Почему озера меняют путь углерода из рек в атмосферу

Озеро кажется неподвижной частью пейзажа: река приносит в него воду, та задерживается, а затем продолжает путь дальше. Но для углерода такая остановка может полностью изменить маршрут. Исследование 32 речных и озерных сетей на севере Швеции показало, что большое количество озер увеличивает время пребывания воды в системе. В результате часть углерода, которая могла бы отправиться вниз по реке, успевает преобразоваться и вернуться в атмосферу.

Углерод постоянно перемещается с суши во внутренние водоемы. Дожди и талый снег вымывают из почвы органические вещества, образовавшиеся из растений и других организмов. Ручьи подхватывают растворенный углерод и несут его в реки, затем в более крупные водоемы и в конечном итоге к морю. Если представить ландшафт огромной транспортной системой, реки работают как скоростные магистрали. Озера больше похожи на станции, где груз может надолго задержаться и изменить форму.

Именно время оказалось одним из ключевых факторов. Исследователи называют его временем пребывания воды в сети – периодом между попаданием воды в систему и выходом из нее. В изученных водоемах разброс оказался огромным: от примерно 42 минут до 29 лет. Практически вся столь значительная задержка приходилась на озера.

Чтобы выяснить, как это связано с углеродом, ученые проводили измерения во время весеннего таяния снега, в начале лета, при низкой воде в конце лета и во время осеннего подъема уровня воды. Выбросы углекислого газа оценивались более чем на 360 участках ручьев и в 42 озерах. Параллельно исследователи определяли, сколько растворенного углерода продолжало движение вниз по течению.

Картина получилась достаточно четкой. В сетях, где площадь водной поверхности была в десять раз больше, среднее время пребывания воды увеличивалось примерно в 35 раз. Одновременно отношение выбросов углерода в атмосферу к его переносу вниз по течению становилось примерно в 1,8 раза выше. Получается, что геометрия водной системы способна определять судьбу углерода не меньше, чем само количество текущей через нее воды.

Почему обычная задержка настолько важна? Значительная часть поступающего с суши углерода находится в составе растворенного органического вещества. Им могут пользоваться микроорганизмы. Чем дольше вода остается в озере, тем больше времени получают бактерии и другие участники экосистемы для переработки этих соединений. В процессе дыхания органический углерод может превращаться в углекислый газ, после чего CO₂ покидает воду и поступает в атмосферу.

Это похоже на разницу между конвейером и складом. Если коробка быстро движется по ленте, с ней почти ничего не происходит. Если она остается на складе на несколько месяцев, ее могут открыть, переработать и отправить содержимое уже по другим направлениям. Озеро создает подобную паузу в путешествии углерода по ландшафту.

Однако ученые не утверждают, что обнаружили единственный механизм. В исследовании невозможно было непосредственно измерить вклад всех процессов, происходящих внутри каждой водной сети. Озерные системы различаются температурой, глубиной, растительностью, химическим составом воды и активностью микроорганизмов. Поэтому длительное пребывание воды выглядит важной частью объяснения, но не позволяет свести всю наблюдаемую закономерность только к микробному разложению органики.

Особенно интересной оказалась сезонность. Относительные выбросы углерода были меньше весной и осенью и достигали максимума летом. В теплые и сравнительно сухие периоды через ручьи проходит меньше воды, ее движение замедляется, а органические вещества дольше остаются внутри системы. Одновременно повышение температуры способно ускорять биологические процессы, участвующие в превращении органического углерода в CO₂.

Закономерность сохранялась даже во время необычно засушливого лета. Это показывает, что важно учитывать не только объем воды, но и устройство всей гидрологической сети. Два региона с похожим количеством осадков и речного стока могут по-разному участвовать в углеродном цикле, если один покрыт множеством озер, а другой состоит преимущественно из быстро текущих ручьев и рек.

При этом было бы ошибкой сделать вывод, будто именно озера являются главным источником речных выбросов CO₂. В абсолютном выражении исследованные реки выделяли больше углерода. Различие заключалось в другом: присутствие большого количества озер изменяло соотношение между двумя возможными путями – выбросом углерода в атмосферу и его дальнейшим переносом вниз по течению.

Есть и третий маршрут. Часть органического материала опускается на дно и оказывается погребенной в озерных отложениях, где углерод может сохраняться очень долго. Поэтому озеро одновременно способно выступать реактором, в котором углерод превращается в CO₂, и хранилищем, изолирующим некоторую его долю от атмосферы. Реальный баланс определяется взаимодействием множества процессов.

Эта работа меняет сам масштаб, в котором имеет смысл рассматривать внутренние воды. Отдельное озеро или участок реки дают лишь часть картины. Озера, ручьи, болота, водохранилища и поймы соединены между собой и образуют сеть, внутри которой углерод постоянно переносится, преобразуется, накапливается и возвращается в воздух.

Для северных регионов этот вопрос становится особенно важным по мере изменения климата. Потепление, количество снега, засухи и изменение речного стока способны влиять как на скорость движения воды, так и на процессы внутри водоемов. Новое исследование показывает еще одну переменную, которую нельзя игнорировать: иногда судьбу углерода определяет не только то, сколько воды находится в ландшафте, но и сколько времени эта вода проводит в пути.