View over the Thawing Lands: Невечная вечная мерзлота: как меняется How the Arctic Changes Nowроссийская Aрктика

Л.П. Борило, С.В. Лойко, О.М. Шадуйко,

Национальный исследовательский Томский государственный университет

НЕВЕЧНАЯ ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА: КАК МЕНЯЕТСЯ РОССИЙСКАЯ АРКТИКА Ludmila Borilo, Sergey Loyko, Olga Shaduyko

Tomsk State University, Tomsk, RF

VIEW OVER THE THAWING LANDS: HOW THE ARCTIC CHANGES NOW

Более 30 лет ученые Томского государственного университета (ТГУ) исследуют влияние теплеющего климата на разнообразные процессы, происходящие в экосистемах на территории российской Арктики и Сибири, в том числе изучают особенности экосистем лесо- и водно-болотных комплексов Западной Сибири. К 2017 г. накопленный исследовательский материал, интенсивное российское и международное сотрудничество, признанный научный авторитет томских ученых, а также административная и финансовая поддержка руководства ТГУ позволили сформировать исследовательскую инфраструктуру для круглогодичных исследований и мониторинга состояния окружающей среды вдоль широтных ландшафтно-климатических градиентов северного полушария планеты протяженностью более 2500 км. В состав инфраструктуры входят исследовательские станции «Актру» (Республика Алтай, в высокогорье); «Кайбасово» (Томская область, пойма Оби, среднее течение); «Васюган» (Томская область, территория For more than 30 years, scientists from the Tomsk State University (TSU) have been studying the warming climate on various processes in ecosystems of the Russian Arctic and Siberia, as well as the features of ecosystems of boreal – and wetland complexes of West Siberia. By 2017, a research infrastructure was formed for year-round research and monitoring of the environment along the latitudinal landscape and climatic gradients of the planet in the northern hemisphere ,more than 2500 km long. It became possible thanks to the accumulated research materials, the recognized scientifi c authority of Tomsk scientists, intense national and international cooperation, as well as administrative and fi nancial support from the TSU leadership. The infrastructure includes following research stations: Aktru (Altai Republic, the high mountains), Kajbasovo (Tomsk region,

Томский государственный увиверситет Tomsk State University

Л.П. Борило / Ludmila Borilo С.В. Лойко / Sergey Loyko О.М. Шадуйко / Olga Shaduyko

the middle course of the Ob River fl oodplain), Vasyugan (Tomsk region, the territory of the Big Vasyugan Mire) and Khanymej (Yamalo-Nenets Autonomous Okrug, the southern border of the permafrost zone). The Khanymei is the main northern cluster of this infrastructure. The processes of accumulation, emission and runoff of greenhouse gases have been actively studied on its territory. Yearround research and monitoring of the impact of global climatic processes on the landscapes and ecosystems of the cryolithozone of the northern hemisphere is carried out. As known, the macroregion of the Arctic and Siberia is one of the most permafrost on the planet. Vast reserves of permafrost are concentrated here in all its forms: from sporadic, discontinuous to continuous permafrost. Frost soil stores massive reserves of carbon. As the climate warms, the permafrost melts and this carbon is released into the atmosphere, contributing to the greenhouse eff ect. Since the landscapes of the north are changing very quickly, this territory serves as an indicator of changes on the planet. Research sites of Khanymej are located on the territory of fl at peat bogs (Palsas). Such territories are characterized by an insignifi cant peat deposit of 0.5–1.5 m (rarely – up to 3 m), it is associated with the spread of permafrost. Lichens occupy 70–80% of the soil surface. Often lots of lakes are found on the surface of peat bogs. Because of active thermokarst, accompanied by a general uplift of the territory, the lakes have specifi c hydrological activity. The coastlines and waterways are actively changing, and numerous water bodies, such as fl owing hollows and streams, are formed. The fi rst studies of the biogeochemical state of water bodies on the territory of the main Большого Васюганского болота) и «Ханымей» (Ямало-Ненецкий автономный округ, южная граница зоны многолетней мерзлоты). Станция «Ханымей» — основной северный кластер исследовательской инфраструктуры. На ее территории активно изучают процессы накопления, эмиссии и стока парниковых газов. Осуществляются круглогодичные исследования и мониторинг воздействия глобальных климатических процессов на состояние ландшафтов и экосистем криолитозоны северного полушария. Как известно, макрорегион Арктики и Сибири является одним из самых «мерзлотных» на планете: здесь сконцентрированы гигантские запасы вечной мерзлоты во всех ее формах — от островной прерывистой, до сплошной. Мерзлая почва хранит огромные запасы потенциально лабильного углерода, и с потеплением климата, когда мерзлота тает, этот углерод начинает выделяться в атмосферу, способствуя образованию парникового эффекта. Северные ландшафты меняются крайне быстро, неслучайно говорят, что именно эта территория служит индикатором трансформаций, происходящих на планете. Исследовательские площадки станции «Ханымей» расположены на территории плоскобугристых торфяников (Palsas), имеющих незначительную торфяную залежь (0,5–1,5 м, редко — до 3 м), в которой распространены многолетнемерзлые породы. Лишайниками занято 70–80% поверхности почвы. Среди мерзлых болот расположено значительное количество озер (>50% всей территории). В результате активности термокарстовых процессов эти озёра в настоящее время довольно активно самоосушаются, изменяют свои береговые линии. Первые исследования биогеохимического состояния водных объектов на территории основного кластера станции «Ханымей» начались в 2010 г. С этого времени на водных объектах проводятся регулярный отбор и анализ проб воды. Исследуются геохимические характеристики донных отложений, почвенных растворов, торфов. Пред-

