Меню Закрыть

Потенциал поглощения углерода прибрежными водно-болотными угодьями при изменениях климата

БРИКС-Минобрнауки 075-15-2024-656

Аннотация

В рамках проекта с помощью данных дистанционного зондирования Земли было проведено мелкомасштабное исследование потенциала поглощения и выноса органического углерода береговой зоны арктических морей России.

Береговые экосистемы, будучи зоной контакта литосферы, гидросферы и атмосферы, играют важнейшую роль в геохимическом цикле Арктического бассейна. Долгое время вклад береговых экосистем недооценивался, однако исследования последних десятилетий показали, что поступление органического углерода в арктические моря за счёт размыва уступов прибрежных водно-болотных угодий сопоставимы с выносом твердого стока рек (Rachold et al., 2000; Ping et al., 2011; Lantuit, Overduin and Wetterich, 2013). Так, в работе (Rachold et al., 2000) на примере моря Лаптевых и вовсе было выявлено двукратное превышение поступления в океан «берегового» углерода над речными потоками. Более того, в отличие от твердого стока арктических рек, для которого установлена цикличность и отсутствие статистически значимого роста значений на протяжении голоцена (Wagner et al., 2011; Wegner et al., 2015), скорости размыва береговых экосистем неуклонно увеличиваются за счёт роста среднегодовых температур, безледного периода и штормовой активности (Irrgang et al., 2022; Nielsen et al., 2022). В настоящее время потери органического углерода с береговой эрозией рассматриваются как немаловажная компонента моделирования климатических изменений (Nielsen et al., 2024), а экосистемы на низких берегах – как один из ключевых «пулов» органического углерода, находящиеся под угрозой разрушения береговыми процессами (Macreadie et al., 2019; Barksdale et al., 2023).

Тем не менее, высокая пространственная неоднородность береговой линии, морфологическое и генетическое разнообразие прибрежных низменностей позволяет предположить высокую локальную и региональную вариабельность (Tanski et al., 2021; van Crimpen et al., 2024) потенциала поглощения и выноса углерода в Арктический бассейн. Более того, предшествующие исследования (Irrgang et al., 2022) направлены на изучение потоков диоксида углерода при размыве берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами. Низкие аккумулятивные маршевые или пляжевые (в том числе барьерно-лагунные) берега, как правило, оставались за рамками исследований, поскольку предполагается значительно меньшая восприимчивость их динамики к климатическим изменениям. Соответственно, большая часть исследований посвящена высокольдистым берегам Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского морей (Streletskaya et al., 2009; Charkin et al., 2011; Grigoriev and Rachold, 2003 и мн. др), тогда как охват исследований динамики маршевых берегов сравнительно низкий. Работы по изучению содержанию углерода на подобных берегах российской Арктики и вовсе единичны (Bagdasarov et al., 2025).

Соответственно, в рамках настоящего блока работ по проекту были поставлены следующие задачи: 1) с помощью данных дистанционного зондирования земли выделить основные морфогенетические типы берегов и прибрежных водно-болотных угодий, рельеф которых определяют различия в механизмах депонирования и выноса органического углерода в океан; 2) определить динамику различных типов берегов морей российской Арктики; 3) на основе ранее опубликованных данных о литологическом составе отложений береговой зоны и концентрации углерода в них рассчитать объемы органического углерода, подверженные размыву, а также долю береговой зоны арктических морей, которые могут рассматриваться как «углеродное депо».

