Recognizing palsa and high-centered polygonal peatlands based on the carbon-to-nitrogen ratio

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The study focuses on palsa and high-centered polygonal peatlands. Engineering surveys for construction in bumpy permafrost peatlands are complicated by the lack of clear criteria for distinguishing between different types of mounds, such as palsa and high-centered polygonal peatlands. These mounds differ in height, shape, and distribution of their main engineering components. These two kinds of bumpy permafrost peatlands respond to human impact in rather different ways throughout structure operation, necessitating distinct safeguards. In this sense, techniques for more precise mound identification needs to be developed early on in engineering and environmental surveying. Examining the distribution of the carbon to nitrogen ratio in the peat that covers the mounds could be one strategy. The remaining landforms known as high-centered polygonal peat blocks were created "passively" by thermokarst processes along the frost-breaking cracks, with vein ice separating them. Palsa peat massifs are mostly found in the sporadic permafrost zone, though they are also frequently observed in the discontinuous and even continuous permafrost development zones, such as the Norilsk region, the Putorana plateau, the Mirny region of Yakutia, Chukotka and Kamchatka, etc. The thickness of peat on both convex and flat surfaces It is typically high, ranging from 1 to 3 meters, but rising to 5 meters and occasionally 8 to 9 meters on convex mounds. Palsa and high-centered polygonal peatlands exhibit distinctive genesis, height, shape, and distribution of engineering and geological characteristics, particularly ice content. Improved methods for identifying mounds during early stages of engineering and environmental studies are needed. One approach could be to analyze the carbon and nitrogen ratios in the peat covering the mounds. Palsa peatlands have higher carbon content (50-55% on average) and lower nitrogen content (0.5-2.0%) compared to high-centered polygonal peatlands (35-40% carbon and 1.5-2.5% nitrogen). The C/N value in peatlands varies, with palsa ranging from 30-36 (reaching -240) and high-centered polygonal peatlands rarely exceeding 25-27 (often 10-20).

References

  1. СП 502.1325800.2021. Инженерно-экологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ. М.: 141 с.
  2. СП 493.1325800.2020. Инженерные изыскания для строительства в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Общие требования. М.: 131 с.
  3. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К. Особенности инженерных изысканий для строительства трубопроводов в пределах бугристых ландшафтов зоны спорадического распространения многолетнемерзлых пород // Инженерные изыскания. 2014. № 9-10. С. 26–33.
  4. Васильчук Ю.К., Васильчук А.К., Буданцева Н.А., Чижова Ю.Н. Выпуклые бугры пучения многолетнемёрзлых торфяных массивов / Под ред. проф. Ю.К. Васильчука М.: Изд-во Моск. ун-та, 2008. 571 с.
  5. Каверин Д. А., Пастухов А. В. Генетическая характеристика мерзлотных почв оголенных пятен на плоскобугристых торфяниках Большеземельской тундры // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Том 15. № 3. С. 55–62.
  6. Попов А.И. Вечная мерзлота в Западной Сибири. М.: Изд-во АН СССР. 1953. 230 с.
  7. Groß-Schmölders M., von Sengbusch P., Krüger J.P., Klein K., Birkholz A., Leifeld J., Alewell C. Switch of fungal to bacterial degradation in natural, drained and rewetted oligotrophic peatlands reflected in δ15N and fatty acid composition // Soil. 2020. Vol. 6. P. 299–313. doi: 10.5194/soil-6-299-2020
  8. Jones B.M., Baughman C.A., Romanovsky V.E., Parsekian A.D., Babcock E.L., Stephani E., Jones M.C., Grosse G., Berg E.E. Presence of rapidly degrading permafrost plateaus in south-central Alaska // The Cryosphere. 2016. Vol. 10. P. 2673–2692.
  9. Mamet S.D., Chun K.P., Kershaw G.G.L., Loranty M.M., Kershaw G.P. Recent Increases in Permafrost Thaw Rates and Areal Loss of Palsas in the Western Northwest Territories, Canada // Permafrost and Periglacial Processes, 2017. Vol. 28. Iss. 4. P. 619–633. doi: 10.1002/ppp.1951.
  10. Nihlen T. Palsas in Harjedalen, Sweden: 1910 and 1998 compared // Geografiska Annaler. 2000. Vol. 82A. Iss 1. P. 39–44.
  11. Vasil'chuk Yu.K., Budantseva N. A., Vasil'chuk A.C., Chizhova Ju.N., Vasil'chuk J.Yu., Ginzburg A.P. Isotope-tracing for conceptual model formation during the Holocene of Eletsky palsa, Bolshezemelskaya tundra // Permafrost and Periglacial Processes. 2024. Vol. 35. Iss. 4. P. 523-543. doi: 10.1002/ppp.2246.
  12. Данилов И.Д. О генетической взаимосвязи плоскобугристых и выпуклобугристых торфяников // Природные условия Западной Сибири. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1973. С. 150–159.