Полевые работы по изучению торфяных почв и биогеохимии термокарстовых озер.

Ямало-Ненецкий автономный округ. Фото из архива пресс-службы ТГУ

Field work to study peats and biogeochemistry of thermokarst lakes.

Yamalo-Nenets Autonomous Okrug. Photo from the archive of the TSU press service Полевые работы по изучению растительности и минерального состава почв хасыреев.

Ямало-Ненецкий автономный округ. Фото: С. Лойко, Томский государственный университет

Field works to study vegetation and mineral composition of khasyrej soil.

Yamalo-Nenets Autonomous Okrug. Photo: Sergey Loyko, Tomsk State University

варительное изучение территории Надым-Пурского междуречья проводилось по аэрофотоснимкам еще 1989 г. При сравнении их с современными космическими снимками были выявлены значительные изменения в ранее обследованных ландшафтах: уменьшение площадей крупных термокарстовых озер, спуск озер в дренажную сеть, разрушение полигональных структур. Наземные обследования 2015 и 2017 гг. показали необходимость всестороннего исследования данной территории, так как подтвердили установленные изменения, а также позволили выявить зоны активного проявления современных термокарстовых процессов, связанных с таянием мерзлоты и ее влиянием на экосистемы. Эти регулярные всесезонные исследования стали научно-методологической основой для нескольких крупных российских и международных проектов. При их реализации научные группы ТГУ и их зарубежные и российские партнеры (в том числе в рамках консорциума ИНТЕРАКТ и Сети SecNet) получили новые, иногда парадоксальные, данные об особенностях экосистем Арктики и Субарктики. В этих проектах участвовали и продолжают работать около 70 российских и зарубежных специалистов из университетов и исследовательских центров России, Франции, Швеции, Великобритании, Польши, Бельгии: почвоведы, ботаники, гидрологи, химики, геохимики, специалисты в области GIS-технологий и другие. За время реализации проектов, с 2013 г. по настоящее время, научный коллектив ученых ТГУ стал одной из немногих групп в мире, провоcluster of the Khanymej began in 2010. Water samples are taken and analyzed regularly. The geochemical characteristics of bottom sediments, soil solutions and peats are also investigated. A preliminary study of the territory of the Nadym-Pur interfl uve was carried out back in 1989 using aerial photographs. Comparing them with modern satellite images revealed signifi cant changes in the previously surveyed landscapes. In particular, the areas of large thermokarst lakes have decreased, the lakes have been drained into the drainage network, and polygonal structures have been destroyed. In 2015 and 2017, terrestrial surveys confi rmed the above changes and showed the need for further exploration of the area. The surveys also revealed territories with current thermokarst processes caused by the thawing of permafrost and its impact on ecosystems. Regular all-season research has become the scientifi c and methodological basis for several large Russian and international projects. TSU scientists continue to cooperate with international and other Russian partners, including the INTERACT consortium and the SecNet network. New (sometimes paradoxical) data on the features of the ecosystems of the Arctic and Subarctic were obtained. About 70 Russian and foreign specialists have been participating participated in these proj-

