему капиллярного поднятия воды. Работает он, как промокашка: если её опустить в стакан, вода поднимется наверх. Если «ноги» сфагнума опустить в воду, они всосут воду до самой «головы».
У верхового болота верхняя часть будет значительно выше того, что его окружает, при этом на верхушке оно не высохнет, всё равно останется влажным. Из-за специфики болотной растительности вода из болота уходит не сразу, а постепенно. Поэтому болота сглаживают пики паводков в реках, что тоже является очень важной экосистемной услугой человечеству. Если бы не было болот, то в период таяния снега выброс воды происходил бы залпами – но болота подобно губке втягивают воду и постепенно её отдают. С другой стороны, во время жары они осуществляют обратный процесс – отдают воду порциями и смягчают засуху.
Говорят, леса – это легкие Земли. Болота тоже так можно назвать, ведь они задерживают углерод, но они, скорее, не легкие, а почки планеты. Благодаря пористости растений и торфа они очень хорошо фильтруют воду. Наши западносибирские болота на определенной стадии развития приобретают выпуклую форму, становятся верховыми, и вода начинает стекать в стороны, при этом она очень чистая.
– Говорят, что из-за потепления может увеличиться глубина протаивания мёрзлых болот и эмиссия углерода тоже возрастёт. Можно предположить, на сколько?
– Болота, с одной стороны, оказывают значительное влияние на формирование климата, с другой – являются индикатором, который многое может сказать о «самочувствии» планеты, помочь в понимании процессов, происходящих на Земле. Изменения в самих болотных экосистемах происходят очень мозаично, с разной интенсивностью и местами даже разнонаправленно. И болота очень разные. Поэтому однозначно сказать, что если глубина протаивания увеличится на сантиметр, то выброс метана и углекислого газа возрастёт на столько-то гигатонн, нельзя. Для каждой территории это будет по-разному.
Чтобы делать более-менее объективные выводы и нужно изучать болота. И студенты Томского государственного университета имеют такую возможность и на исследовательских станциях, и в рамках курсов болотоведения, которые нечасто встретишь в университетской программе. В ТГУ даже есть свой Ветланд-центр, который является членом международной сети Wetland Link International, представляющей интересы Рамсарской конвенции по водно-болотным угодьям и состоящей из 350 центров по всему миру.