  13. Пьявченко Н.И. Бугристые торфяники. М.: Изд-во АН СССР. 1955. 280 с.
  14. https://ya.ru/images/search?cbir_id=1339905%2FcP2eqUBz0LajjzEJnHm_8w9745&cbir_page =similar&cbird=188&img_url=https%3A%2F%2Fnewseu.cgtn.com%2Fnews%2F2021-10-20%2FRussia-facing-97bn-bill-as-melting-permafrost-collapses-buildings
  15. Zuidhoff F. S. Recent decay of a single palsa in relation to weather conditions between 1996 and 2000 in Laivadalen, northern Sweden // Geografiska Annaler. Series A, Phisycal Geography. 2002. Vol. 84 A (2). P. 103–111.
  16. Васильчук Ю.К., Буданцева Н.А., Чижова Ю.Н. Быстрая деградация пальза у поселка Абезь, северо-восток Европейской части России // Арктика и Антарктика. 2017. № 3. С. 30–52. doi: 10.7256/2453-8922.2017.3.24432 URL: https://e-notabene.ru/arctic/article_24432.html
  17. Leifeld, J., Klein, K. & Wüst-Galley, C. (2020). Soil organic matter stoichiometry as indicator for peatland degradation // "em"Scientific reports"/em", vol. 10 (1), pp. 7634. doi: 10.1038/s41598-020-64275-y
  18. Loisel, J., Yu, Z. (2013). Recent acceleration of carbon accumulation in a boreal peatland, south central Alaska. "em"Journal of Geophysical Research: Biogeosciences"/em", 118(1), 41–53, doi: 10.1029/2012jg001978.
  19. Loisel, J., Yu, Z., Beilman, D., Camill, P., Alm, J., Amesbury, M., Anderson, D., Andersson, S., Bochicchio, C., Barber, K., Belyea, L., Bunbury, J., Chambers, F.M., Charman, D., De Vleeschouwer, F., Fiałkiiewicz-Kozieł, B., Finkelstein, S.A., Gałka, M., Garneau, M., Hammarlund, D., Hinchcliffe, W., Holmquist, J., Hughes, P., Jones, M.C., Klein, E.S., Kokfelt, U., Korhola, A., Kuhry, P., Lamarre, A., Lamentowicz, M., Large, D., Lavoie, M., MacDonald, G., Magnan, G., Mäkilä, M., Mallon, G., Mathijssen, P., Mauquoy, D., McCarroll, J., Moore, T.R., Nichols, J., O'Reilly, B., Oksanen, P., Packalen, M., Peteet, D., Richard, P.J.H., Robinson, S., Ronkainen, T., Rundgren, M., Sannel, A.B.K., Tarnocai, C., Thom, T., Tuittila, E.-S., Turetsky, M., Väliranta, M., van der Linden, M., van Geel, B., van Bellen, S., Vitt, D., Zhao, Y., Zhou, W. (2014). A database and synthesis of northern peatland soil properties and Holocene carbon and nitrogen accumulation // The Holocene. 2014. Vol. 24(9). P. 1028–1042, doi: 10.1177/0959683614538073.
  20. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К. Возможность использования величины отношения углерода к азоту как критерий разделения пальза и литальза // Арктика и Антарктика. 2023. № 3. С. 52–72. doi: 10.7256/2453-8922.2023.3.44176 EDN: VKRSQW URL: https://e-notabene.ru/arctic/article_44176.html
  21. Васильчук Ю.К. "em"Повторно-жильные льды; гетероцикличность, гетерохронность, гетерогенность"/em". – М.: Изд-во Моск. ун-та. 2006. – 404 c.
  22. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К., Буданцева Н.А., Гинзбург А.П., Литвинский В.А., Кузякин Л.П. Соотношение углерода и азота и вариации стабильных изотопов углерода в торфе плоскобугристого полигонального торфяника у поселка Новый Порт, полуостров Ямал // Известия РАН. Серия географическая. 2024. (в печати).
  23. Васильчук Д.Ю., Буданцева Н.А., Гаранкина Е.В., Шоркунов И.Г., Васильчук Ю.К. Изотопно-геохимические свойства торфяных почв территории месторождения Бованенково, центральный Ямал // Арктика и Антарктика. 2017. № 1. С. 110–126. doi: 10.7256/2453-8922.2017.1.22331 URL: https://e-notabene.ru/arctic/article_22331.html
  24. Голубятников Л.Л., Заров Е.А. Содержание углерода и азота в торфяных почвах северных районов Западной Сибири // "em"Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее. Материалы Шестого Международного полевого симпозиума."/em" Ханты-Мансийск, 28 июня – 08 июля 2021 года. Томск: Изд-во Томского ун-та. 2021. С. 113–115.
