Адаптация арктических лимносистем к быстрому изменению климата: 2020 г. Этап 3

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

Сведения о проекте

описание

Основной целью проекта являлось исследование устойчивости водных экосистем к климатическим изменениям в Арктике. В проекте рассматривались четыре региона российской Арктики (Кольский п-ов, Ямал, дельта р.Лены и Шпицберген) с различными климатическими условиями и характеристиками подстилающей поверхности. Выбранные озера охватывают весь спектр основных типов водоемов, встречающихся в Арктике.

описание для неспециалистов

В рамках проекта РФФИ проводились исследования адаптации арктических лимносистем к быстрому изменению климата. Основной целью проекта являлось исследование устойчивости водных экосистем к климатическим изменениям в Арктике. В проекте рассматривались четыре региона российской Арктики (Кольский п-ов, Ямал, дельта р.Лены и Шпицберген) с различными климатическими условиями и характеристиками подстилающей поверхности. Выбранные озера охватывают весь спектр основных типов водоемов, встречающихся в Арктике.

основные результаты по проекту в целом

За период исследований была разработана база данных (БД) ‘ar2018’ рек Арктики и создан интернет-ресурс. В вопросе визуализации данных и картографирования применены современные технологии веб-картографии. Для связывания базы данных с онлайн ГИС системой и создания интерактивных карт был выбран сервис от NextGIS.
Для получения новых сведений об озерах и процессах, происходящих в них под воздействием климата были проведены экспедиционные исследования в рассматриваемых регионах в летний и зимний (весенний) периоды. Всего организовано 11 экспедиции. Выполнен комплекс гидрологических, гидрохимических, гидробиологических работ на озерах, геофизические исследования подозерных таликов. Отобраны пробы воды, донных озерных отложений, биоты. В дальнейшем пробы анализировались на современном оборудовании ведущих научных центров Санкт-Петербурга, Москвы, Казани и Петрозаводска.
Проведена геофизическая съемка методами электрической томографии и георадиолокации на термокарстовых озерах дельты р.Лены и на п-ове Ямал (долина р.Еркуты). Получены 3D модели подозерного талика термокарстовых озер. Прогностические расчеты по двум сценариями изменения климата РТК 2.6 и РТК 8.5, показали, что в 2040-2051 гг. в обоих модельных озерах будет наблюдаться уменьшение толщины льда на 15-20 см относительно значений 2009-2021 гг. Придонная температура воды озер повысится на 1-2°С как в период открытой воды, так и зимой. Соотношение количества тепла, поступающего в донные отложения и уходящего из них, позволяет предположить, что тепловой баланс донных отложений и залегающих ниже грунтов будет положительным, то есть, будет происходить накопление тепла в подозерном талике, что будет способствовать увеличению его объема.
В рамках проекта были оценены тенденции климатической изменчивости температуры воздуха за последние 30 лет в разных районах Арктики и субарктической зоны по данным метеостанции сети Росгидромет. Показано, что наиболее выраженное повышение температуры воздуха в 1991-2019 гг. характерно для осенних и зимних месяцев (превышение климатической нормы 1961-1990 гг. на 2-7°С), в летние месяцы превышения нормы не более 1-2°С. Наибольшее отклонение от нормы характерно для островных высокоширотных станций (им. Э.Т. Кренкеля, Остров Визе, им. Г.А. Ушакова), наименьшее –для западного сектора российской Арктики (Мурманск, Канин Нос, Териберка).
По данным ежегодных измерений на озере Вендюрском (Карелия) в 1994-2020 гг. выявлена изменчивость сроков установления (до 5 недель) и взлома льда (3 недели), уменьшение толщины снежно-ледяного покрова (скорость уменьшения 1.1 см в год и изменении его структуры. Для озер дельты р. Лены также характерно уменьшение толщины льда и сокращение продолжительности ледостава в последние 30 лет, согласно численному расчету на модели FLake.
Термический, кислородный и световой режимы озер в период открытой воды и ледостава в современных климатических условиях проанализированы по данным измерений в разнотипных озерах Карелии (май-октябрь 2018-2021 гг.), Кольского п-ова (февраль 2019 и апрель 2021), дельты р. Лены (апрель-август 2019) и п-ова Ямал (июль 2020 г. Нейтинские озера и июль 2021 г. озера долины р.Еркуты). Оценено состояние планктонного сообщества озер.