ects: soil scientists, botanists, hydrologists, chemists, geochemists, specialists in GIS-technologies, as well as scientifi c groups from universities and research centres in Russia, France, Sweden, Great Britain, Poland, and Belgium. In fact, during the implementation of the projects from 2013 to the present, the TSU research team has become the one among the very few groups in the world in the world conducting all-season systematic observations along with the latitudinal profi le from the Tomsk region to Yamal (Kara Sea). Therefore our researches are very interesting for scientists from diff erent countries. During the implementation of interdisciplinary projects, we obtained new data on the ecosystems of lakes and frozen bogs located in the northern regions and their role in regulating the global climate. A comprehensive analysis of the content of organic carbon, micro- and microelements in solutions of peat soils in the permafrost zone on the territory of the West Siberian Plain was carried out for the fi rst time in Russia. The results were unexpected: further warming of the climate in West Siberia will reduce the supply of nutrients from land to the world ocean through rivers. Therefore, there are no catastrophic consequences. Reservoirs in the north of Siberia will not overfl ow with biomass and will not bloom. Studies of some natural objects have shown unexpected results that have not previously been decribed in the literature and are contrary to the available data. For example, everyone knows that large thermokarst lakes and large waterways are one of the most important natural sources of greenhouse gases. However, fi eld expeditions and laboratory studies carried out in 2017 and 2018 by the TSU research team and their foreign partners found that small (invisible on the map) lakes emit 6–10 times more methane and carbon dioxide than large thermokarst lakes.

According to the researchers, the reason is, the small lakes have a rather large catchment area and a large supply of organic matter that the inhabitants of the reservoir feed on (crustaceans, bacteria, plankton, and others) while emitting carbon dioxide. As the lake grows, its catchment area decreases, the organic matter necessary for feeding vari-

Зимние полевые работы Winter fi eld work дящих всесезонные систематические наблюдения по широтному профилю от Томской области до Ямала (Карское море). Поэтому наши исследования так интересны ученым из разных стран. При реализации междисциплинарных проектов получены новые данные об экосистемах озер и мерзлых болот, расположенных на территории северных регионов, и их роли в регулировании глобального климата. В частности, впервые в России проведен комплексный анализ содержания органического углерода, макро- и микроэлементов в растворах торфяных почв в зоне вечной мерзлоты на территории Западно-Сибирской равнины. Ученые получили неожиданные результаты, которые свидетельствуют о том, что при дальнейшем потеплении в Западной Сибири уменьшится экспорт питательных веществ реками с суши в мировой океан. Поэтому катастрофических последствий не предвидится — водоемы на севере Сибири не переполнятся биомассой и не зацветут. По некоторым природным объектам получены интересные результаты, которые ранее не были описаны в литературе и идут вразрез с имеющимися данными. Например, считается, что одним из наиболее серьезных природных источников парниковых газов являются большие термокарстовые озера и крупные водные артерии. В ходе проведенных в 2017, 2018 гг. учеными ТГУ и их зарубежными партнерами полевых экспедиций и лабораторных исследований выяснилось, что из мелких озер, незаметных на карте, выделяется в 6–10 раз больше метана и углекислого газа, чем из крупных термокарстовых озер. По мнению исследователей, причина кроется в том, что у маленьких озер довольно обширная площадь водосбора и большое поступление органических веществ, которыми питаются обитатели водоема (рачки, бактерии, планктон и другие), выделяющие при этом углекислый газ. По мере увеличения площади озера уменьшается площадь его водосбора, содержание органики, необходимой для питания раз-

ous organisms reduces sharply, along with this, CO2 emission decreases. A similar situation is observed with small rivers. We studied water bodies located at the mouths of the Ob, Taz, Nadym, Pur rivers. Throughout the entire ecological corridor, researchers more than 7.000 water and soil samples. They were partially analyzed in the fi eld, but the main research work was carried out in the Рис. 2 laboratories of the TSU Арктический зеленый оазис. in Tomsk and Midi-PyrЯмало-Ненецкий автономный округ. Фото: Сергей Лойко, ТГУ enees in Toulouse. We obArctic green oasis. tained quite unexpected results: small tributaries of Yamalo-Nenets Autonomous Okrug. Photo: Sergey Loiko, Tomsk State University rivers and streams contain 10-30 times more carbon личных организмов, резко падает, вместе с этим снижается dioxide and methane than the rivers into which эмиссия углекислого газа. they fl ow. It is approximately 400–2000 ppm in Аналогичная ситуация наблюдается и в отношении large rivers and up to 12,000–13,000 ppm in small малых рек. Изучались водные объекты, расположенные rivers. Such data are not found in the scientifi c в устьях рек Обь, Таз, Надым, Пур. На протяжении всего literature on West Siberia. The role of small rivэкологического коридора исследователи отобрали более ers and other small water bodies in climate regu7000 образцов воды и почвы. Частично их анализировали lation can be signifi cantly greater than previously в полевых условиях, но основная исследовательская рабо- thought. та была проведена в лабораториях ТГУ и Миди-Пиринейз Based on the Khanymej infrastructure, в Тулузе. Были получены крайне неожиданные результа- TSU scientists obtained a large array of new data ты: малые притоки рек и ручьи содержат в 10–30 раз боль- on the ecosystems of the khasyrey. Khasyrey are ше углекислого газа и метана, нежели реки, в которые они former lakes that were empty due to the melting впадают. Разница значений приблизительно такова: от 400– of permafrost and thermal erosion of the banks. 2000 ppm в больших реках, до 12 000–13 000 ppm в «речных First, long-term observations show that in the last капиллярах». В научной литературе по Западной Сибири 30 years the formation of the khasyrey has become таких данных не встречалось. Очевидно, что роль малых more active. The number of such sites has almost рек и других малых водных объектов в регуляции климата doubled. Also, the bottom sediments of the khasyможет быть существенно больше, чем считалось ранее. rey accumulate many mineral substances that feed Наряду с этим ученые ТГУ, опираясь на инфраструк- the plants. Soon after the draining of the lakes, туру станции «Ханымей», получили большой массив новых a real outbreak of life occurs in their place; oaданных об экосистемах хасыреев — бывших озерах, опустев- ses with shrub-meadow vegetation appear in the ших из-за таяния вечной мерзлоты и термоэрозии берегов. tundra and forest-tundra. If we study the causes Во-первых, многолетние наблюдения ученых показывают, and mechanisms of these outbreaks, it will likely что в последние 30 лет процессы образования хасыреев ста- be possible to artifi cially create conditions for the ли значительно активнее, количество таких участков уве- successful cultivation of vegetables and forage личилось почти вдвое. Кроме того, в донных отложениях crops in the Siberian Arctic. хасыреев накоплено большое количество минеральных ве- Preliminary, it is possible to say that the ществ, питающих растения. Вскоре после осушения озер на potential of the northern ecosystems is underesих месте происходит настоящая вспышка жизни — в тундре timated, and the study of the khasyrey helps to и лесотундре появляются оазисы с кустарниково-луговой assess it correctly. It is considered that the unfaрастительностью. Изучив причины и механизмы этих вспы- vourable climate is the main reason for the low шек, вполне вероятно, люди смогут искусственно создавать productivity of the northern territories. Although,

Нетипичный ромашковый оазис (слева) и цветущие одуванчики (справа).

Ямало-Ненецкий автономный округ, Юрацкая губа. Фото из архива Андрея Лобанова, НМИЦ реабилитации и курортологии Минздрава России, Томский государственный университет

An atypical oasis of chamomiles (left) and blooming dandelions (right).