Этап 2025

Методика сегментации береговой линии включала в себя несколько процедур, первой из которых являлось определение морфогенетического типа берега. Морфогенетическая типизация основана на закономерностях формирования рельефа и отложений, слагающей надводную часть берега при современном уровне моря (Леонтьев, 1977). Соответственно, типизация берегов при данном подходе сводится к изучению морфологии поперечного профиля берега и характеристика грунтов, его слагающих. Дистанционные данные о морфометрических характеристикам береговой зоны в пределах ключевых участков получены с помощью цифровой модели рельефа (ЦМР) ArcticDEM. С учётом масштаба исследования было выбрано пространственное разрешение сцен ЦМР, равное 10 м. ArcticDEM – это цифровая модель рельефа Арктической зоны, построенная с помощью стереоснимков высокого разрешения. Этот проект создан для удовлетворения потребности исследователей в высокоточных данных о рельефе Арктики с последующей возможностью измерения морфометрических параметров и мониторинга изменений в облике исследуемой территории. ArcticDEM использует снимки сверхвысокого пространственного разрешения (~0,5 м.), полученные из панхроматических каналов спутников WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3 и GeoEye-1. С помощью ГИС-инструментов был проведен анализ морфометрических характеристик поперечных профилей, которые позволяют сегментировать береговую зону на три основных типа: аккумулятивные маршевые, аккумулятивные пляжевые и абразионные берега.

Под аккумулятивными маршевыми берегами в рамкой данной сегментации понимаются обширные прибрежные низменности, высота которых не превышает 3-5 м над урезом. Это могут как собственно маршевые поверхности (на приливных морях), дельтовые низменности и дельтовые острова рек, а также лайды — аккумулятивные песчано-илистая прибрежные низменности, затапливаемые морем при ведущем влиянии нагонов и постепенно переходящие в тундровые болота. В масштабе используемых данных ДЗЗ на таких берегах не выражены следы размыва – отсутствует резкий перепад крутизны поверхности вблизи уреза.

Аккумулятивные пляжевые берега, в свою очередь, представляют собой морфогенетический тип с выраженными вблизи уреза формами волновой аккумуляции – пляжами полного профиля, косами, береговыми барами. В пределах данного типа вблизи уреза на поперечном профиле наблюдается увеличение крутизны поверхности, а в тыловой части – контруклон и снижение абсолютных высот поверхности. Аккмулятивные пляжевые берега могут иметь выраженный уступ размыва высотой не более 5-8 м над урезом, выработанный бровкой в различных береговых формах рельефа, однако в отличие от абразионных берегов тыловая часть поперечного профиля находится в амплитуде высот, соответствующих береговой зоне.

Для абразионных берегов характерно наличие резкого перепада высоты вблизи уреза, отсутствие выраженного контруклона в тыловой части профиля со значительным перепадом относительной высоты. Дальнейшее расчленение абразионных берегов на абразионные, выработнные в скальных породах, в рыхлых талых или малольдистых породах и на термоабразионные и термоденудационные проводилось в соответствии с картами четвертичных отложений на побережье арктических морей. Итоговая морфогенетическая сегментация включает себя 5 типов берегов (рис. 1-4).

После формирования морфогенетической типизации следующим этапом сегментации стала морфодинамическая классификация. В её основу заложенные опубликованные (Ogorodov et al., 2020; Григорьев и др. 2006 и мн. др.) и имеющиеся у коллектива данные о динамике берегов на ключевых участках с различными морфогенетических типами в пределах изучаемых морей. Для каждого ключевого участка, для которого были доступны данные за 10 и более лет, был присвоен класс скорости отступания береговой линии (1 – стабильные или проградирующие, не испытывающие среднемноголетний статистически значимый размыв; 2 – со скоростью размыва менее 0.5 м/год; 0.5 – 2 м/год; более 2 м/год). Далее следовало определение наиболее распространенного типа четвертичных отложений, экспонированных в пределах изученных участков. Внутри каждого моря, класса динамики и типа четвертичных отложений (например, высокольдистые термоабразионные берега моря Лаптевых, выработанные в отложениях ледового комплекса с динамикой береговой линии >2 м/год) присвоена средняя скорость размыва. Полученное значение было экстраполировано на всю протяженность береговой линии подобного морфогенетического типа. Результаты представлены в табл. 1.

Рис. 1. Типизация берегов российской Арктики. Легенда
Рис. 2. Типизация берегов российской Арктики. Белое, Баренцево и Карское моря
Рис. 3. Типизация берегов российской Арктики. Море Лаптевых
Рис. 4. Типизация берегов российской Арктики. Восточно-Сибирское и Чукотское моря

Наибольшая протяженность стабильных или проградирующих берегов выявлена для побережья Баренцева и Белого морей (рис. 5), где существенную долю береговой линии занимают мало измененные морем берега в скальных или полускальных отложениях. Доля данного класса динамики последовательно уменьшается по мере движения в восточный сектор российской Арктики и минимальных значений достигает в Восточно-Сибирском море. В данной акватории существенную протяженность занимают берега с высокими (>2 м/год) скоростями размыва, что обусловлено, с одной стороны, высокой льдистостью четвертичных отложений, с другой – наибольшей интенсификацией волнового воздействия при увеличении безледного периода, поскольку в Восточно-Сибирском море также наблюдается наибольшая протяженность размываемых низких берегов (маршевых и пляжевых), для динамики которых влияние деградации многолетнемерзлых пород не столь значительно.

Рис. 5. Доля различных классов динамики берегов по морям (сверху) и морфогенетическим типам (снизу)

Полученные морфогенетические и морфодинамические типы берегов были использованы для проведения мелкомасштабной оценки потоков органического углерода из прибрежных территорий.

Объем отложений, подверженных размыву (включая органический углерод), оценивался по формуле (1):

V(м3г-1) = L × H × U, (1)

где L (м) — длина изучаемого морфогенетического сегмента; H (м) – мощность размываемых отложений; U (м/год) — средняя скорость смещения береговой линии в створе сегмента. Затем рассчитывался объём органического углерода, поступающего в море (ТОС) по следующей формуле (2):

ТОСS(тонн*год-1) = V × d × %ОС, (2)

где V – см. в уравнении (1); d (тонн/м3) – плотность сухого грунта; %OC (%) — процентное содержание ТОС по массе в отложениях.

Для расчета были приняты показатели %ОС и d, имеющиеся у научного коллектива или опубликованые отечественными и зарубежными исследователями (Багдасаров и др., 2023; Багдасаров и др., 2025; Губин и др., 2022; Орешникова и др., 2012, Романкевич, Ветров, 2001; Шамрикова, Денева, 2020; Kazhukalo et al., 2024; Streletskaya et al., 2009; Grigoriev and Rachold, 2003; Semiletov et al., 2011; Charkin et al., 2011; Morris et al., 2015 и мн. др.). Исходя из проведенной типизации только 30% береговой линии исследуемых морей подвержены устойчивому среднемноголетнему размыву, причем абразионные берега, сложенные скальными породами, имеют пренебрежимо малое содержание углерода. Сегменты берегов с низким содержанием углерода или невыраженной эрозионной тенденции были исключены из расчетов.

По полученным результатам (табл. 1) ежегодный поток органического углерода в исследуемый сектор Арктического бассейна составил 3,07 млн тонн. Более половины (1,562 млн тонн C/год) приходится на Восточно-Сибирское море, характеризующееся высокими скоростями размыва и выявленным процентным содержанием органики в береговых экосистемах. Наименьшие абсолютные значения (менее 70 тыс. тонн C/год) характерны для Чукотского моря, протяженность береговой линии которого заметно уступает прочим акваториям (1900 км из выделенных 40000 км), а в пересчете на 1 км береговой линии – для побережья Белого и Баренцева морей.

По оценкам И.Д. Стрелецкой с соавторами (2009), в акваторию Карского моря в ходе термоабразии поступает 400 тыс. тонн органического углерода, что несколько выше с полученными в ходе данной работы значениями (341 тыс. тонн C/год для термоабразионных и термоденудационных берегов Карского моря). В более поздних работах (Романкевич, Ветров, 2021) для Карского моря приводятся значения в 350 тыс. тонн, для Лаптевых и Восточно-Сибирского – 1.8 млн. тонн, соответственно. Различия в оценках возникают главным образом за счет существенной вариабельности концентрации органического углерода даже в пределах одного генетического типа отложений. Так, в высокольдистом субстрате ледовых комплексов значение %OC может варьировать от 0.2 до 38.2% (Романкевич, Ветров, 2021). И если для наиболее изученных Карского, Лаптевых и Восточно-Сибирского морей доля органического углерода известна практически для всех типов отложений, экспонируемых в береговой зоне, и определены концентрации в терригенных осадках на шельфе (Grigoriev and Rachold, 2003; Semiletov et al., 2011; Charkin et al., 2011; Bröder et al., 2018 и мн. др.), то для акваторий с менее выраженным процессом размыва оценки содержания углерода до сих пор единичны. Так, для Чукотского моря поток углерода за счет абразии рассчитывается на основе данных о содержании его в донных осадках (Данюшевская и др., 1990) или по полуэмпирическим расчетам объемов абразионных наносов (Шуйский, 1984, и все оценки потока углерода из данной акватории носят в работах пан арктического масштаба носят вероятностный характер (Vetrov, Romankevich, 2004; The organic carbon…, 2004). Кроме того, в большинстве проанализированных глобальных оценках потока органического углерода с термоабразией (Rachold et al., 2000; Grigoriev et al., 2004, Lantuit et al., 2009; Романкевич, Ветров, 2021) принимаются довольно высокие расчетные скорости размыва берегов несмотря на то, что средние их значения для большинства морей оцениваются в 0.5 м/год или менее (Lantuit et al., 2013). Так же велики и расчетные величины содержания углерода в почвах и грунтах береговых экосистем, тогда как крупномасштабные исследования (Streletskaya et al., 2009; Kazhukalo et al., 2024) подчеркивают сравнительно низкую долю насыщенных органикой фаций исследуемых отложений. Существенная вариабельность основных расчетных параметров, таким образом, обуславливает необходимость дальнейших работ и увеличение пространственного охвата полевых экспедиционных исследований.

Совокупные потери органического углерода при размыве низких аккумулятивных берегов (маршевых и барьерно-лагунных пляжевых) составила 400 тыс. тонн в год, или 13% от общего объема в пределах российской Арктики. Учитывая наблюдаемую тенденцию к интенсификации их размыва с темпами, даже превосходящими термоабразионные берега, роль низменных водно-болотных угодий и соответствующих им типов берегов будет неминуемо увеличиваться при климатических изменениях. В это же время возрастает способность данных территории к депонированию углерода. Соотношение эрозионной и секвестрационной компонент их геохимического цикла рассмотрено в разделе моделирования потенциала поглощения углерода при климатических изменениях.

Табл.1. Расчет потока органического углерода из береговых экосистем

*1- аккумулятивные маршевые, 2 – абразионные в рыхлых или малольдистых отложениях, 3 – аккумулятивные пляжевые, 4 – термоабразионные и термоденудационные

  1. Багдасаров И.Е., Бобрик А.А., Кажукало Г.A., Теребова Е.Н., Павлова М.А., Красильников П.В. Запасы “голубого углерода” и эмиссия диоксида углерода из почв маршевых экосистем Поморского берега Белого моря // Почвоведение. 2025. № 10. С. 1310–1326
  2. Багдасаров И.Е., Цейц М.А., Крюкова Ю.А., Таскина К.Б., Конюшкова М.В. Сравнительная характеристика почвенного и растительного покрова томболо побережий Белого и Балтийского морей // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2023. С. 3–15.
  3. Григорьев, М. Н., Разумов, С. О., Куницкий, В. В., & Спектор, В. Б. (2006). Динамика берегов восточных арктических морей России: основные факторы, закономерности и тенденции. Криосфера Земли, 10(4), 74-94.
  4. Губин С.В., Лупачев А.В., Ходжаева А.К. Почвы аккумулятивных берегов Восточно-Сибирского моря // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1073-1085. DOI 10.31857/S0032180X22090076
  5. Данюшевская А.И., Петрова В.И., Яшин Д.С., Батова Г.И., Артемьев В.Е. Органическое вещество донных отложений полярных зон Мирового океана / Ред. А.И. Данюшевская. Л.: Недра, 1990. 280 с.
  6. Орешникова Н.В., Красильников П.В., Шоба С.А. Маршевые почвы Карельского берега Белого моря // Вестник Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2012. С. 13–20.
  7. Ривкина, Е. М., Краев, Г. Н., Кривушин, К. В., Лауринавичюс, К. С., Федоров-Давыдов, Д. Г., Холодов, А. Л., … & Гиличинский, Д. А. (2006). Метан в вечномерзлых отложениях северо-восточного сектора Арктики. Криосфера Земли, 10(3), 23-41.
  8. Романкевич, Е. А. Потоки органического углерода в арктических морях России / Е. А. Романкевич, А. А. Ветров // Опыт системных океанологических исследований в Арктике: Сборник научных статей / Институт океанологии им. П.П. Ширшова. – Москва: Научный мир, 2001. – С. 227-234
  9. Шамрикова Е.В., Денева С.В. Особенности накопления и распределения химических элементов в прибрежных почвах (на примере побережья Баренцева моря) // Биогеохимические инновации. 2020. Т. 2. С. 135–142.
  10. Шуйский Ю. Д. Проблемы исследования баланса наносов в береговой зоне морей. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 240 с.
  11. ArcticDEM. URL.: https://www.pgc.umn.edu/data/arcticdem/
  12. Bagdasarov, I.E., Bobrik, A.A., Kazhukalo, G.A. et al. Stocks of “Blue Carbon” in Soils of Coastal Ecosystems of High-Latitude Seas of the Northern Hemisphere. Eurasian Soil Sc. 58, 170 (2025). https://doi.org/10.1134/S1064229325602458
  13. Barksdale, M.B.; Hein, C.J., and Kirwan, M.L., 2023. Shoreface erosion counters blue carbon accumulation in transgressive barrier-island systems. Nature Communications, 14, 8425. https://doi.org/10.1038/s41467-023-42942-8
  14. Bröder, L., Andersson, A., Tesi, T., Semiletov, I., & Gustafsson, Ö. (2019). Quantifying degradative loss of terrigenous organic carbon in surface sediments across the Laptev and East Siberian Sea. Global Biogeochemical Cycles, 33(1), 85-99.
  15. Charkin, A. N., Dudarev, O. V., Semiletov, I. P., Kruhmalev, A. V., Vonk, J. E., Sánchez-García, L., … & Gustafsson, Ö. (2011). Seasonal and interannual variability of sedimentation and organic matter distribution in the Buor-Khaya Gulf: the primary recipient of input from Lena River and coastal erosion in the southeast Laptev Sea. Biogeosciences, 8(9), 2581-2594.
  16. Grigoriev, M. N., Rachold, V., Schirrmeister, L., & Hubberten, H. W. (2004). Organic carbon input to the Arctic Seas through coastal erosion. Springer.
  17. Grigoriev, Mikhail N. and Rachold, Volker (2003) The degradation of coastal permafrost and the organic carbon balance of the Laptev and East Siberian seas. In: Permafrost: Proceedings of the 8th International Conference on Permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switzerland; 1, ed. by Phillips, Marcia, Springman, Sarah M. and Arenson, Lukas U.. Balkema, Lisse, The Netherlands, pp. 319-324. ISBN 9-05809-584-3
  18. Kazhukalo G., Belova N., Overduin P., Ogorodov S., Bogatova D. and Shilova O. Carbon Emission from Ice-Rich Permafrost Bluffs: Insights from Coastal Erosion and Sediment Redistribution Estimations, Kharasavey, Kara Sea. Journal of Coastal Research, 2024. 113(sp1). P. 458-462. https://doi.org/10.2112/JCR-SI113-090.1
