ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 7, с. 824-831
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.4
КИНЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГАЗООБМЕНА МЕЖДУ ПОЧВОЙ И АТМОСФЕРОЙ КАМЕРНО-СТАТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
© 2015 г. А. В. Смагин
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, Институт экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, Институт лесоведения РАН, 119991, Москва, Ленинские горы
е-таП: smagin@list.ru Поступила в редакцию 15.08.2014 г.
Метод закрытых (статических) камер является широко распространенным, часто используемым в настоящее время методом изучения потоков газов и паров на границе почвы и атмосферы. Однако в ряде случаев он может существенно занижать количественную оценку изучаемых величин, что во многом определяется способом расчета потоков по экспериментальным данным о динамике концентраций газов и паров в камере-изоляторе. В работе предлагается оригинальный метод расчета, пригодный для различных типов трендов динамики концентраций (линейных и нелинейных), основанный на уравнении касательной к линиям трендов в точке начала эксперимента ^ = 0). Приводятся результаты сравнения с традиционной методикой, из которых следует, что расхождение может составлять от нескольких единиц до десятков раз. Критически анализируется теория камерно-статического метода и возможные скрытые причины занижения им количественной оценки газообмена на границе почвы и атмосферы.
Ключевые слова: эмиссия, поглощение газов, метод закрытых камер, тренды концентраций и расчет потоков газообразных веществ, моделирование.
Б01: 10.7868/80032180X15070102
ВВЕДЕНИЕ
Газообмен с почвой признается одним из основных факторов регуляции состава и состояния атмосферы и возможных климатических изменений. Традиционно для его исследования применяется метод закрытых (статических) камер, суть которого заключается в экспериментальной оценке прироста или убыли концентраций газообразного вещества в объеме камеры-изолятора, установленной на поверхности почвы [8]. По этим экспериментальным данным и геометрическим параметрам камеры производится расчет соответствующих потоков газообразных веществ в форме их эмиссии (прирост концентраций) или поглощения (убыль концентраций) на границе почвы и атмосферы. При большом количестве публикаций о разных технологических вариантах метода камер и, в первую очередь, о средствах детекции газов и паров, а также о его сравнении с другими методами исследований газообмена почвы и атмосферы, в литературе крайне мало работ по теоретическому обоснованию метода закрытых камер [7, 11]. А ведь именно от него зависят то или иное представление о динамике газообразных веществ в камере и способ расчета потоков.
В этой связи цель исследования состояла в критическом анализе теории метода закрытых камер и обосновании универсального способа расчета газовых потоков по данным о динамике концентраций в камере, включающим как линейные, так и нелинейные тренды.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В работе анализируются и приводятся в качестве примеров экспериментальные данные по оценке газовых потоков на границе почвы и атмосферы, полученные стандартным методом закрытых камер [2, 8] для углеродсодержащих газов СО2, СО и СН4 на различных объектах исследования (урбаноземах столичного мегаполиса в ЗАО и ЮВАО и почвах западносибирского олиготроф-ного болота в Ханты-Мансийском автономном округе (полигон Югорского государственного университета "Мухрино")) в 2010 г. Использованы как собственные данные, так и материалы, любезно предоставленные автору коллегами по работе. В экспериментах были задействованы камеры-изоляторы из оргстекла правильной формы квадратного сечения с ребром от 0.2 до 1 м, высотой от
0.09 до 0.6 м и с глубиной врезки (А1) в почву (снег) от 0.01 до 0.15 м. В ряде случаев осуществлялась непосредственная детекция объемного содержания газов (СО2, СО) в камерах при помощи портативных газоанализаторов AZ 7755, ПКГ-4СО, согласно нашим разработкам [6, 8]. При исследовании метана производился отбор газовых проб с помощью пластмассовых шприцов объемом 20 мл, которые после герметизации транспортировались в лабораторию, где объемное содержание газа определялось на газовом хроматографе "Кристалл 5000.1" с пламенно-ионизационным детектором [2].
Программируемыми датчиками DS1921, DS1923 фиксировали температуру окружающей среды, а при помощи портативных цифровых метеостанций типа И58708Р измеряли атмосферное давление. Расчет концентрации компонента в газовой фазе (С) по данным об измеряемой величине его объемного содержания (Х), абсолютной температуре (Т), барометрическом давлении (Д) и молекулярной массе (М) осуществляли по следующей формуле [8]:
C, г/м3 1.2
С = МДХ
100RT
(1)
где [С] = г/м3, [Х] = %, [Д] = Па, [T] = К, R = = 8.31 Дж/моль/K (универсальная газовая постоянная).
Статистическую обработку измерений, а также аппроксимацию трендов концентрации газов в камере, математические расчеты газовых потоков, построение графических иллюстраций проводили с использованием компьютерных программ Microsoft Excel 2003 и S-Plot 9.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1, 2 приведены примеры различных трендов динамики концентраций газов в камере-изоляторе при исследовании газообмена почвы и атмосферы. