Трансформация экосистем бугристых торфяников в результате прокладки и

Трансформация экосистем бугристых торфяников в результате прокладки и
эксплуатации «теплых» газопроводов в условиях островной криолитозоны
Г.В. Матышак, О.Ю. Гончарова, М.О. Тархов
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
ф-т почвоведения, Москва, Россия
Реферат
Произведена оценка влияния строительства и эксплуатации газопроводов на свойства почв и параметры
функционирования бугристых торфяников островной криолитозоны северной тайги Западной Сибири. Показано,
что строительство и эксплуатация «теплых» газопроводов в условиях криолитозоны оказывает значительный
постоянный отепляющий эффект, многолетнемерзлые породы деградируют на значительную глубину и ширину
вдоль трассы газопровода. Результатом является быстрая адаптация и трансформация нарушенных экосистем:
активная экспансия древесной растительности вдоль газопровода на север, увеличение биомассы растений,
активизация трансформации органического вещества почв, изменение их свойств и биологической активности. В
несколько раз увеличивается эмиссия парниковых газов (СН4 и СО2). Существенное изменение параметров
функционирования нарушенных территорий нельзя недооценивать с точки зрения глобальной функции
почвенного покрова в процессах регулирования стока и эмиссии парниковых газов наземными экосистемами.
Ключевые слова: биологическая активность почв; бугристые торфяники; газопровод; Западная Сибирь;
парниковые газы; температурный режим
Transformation of peatland ecosystems during the laying and operation of the "warm" gas pipeline in
sporadic permafrost area
G.V. Matyshak, O.Yu. Goncharova, M.O. Tarhov
Lomonosov Moscow State University, Soil Science Department, Moscow, Russia
Abstract
The impact of construction and operation of gas pipelines on soil properties and parameters of the peatlands functioning in West Siberia northern taiga
(sporadic permafrost area) were studied. It is shown that the construction and operation of "warm" gas pipelines in the permafrost conditions has a
significant permanent warming effect. Permafrost are degraded to a considerable depth and width along the gas pipeline. The result is a fast adaptation
and transformation of damaged ecosystems: active expansion of woody vegetation along the pipeline to the north, the increase in plant biomass,
activation of the soil organic matter transformation, change soil properties and biological activity. Greenhouse gas emission (CH 4 and CO2) is increased
by several times. A significant change in parameters of disturbed areas functioning should not be underestimated in terms of the global function of soil
in the process of regulation of greenhouse gases emission by terrestrial ecosystems.
Key Words: the soil biological activity; peatland; gas pipeline; West Siberia; greenhouse gases; temperature regime
_____________________
Введение
В настоящее время происходит активное освоение
криолитозоны России, в первую очередь севера Западной
Сибири.
Высокая
уязвимость
экосистем,
формирующихся
в
зоне
распространения
многолетнемерзлых пород, обусловливает необходимость
детального изучения, как естественных экосистем, так и
последствий их нарушений. Протяженность единой
системы газоснабжения (ЕСГ) РФ составляет более 170
тысяч километров магистральных газопроводов, из
которых более 10% проходят по территории
криолитозоны [Корниенко и др. 2005]. Одним из
распространенных способов строительства газопроводов
является его подземная укладка, при которой в зону
активных механических нарушений при строительстве
одного трубопровода попадает полоса экосистем,
шириной 20-50 метров на всей протяженности
газопровода.
Помимо
физической
деградации
растительного и почвенного покровов происходит
значительное изменение гидротермического режима
функционирования экосистем в результате изменения
условий дренирования, рельефа и типа поверхности,
свойств почв. Усложняющим фактором является и
непосредственное тепловое влияние трубы, в случае если
по ней транспортируется «теплый» газ. Так, наблюдения
Харионовского В.В. показали, что в первые же годы
эксплуатации газопровода Надым-Пунга на участках
бугристых торфяников сформировался ореол оттаивания
многолетнемерзлых пород (ММП) до 6 метров глубиной
[2000]. Таким образом, на значительной по площади
территории криолитозоны наблюдаюются серьезные
изменения параметров функционирования экосистем,
приводящие к активной трансформации растительного и
почвенного покрова. Так по данным Корниенко С.Г. за
период освоения Уренгойского месторождения площадь
территорий с трансформированной растительностью
занимает не менее 14% (10 тыс. км 2) территории
Тазовского полуострова, при этом треть этих площадей
приходится на объекты строительства газотранспортной
сети [Корниенко и др. 2005]. Целью данной работы была
оценка
влияния
строительства
и
эксплуатации
газопроводов
на
функционирование
бугристых
торфяников островной криолитозоны северной тайги
Западной Сибири.