Yamalo-Nenets Autonomous Okrug, Yuratskaya Guba. Photos from the archives of Andrey Lobanov, NMR Center for Rehabilitation and Balneology of the Ministry of Health of Russia, Moscow, Tomsk State University.

the total amount of solar radiation in June and July in the Far North is slightly less than in the steppe zone located far to the south. However, in conditions of permafrost and the presence of arctic air masses, a large amount of solar energy is spent on melting the permafrost. According to TSU scientists, the main agronomic problem of the Far North regions is the inability of soils to retain nutrients. This process occurs due to the high humidity of the climate and the rapid leaching of macro- and microelements that are carried into the rivers. The TSU scientifi c team is trying to identify the factors contributing to the high proусловия для успешного выращивания овощей и кормовых культур в сибирской Арктике. Можно сделать предварительное заключение о том, что потенциал северных экосистем сильно приуменьшен, а изучение продуктивности хасыреев помогает его правильно оценить. Считается, что главной причиной низкой продуктивности северных территорий служит неблагоприятный климат. На самом деле суммарное количество солнечной радиации в июне и июле на Крайнем Севере немногим меньше, чем в расположенной далеко к югу степной зоне, но в условиях мерзлоты и присутствия арктических воздушных масс большое количество солнечной энергии тратится именно на таяние мерзлоты. По мнению ученых

Полевые работы, Ханымей / Field works Khanymej_2019

ТГУ, главная агрономическая проблема районов Крайнего Севера заключается в неспособности почв удерживать полезные вещества. Происходит это из-за высокой влажности и быстрого вымывания макро- и микроэлементов, которые выносятся в реки. Научная группа ТГУ пытается выявить факторы, способствующие высокой продуктивности хасыреев, и понять, с какой скоростью она снижается во времени. С этой целью проводятся как полевые работы на разновременных объектах возрастом от 10 лет и более, так и лабораторные исследования и натурные эксперименты. Феномены, обнаруженные томскими учеными, говорят о том, что даже в условиях короткого вегетационного периода (в тундре он составляет около двух месяцев) можно получать богатый урожай травы и кустарников и использовать их для кормов. Вместе с тем исследователи из ТГУ, работающие в Арктической зоне РФ, столкнулись с еще одним интересным природным явлением в виде быстрого заболачивания озер — появлением так называемых сплавин и как следствие изменением ихтиофауны и увеличением количества водоплавающих птиц на таких озерах. Данный феномен обычно характерен для территорий с достаточно теплым климатом, например часто встречается в Беларуси и таежной зоне Русской равнины. Ранее с подобными явлениями в междуречьях в Арктической зоне не сталкивались. В литературных и научных источниках упоминаний о современном образовании сплавин в суровых континентальных условиях тоже нет. Это природное явление требует дальнейшего изучения для понимания того, к чему могут привести в перспективе подобные природные трансформации северных ландшафтов. Изменения в Арктической зоне РФ, в том числе и «позеленение», — явление дискретное, ему подвержено около 10–20% территории, из них 5–7% приходится на хасыреи. В целом, процессы, которые происходят в Арктике, носят естественный характер, но потепление климата с 80-х годов их сильно ускорило. Все это усиливается и антропогенным фактором: к примеру, были обнаружены зеленые оазисы в тех местах, где строители ранее брали песок для новых объектов. Нарушенная вечная мерзлота начала таять и отдавать почве элементы минерального питания, которые были скрыты в глубоких слоях. В результате там появилась растительность, нехарактерная для тундры: одуванчики, маки, ромашки. Добавим, что тренд к «позеленению» Арктики отмечают разные научные группы. О том же говорят и коренные народы Ямало-Ненецкого автономного округа, которые в последнее десятилетие видят заметное изменение биоразнообразия: появление травы, новых видов животных, птиц, насекомых. Представители местного населения, на территории которого учеными из Томского государственного университета и их зарубежными коллегами ведутся научные исследования, становятся активными участниками реализации научных проектов, помогая открывать и описывать уникальные природные явления и давая пищу для формирования новых научных направлений. ductivity of the khasyrey and to understand how fast it decreases over time. For this purpose, both fi eldworks are carried out on objects of diff erent ages, from 10 years or more, as well as laboratory research and fi eld experiments. The phenomena discovered by Tomsk researchers indicate that we can get a rich harvest of grass and shrubs and use them for animal feed even in a short growing season (it is about two months in the tundra). At the same time, TSU researchers working in the Arctic zone of the Russian Federation encountered another interesting natural phenomenon: rapid swamping of lakes. These are the appearance of so-called “fl oating bogs” and, as a consequence, a change in ichthyofauna and an increase in waterfowls on such lakes. This phenomenon is usually typical for areas with enough warm climate. For example, it is often found in Belarus and the taiga zone of the Russian plain. Previously, no one had detected such phenomena in the Arctic zone. In literary and scientifi c sources, there is also no mention of the modern formation of fl oating bogs in the harsh continental conditions. This natural phenomenon requires further study to understand what such natural changes of northern landscapes can lead to in the future. Changes in the Arctic zone of the Russian Federation, including greening, are a discrete phenomenon. About 10–20% of the territory is subject to it, of which 5–7% are in the khasyrey. In general, the processes in the Arctic are natural, but the climate warming since the 1980s has greatly accelerated them. All this is enhanced by an anthropogenic factor. For example, green oases were discovered in areas where builders had previously taken sand. The disturbed permafrost began to thaw and give the soil elements of mineral nutrition, which were hidden in deep layers. As a result, the vegetation, not typical for the tundra,appeared there: dandelions, poppies, chamomiles. Recently, diff erent scientifi c teams have noted a trend towards the greening of the Arctic. In the last decade the indigenous peoples of the Yamalo-Nenets Autonomous Okrug (YaNAO) have seen the same noticeable change in biodiversity: the appearance of grass, new species of animals, birds, and insects. Part of residents of the YaNAO, on the territory of which TSU scientists and their foreign colleagues conduct scientifi c researches, become active participants in the implementation of scientifi c projects. They help to discover and describe unique natural phenomena, provide ideas for new scientifi c studies. Comprehensive studies carried out by TSU scientists together with Russian and international partners have made it possible to obtain unique