  19. Lantuit, H., Overduin, P. P., & Wetterich, S. (2013). Recent progress regarding permafrost coasts. Permafrost and periglacial processes, 24(2), 120-130.
  20. Lantuit, H., Rachold, V., Pollard, W. H., Steenhuisen, F., Ødegård, R., & Hubberten, H. W. (2009). Towards a calculation of organic carbon release from erosion of Arctic coasts using non-fractal coastline datasets. Marine Geology, 257(1-4), 1-10.
  21. Macreadie, P.I.; Anton, A.; Raven, J.A. et al., 2019. The future of Blue Carbon science. Nature Communications, 10, 3998. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11693-w
  22. Morris, D. J., O’Connell, M. T., & Macko, S. A. (2015). Assessing the importance of terrestrial organic carbon in the Chukchi and Beaufort seas. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 164, 28-38.
  23. Mueller-Lupp, T., Bauch, H. A., Erlenkeuser, H., Hefter, J., Kassens, H., & Thiede, J. (2000). Changes in the deposition of terrestrial organic matter on the Laptev Sea shelf during the Holocene: evidence from stable carbon isotopes. International Journal of Earth Sciences, 89(3), 563-568.
  24. Nielsen, D.M., Chegini, F., Maerz, J. et al. Reduced Arctic Ocean CO2 uptake due to coastal permafrost erosion. Nat. Clim. Chang. 14, 968–975 (2024). https://doi.org/10.1038/s41558-024-02074-3
  25. Nielsen, D.M.; Pieper, P.; Barkhordarian, A. et al., 2022. Increase in Arctic coastal erosion and its sensitivity to warming in the twenty-first century. Clim. Chang., 12, 263–270. https://doi.org/10.1038/s41558-022-01281-0
  26. Ogorodov, S., Aleksyutina, D., Baranskaya, A., Shabanova, N., & Shilova, O. (2020). Coastal erosion of the Russian Arctic: An overview. Journal of Coastal Research, 95(SI), 599-604.
  27. Ping, C.L; Michaelson, G.J; Guo, L. et al., 2011. Soil carbon and material fluxes across the eroding Alaska Beaufort Sea coastline. Journal of Geophysical Research, 116, G02004. https://doi.org/10.1029/2010JG001588
  28. Rachold, V.; Grigoriev, M.N.; Are, F.E. et al., 2000. Coastal erosion vs. riverine sediment discharge in the Arctic shelf seas. International Journal of Earth Sciences, 89, 450–460. https://doi.org/10.1007/s005310000113
  29. Semiletov, I. P., Pipko, I. I., Shakhova, N. E., Dudarev, O. V., Pugach, S. P., Charkin, A. N., … & Gustafsson, Ö. (2011). Carbon transport by the Lena River from its headwaters to the Arctic Ocean, with emphasis on fluvial input of terrestrial particulate organic carbon vs. carbon transport by coastal erosion. Biogeosciences, 8(9), 2407-2426.
  30. Streletskaya, I.D.; Vasiliev, A.A., and Vanstein, B.G., 2009. Erosion of sediment and organic carbon from the Kara Sea coast. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 41(1), 79-87. https://doi.org/10.1657/1523-0430-41.1.79
  31. Tanski, G., Bröder, L., Wagner, D., Knoblauch, C., Lantuit, H., Beer, C., et al. (2021). Permafrost carbon and CO2 pathways differ at contrastingcoastal erosion sites in the Canadian Arctic. Frontiers in Earth Science, 9, 630493. https://doi.org/10.3389/feart.2021.630493
  32. van Crimpen, F. C. J., Madaj, L., Whalen,D., Tesi, T., van Genuchten, J. M., Bröder,L., et al. (2024). Traveling light: Arcticcoastal erosion releases mostly matrix free,unprotected organic carbon. GeophysicalResearch Letters, 51, e2024GL108622.https://doi.org/10.1029/2024GL108622
  33. Vetrov, A., & Romankevich, E. (2004). Carbon cycle in the Russian Arctic seas. Springer Science & Business Media.
  34. Wagner, A.; Lohmann, G., and Prange, M., 2011. Arctic river discharge trends since 7 ka BP. Planet. Change, 79, 48–60. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2011.07.006
  35. Wang, K., Zhang, H., Han, X., & Qiu, W. (2019). Sources and burial fluxes of sedimentary organic carbon in the northern Bering Sea and the northern Chukchi Sea in response to global warming. Science of the Total Environment, 679, 97-105.
  36. Wegner, C.; Bennett, K. E.; de Vernal A. et al., 2015. Variability in transport of terrigenous material on the shelves and the deep Arctic Ocean during the Holocene. Polar Research, 34. https://doi.org/10.3402/polar.v34.24964