Результаты и обсуждения
Полевые исследования проведены на участке трассы
газопровода Надым-Пунга (8-9 км), в 40 км на юго-запад
от г. Надым. В течение 2011-2014 гг. проводились
наблюдения за мощностью сезонно-талого слоя (СТС),
влажностью и температурой почв (поверхность почв и 20
см), а также за потоками углекислого газа в почвах
нарушенных бугристых торфяников. Для этого были
организованы стационарные площадки наблюдений в
трех наиболее типичных ландшафтах, отличающихся по
типу растительного и почвенного покрова, а также
наличию и уровню залегания ММП. Наблюдения
проводились на трех ненарушенных (контрольных)
участках (100 м от трубы): плоскобугристый торфяник
(почва – торфяно-криозем потечно-гумусовый, СТС
около 50 см), крупнобугристый торфяник (почва –
торфяная олиготрофная деструктивная, СТС около 60
см), лесная экосистема (почва – подзол иллювиальножелезистый, ММП глубже 20 м). В аналогичных
ландшафтах исследовались три нарушенных участка
вдоль газопровода (5 м от трубы). Также проводились
разовые наблюдения за исследуемыми параметрами
непосредственно на насыпи над трубой и на различном
удалении от газопровода: 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100 м
(линии 1, 2) ( рис. 1). В лабораторных условиях изучены
основные свойства почв, а также такие динамичные
параметры, как микробиологическая активность и
содержание лабильного органического вещества.
Рис.1 Схема точек опробования
Территория, дважды подвергалась воздействию: в 1977
при первоначальной прокладке газопровода и в 2004 году
при ремонте трубы. Ширина зоны механического
нарушения вдоль трубы варьирует от 10 до 30 м.
Наиболее типичным результатом явилось резкое
изменение
режима
увлажнения
торфяников
и
образование в результате этого как подтопленных
участков, так и развития хорошо дренированных
экосистем. При этом для почв нарушенных участков
бугристых торфяников характерно полное или частичное
отсутствие органогенных горизонтов, погребение
органогенных горизонтов, нарушение микрорельефа
поверхности,
сильная
турбированность.
Почвы
представляют собой смесь торфяных и песчаных
горизонтов. В настоящий момент в условиях хорошего
дренажа нарушенные участки активно зарастают
растительными сообществами, не характерными для
бугристых торфяников. Так, наблюдается активная
экспансия древесных видов (Берёза извилистая и др.).
При этом для характерных видов, например для
карликовой
березы,
наблюдается
значительное
увеличение площади листовой поверхности.
Для участков бугристых торфяников установлено
значительное
увеличение
глубины
протаивания
нарушенных
территорий,
превышающее
6
м
непосредственно у трубы газопровода. При этом влияние
газопровода на глубину протаивания почв сказывается
значительно дальше полосы механического нарушения,
вплоть до расстояния 100 м от трубы. Мощность СТС
торфяников
вблизи газопровода
отличается
от
контрольных участков в среднем на 50-100 см. Это
подтверждается данными среднесуточных температур и
влажности за август 2013 вдоль линий от трубы к
фоновым участкам. Так установлено, что значительная
разница в этих показателях (3-5°С для температуры на
глубине 20 см, 15-20% для объемной влажности)
наблюдается на расстояниях до 50 метров от газопровода.
Почвы нарушенных участков существенно теплее.
Среднегодовые температуры почвы на глубине 20 см
вблизи газопровода в 2-3 раза выше среднегодовых
температур ненарушенных почв. Летние температуры
нарушенного участка в среднем выше на 5-10°С.