Значения изотопов воды озер Ямала несколько отличаются от озер Кольского п-ва, что показывает разницу в водном балансе озер этих регионов. Для дельты р.Лены выявлена большая амплитуда изотопного состава вод, т.к. многие озера имеют приток талых вод с ледового комплекса. В связи с отмечаемым потеплением в арктическом регионе, можно прогнозировать увеличение поступления воды в озера из активного слоя многолетней мерзлоты, с атмосферными осадками и подземными водами.
Смягчение климатических условий Карелии способствует расселению более теплолюбивых видов зоопланктона на север. Так, в пробах зоопланктона в озере Вендюрском в октябре 2020 г. впервые обнаружен вид-вселенец - американская коловратка Kellicottia bostoniensis (Rousselet, 1908).
Зоопланктон исследованных озер Нейтинской группы п-ва Ямал оценивается как относительно бедный в видовом разнообразии (24 таксона), характеризуется доминированием представителей типа Rotifera, преобладанием планктонных и космополитных видов. Количественные показатели зоопланктона обусловлены голарктическими и палеоарктическими видами, характерными для высокоширотных водных экосистем.
Выполнены гидрохимические анализы более чем на 50 озерах. Получены новые сведения о процессах, протекающих в них в различные периоды года. Наряду с известными сведениями о минерализации и температурном режиме, получены распределения биогенных элементов по глубине, содержание растворенных газов (О2 и СО2), а также такие характеристики, как DOC и CDOM.
Экосистемы озер трех рассмотренных районов Арктики (Карелия, Ямал, дельта р.Лены) могут характеризоваться незначительным содержанием органических веществ в целом. Однако возможна активизация процессов эвтрофирования озер при потеплении климата, однако наличие фотодеградации и высокой аккумулирующей способности донных озерных отложений говорит о наличии значительного периода релаксации экосистем при внешних воздействиях.
Согласно выполненным в рамках проекта модельным прогнозным оценкам, к 2080-м годам тундровые экосистемы Центральной Сибири значительно сократятся, площади водно-болотных угодий будут заменены лесотундрой, что повлечет за собой уменьшение выбросов метана в атмосферу. Согласно сценариям RCP 2.6 и RCP 8.5, потоки метана в этих экосистемах снизятся в 1,6-7,5 раза, соответственно.
Выполнен анализ валового содержания тяжелых металлов (Fe, Mn, As, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, V, Zn) в донных отложениях озер рассматриваемых регионов, имеющих разное происхождение и гидрологический режим. Проведен анализ форм нахождения ряда металлов, оценена их биодоступность и устойчивость связи с компонентами осадка. Показано преобладание устойчивых фракций, связанных с кристаллической структурой минералов, гумусовым веществом и гидратированными оксидами Fe и Mn.
На основе выполненного датирования озерных отложений Ямала и полученного описания геохимических особенностей донных отложений были выделены основные 3 периода в осадконакоплении региона за последние 500 лет.
В работе выполнено имитационное моделирование водных экосистем и построены композитные индексы химического и биологического состава. Использовались две авторские имитационные модели пространственно-однородной водной экосистемы: «СNPXО-модель» (Седова, Дмитриев, 2020) и модель «ВОДЭКО» (Третьяков, Свердлова, 2016). На моделях были реализованы эксперименты, которые имитировали изменение значений фона мутности, трофности и композитных индексов продуктивности. Для ориентировочной оценки влияния на экосистемы арктических озёр возможного быстрого изменения климата были выполнены численные эксперименты на компьютерной имитационной модели функционирования водной экосистемы «Программа для моделирования антропогенного эвтрофирования и отравления токсикантами водных экосистем» (EVTOX) (Tretyakov et al., 2019). Было выполнено тест - моделирование годового цикла функционирования экосистемы малого водоема (озеро Малый Вудъявр на Кольском полуострове) в Арктической зоне Российской Федерации. В качестве инструмента моделирования использована имитационная модель «AQUATOX».
Проведена зимняя молодежная школа с участием иностранных студентов по изучению полярных лимносистем. Коллектив проекта в период его реализации участвовал в других школах для молодых ученых в Китае и Бразилии. Доклады с результатами работ представлялись на многих международных конференциях и опубликованы почти в 50 статьях, большая часть из которых – на английском языке и входят с базы цитирования Scopus/Web of Science.