  25. Golubyatnikov L.L., Zarov E.A. Soil carbon and nitrogen stocks in polygonal fissure mires of southern tundra in Western Siberia // "em"IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci"/em". 2022. 1093 012024 doi: 10.1088/1755-1315/1093/1/012024
  26. Васильчук А.К., Буданцева Н.А., Васильчук Ю.К., Васильчук Дж.Ю., Блудушкина Л.Б. Соотношение содержания углерода, азота и значения δ13С в полигональных ландшафтах на побережье залива Онемен, Чукотка // Арктика и Антарктика. 2021. № 1. С. 47–64. doi: 10.7256/2453-8922.0.0.33291.
  27. Schirrmeister L., Bobrov A., Raschke E., Herzschuh H., Strauss J., Pestryakova L.A., Wetterich S. Late Holocene ice-wedge polygon dynamics in northeastern Siberian coastal lowlands // Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2018. Vol. 50:1. e1462595. doi: 10.1080/15230430.2018.1462595.
  28. Wolter J, Lantuit H, Wetterich S, Rethemeyer J, Fritz M. Climatic, geomorphologic and hydrologic perturbations as drivers for mid-to late Holocene development of ice-wedge polygons in the western Canadian Arctic // "em"Permafrost and Periglac Process"/em". 2018. Vol. 29. Iss.3. P. 164–181. doi: 10.1002/ppp.1977.
  29. Fritz M., Wolter J., Rudaya N., Palagushkina O., Nazarova L., Obu J., Rethemeyer J., Lantuit H., Wetterich S. Holocene ice-wedge polygon development in northern Yukon permafrost peatlands (Canada) // "em"Quaternary Science Reviews"/em". 2016. Vol. 147. P. 279–297. doi: 10.1016/j.quascirev.2016.02.008.
  30. Vardy S.R., Warner B.G., Turunen J., Aravena R. Carbon accumulation in permafrost peatlands in the Northwest Territories and Nunavut, Canada // The Holocene. 2000. Vol. 10(2). P. 273–280.
  31. Лаптева Е.М., Виноградова Ю.А., Чернов Т.И., Ковалева В.А., Перминова Е.М. Структура и разнообразие почвенных микробных сообществ в бугристых болотах северо-запада Большеземельской тундры // "em"Известия Коми НЦ УрО РАН"/em". 2017. № 4. С. 5–14.
  32. Каверин Д. А., Пастухов А. В., Лаптева Е. М., Биази К., Марущак М., Мартикайнен П. Строение и свойств почв многолетнемерзлых торфяников юго-востока Большеземельской тундры // "em"Почвоведение."/em" 2016. № 5, с. 542–556. doi: 10.7868/S0032180X16050075.
  33. Шамилишвили Г.А., Абакумов Е.В., Печкин А.С., Кобелев В.О. Изменение запаса органического углерода и общего азота почв под влиянием линейного строительства в зоне островного распространения многолетнемерзлых пород на примере Надымского района ЯНАО // Научный вестник Ямало-Ненецкого автономного округа. 2017. № 1 (94). С. 87–91.
  34. Prokushkin A.S., Novenko E.Yu., Kupriyanov D.A., Karpenko L.V., Mazei N.G., Serikov S.I. Carbon, nitrogen and their stable isotope (δ13C and δ15N ) records in two peat deposits of Central Siberia: raised bog of middle taiga and palsa of forest-tundra ecotone. In: "em"IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2022."/em" 1093, 012007 IOP Publishing doi: 10.1088/1755-1315/1093/1/012007.
  35. Novenko E.Yu., Prokushkin A.S., Mazei N.G., Zazovskaya E.P., Kupriyanov D.A., Shatunov A.E., Andreev R.A., Makarova E.A., Kusilman M.V., Serikov S.I., Gu Xiuyuan, Babeshko K.V., Tsyganov A.N., Mazei Yu.A. The mid- and late Holocene palsa palaeoecology and hydroclimatic changes in Yenisei Siberia revealed by a high-resolution peat archive // Quaternary International. 2024. Vol. 682. P. 8-21. doi: 10.1016/j.quaint.2024.01.013.
  36. Hichens-Bergström, M., Sannel, A.B.K. Permafrost development in northern Fennoscandian peatlands since the mid-Holocene // Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2023. 55(1). 2250035. doi: 10.1080/15230430.2023.2250035.
  37. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К., Буданцева Н.А., Блудушкина Л.Б., Васильчук Д.Ю., Гинзбург А.П., Слышкина Е.С. Соотношение углерода и азота и вариации стабильных изотопов углерода в торфе, перекрывающем пальза у поселка Елецкий // Арктика и Антарктика. 2022. № 3. С.11-34. doi: 10.7256/2453-8922.2022.3.38834 EDN: JICZQM URL: https://e-notabene.ru/arctic/article_38834.html
  38. Sannel A. B. K. & Kuhry P. Holocene peat growth and decay dynamics in sub-arctic peat plateaus, west-central Canada // "em"Boreas."/em" 2009. Vol. 38. Pp. 13–24. doi: 10.1111/j.1502-3885.2008.00048.x.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).