data on changes in Arctic ecosystems. The analysis of these data will allow for better understanding of the environmental changes in the Arctic zone of the Russian Federation. It helps us to build much more accurate forecasts of what will happen to the permafrost and what climate-related changes await humanity in the future. We will understand what economic and political steps can and should be taken to create and maintain productive ecosystems in the northern regions, and produce new technologies for soil reclamation to achieve the common goal of sustainable development of the northern territories of the Russian Federation.

The authors express their gratitude to Tomsk State University for initiating and supporting infrastructure and scientifi c research in the Arctic zone of the Russian Federation within the framework of the Competitiveness Enhancement Program, as well as to the staff of the research infrastructure “System of experimental bases located along the latitudinal gradient” for fruitful cooperation (http://ckp-rf. ru/usu/586718/; http://www.secnet.online/megaustanovka-ru.html). The article is based under materials from the TSU press service. Комплексные исследования, проводимые учеными ТГУ совместно с российскими и международными партнерами, позволили получить большой массив уникальных данных об изменениях арктических экосистем. Анализ этих данных дает возможность лучше понимать процессы трансформации окружающей среды, происходящие в Арктической зоне РФ, строить гораздо более точные прогнозы относительно того, что будет происходить с вечной мерзлотой, какие обусловленные этим изменения ждут человечество в будущем, какие экономические и политические шаги можно и нужно предпринять для создания и поддержания продуктивных экосистем северных районов и создания новых технологий рекультивации почв, для достижения общей цели устойчивого развития северных территорий РФ .

Авторы выражают благодарность Томскому государственному университету, инициировавшему и поддерживающему инфраструктуру и научные исследования на территории Арктической зоны РФ в рамках Программы повышения конкурентоспособности, а также сотрудникам исследовательской инфраструктуры «Система экспериментальных баз, расположенных вдоль широтного градиента» за плодотворное сотрудничество (http://ckp-rf.ru/usu/586718/; http:// www.secnet.online/megaustanovka-ru.html). Статья подготовлена с использованием материалов пресс-службы Томского государственного университета.

Ученые ТГУ и местные жители поселка Сейяха перед выездом в поле.

Ямало-Ненецкий автономный округ. Фото из архива пресс-службы ТГУ

TSU scientists and residents of the village of Seyakha, before leaving for fi elds.

Yamalo-Nenets Autonomous Okrug. Photo from the archive of the TSU press service Yamalo-NenetsA s Autonomous Okrug P . Photof o from thea e archive of theT e TSU SU press service