основные результаты по этапу (подробно)

За последний год проекта было выполнено:
М1: логистика, рабочие совещания, презентации, написание статей
• Создание ГИС параметров лимносистем, визуализация результатов исследований с использованием геоинформационных технологий.
• Обновление и поддержка интернет-ресурса.
• Проведение патентных исследований на имеющуюся базу данных. Получение патента и размещение базы данных в открытом доступе.
• Проведение заключительного рабочего совещания по теме проекта (в СПбГУ)
• Проведение школы для молодых ученых в рамках итогового совещания проекта
• Полевые работы на ключевых водоемах репрезентативных участков, включающие измерение гидрофизических параметров толщи озер и льда, отбор проб воды и донных озерных отложений из озер на гидрохимический анализ, отбор гидробиологических проб
• Написание статей
• Подготовка итогового отчета по проекту

М2: гидрология озера и его водосбора
М2.a. изменение водного баланса, ледовый режим
• 3D модель подозерного талика на основе данных ERT.
• Расчет водного и минерального баланса рассматриваемых озер на основе полевых наблюдений.
• Моделирование изменений водных озерных экосистем при изменении теплофизических и гидрохимических параметров водной толщи при климатических флуктуациях на репрезентативных водоемах рассматриваемых районов.
М2b: изменение теплового баланса (актинометрические измерения, талики, стратификация)
• Анализ и верификация экспериментальных и модельных исследований по региональным потокам тепла, влаги и углерода в Арктике.
• Модель энергетического баланса озер с учетом подозерного талика и его изменения вследствие климатических изменений.
М2c: почвы водосбора, потоки парниковых газов

• Описание криогенных процессов почв рассматриваемых районов.
• Моделирование выделения парниковых газов при климатических изменениях в Арктике (использование климатических сценариев).

Модуль 3: гидробиология озер
М3.a. современные фито- и зоопланктонные сообщества
• Статистическая обработка результатов исследования современного фито- и зоопланктона.
• Создание базы данных гидробиологических и палеоэкологических показателей для водных экосистем исследуемых регионов. Внесение данных в мировые базы данных (PANGАEA, EDDI, PAGES).
• Обработка проб зоопланктона, отобранных в поле на репрезентативных водоемах.
• Алгоритм скоростей, описывающих: первичный биосинтез органического вещества, естественное отмирание гидробионтов, их траты на обмен, питание гетеротрофных организмов, бактериальную деструкцию органического вещества, создание бактериальной продукции, разложение и минерализацию органического вещества, газообмен с атмосферой.

WP3b: палеогеография
• Продолжение спорово-пыльцевого анализа колонки донных отложений оз.Имандра
• Реконструкция условий формиравония и развития гляцио-карстовых озер на п-ве Ямал.

М4: гидрохимия и геохимия озерных осадков

• Выполнение геохимических анализов, получение C/N отношения для донных отложений, получение AMS датировок
• Анализ изменения геохимических параметров озер в связи с климатическими изменениями.
• Прогноз поступления веществ в озера с водосбора и изменений объема поступления веществ в связи с климатическими флуктуациями.

М5: оценка современного состояния и адаптационной устойчивости озер
• Отладка моделей развития водных арктических экосистем при различных сценариях климатических изменений и внешних воздействий.
• Оценка устойчивости арктических водоемов и наземных ландшафтов. Исследование возможных изменений устойчивости и экологического статуса водоемов.
Прогноз изменений водных экосистем Арктики при дальнейших климатических флуктуациях.

основные результаты по этапу (кратко)

Выполнено изучение гидрологических, гидрохимических, гидробиологических, геофизических характеристик арктических озер 3-х регионов: дельта р.Лена, Ямальский п-в, Кольский п-в.

описание вклада в работу каждого из участников (учётная форма ЦИТиС)

Федорова И.В. - 30%, Бобров .Ю. - 20%, Здоровеннов Р.Э. - 10%, Здоровеннова Г.Э. - 10%, Гузева А.А. - 5%, Алексеева Н.К. - 5%, участники из других институтов и ВУЗов - 20%

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

обоснование междисциплинарного подхода

Водные экосистемы включают в себя различные параметры, которые определяют их специфику
Короткий заголовокАрктические лимносистемы
АкронимRFBR_topic_2018 - 3
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания24/09/209/09/21

Ключевые слова

  • Арктика
  • арктические озера
  • водные экосистемы
  • лимносистемы
  • метаболические процессы
  • пищевые цепи
  • адаптация
  • эластичность
  • устойчивость
  • лед
  • изменение климата

Fingerprint

Просмотреть темы исследований, затронутые в этом проекте. Эти метки созданы на базе основных наград/грантов. Вместе они формируют уникальную картину активности.