Нарушенные почвы на 2-3 месяца дольше находятся в
незамерзшем состоянии. Связано это с отепляющим
влиянием газопровода, перераспределением осадков,
снижением влияния ММП, отсутствием органических
(торфяных) горизонтов на поверхности почв.
Основные
изменения
химических
показателей
нарушенных почв связаны с полным или частичным
уничтожением
органических
горизонтов
или
подмешиванием к ним минеральной части. Можно
отметить, что на изученные экосистемы нарушения
воздействуют приблизительно одинаково – происходит
увеличение зольности торфяных горизонтов, снижение
содержания общего углерода и увеличение содержания
лабильного, некоторое увеличение рH торфяных
горизонтов. В целом при условии улучшения дренажа
изменение этих параметров способствует увеличению
биологической активности почв и активизации
трансформации органического вещества.
Разница в температурном режиме существенно
сказывается на показателях биологической активности
почв.
Величины
эмиссии
углекислого
газа
ненарушенными почвами бугристых торфяников низкие
(80-100 мгСО2/(м2ч), что свидетельствует об их
невысокой биологической активности. При этом на
нарушенных участках вдоль газопровода величины
эмиссии CO2 в 3-6 раз превышает таковую
ненарушенными почвами, достигая значений 500-600
мгСО2/(м2 ч). Концентрация СО2 в профиле нарушенной
почвы также оказалась в 1,5-2 раза выше. При этом
повышенные значения эмиссии CO2 наблюдаются на
расстоянии до 50 м от газопровода. Относительно
высокие величины продукции углекислого газа на
нарушенных участках можно объяснить их лучшей
теплообеспеченностью, что повышает их биологическую
активность. Также активной минерализации торфа
способствует наличие минеральных примесей и
снижение влажности, характерные для нарушенных почв
вдоль газопровода. В случае подтопления территории
наблюдается значительное увеличение эмиссии метана,
превышающее фоновую (для термокарстовых западин) в
5-10 раз.
Таким образом, газопровод является в некотором роде
«радиатором»,
оказывающим
круглогодичное
отепляющее воздействие на окружающие экосистемы,
которое выходит далеко за границы зоны механических
нарушений. Уже спустя 10 лет после нарушений
наблюдается значительная трансформация экосистем.
Большая
протяженность
сети
газопроводов
в
криолитозоне обусловливает необходимость учета их
пространственных и временных воздействий на
уязвимые экосистемы Севера, как для проведения
балансовых исследований, так и для минимизации этих
воздействий в будущем.
Выводы
1. Нарушения почвенного покрова, вызванные
прокладкой и функционированием линейных сооружений
в условиях криолитозоны сопровождаются не только
изменением морфологического облика почв и их физикохимических свойств, но и существенным изменением
режимов их функционирования
2. Строительство
и
эксплуатация
теплых
газопроводов в условиях криолитозоны оказывает
значительный
постоянный
отепляющий
эффект,
многолетнемерзлые
породы
деградируют
на
значительную глубину и ширину вдоль трассы
газопровода.
3. Результатом является быстрая адаптация и
трансформация нарушенных экосистем: активная
экспансия древесной растительности вдоль газопровода
на север, увеличение биомассы растений, активизация
трансформации органического вещества почв, изменение
их свойств и биологической активности. В несколько раз
увеличивается эмиссия парниковых газов (СН4 и СО2).
4. Ширина воздействия газопровода достигает 100
метров в каждую сторону. Таким образом, вдоль системы
газопроводов на Севере России в зоне воздействия
находятся сотни квадратных километров криогенных
ландшафтов. Существенное изменение параметров
функционирования нарушенных территорий нельзя
недооценивать с точки зрения глобальной функции
почвенного покрова в процессах регулирования стока и
эмиссии парниковых газов наземными экосистемами, а
также при проведении балансовых исследований.
Список литературы
Корниенко С.Г., Якубсон К.И., Масленников В.В. 2005.
Изучение трансформаций природных комплексов
нефтегазоносных областей криолитозоны по данным
космической съемки. Наука и техника в газовой
промышленности, №3: 71-77.
Харионовский В.В. 2000. Надежность и ресурс
конструкций газопроводов. - М.: ОАО Издательство
“Недра“, 2000. - 467с.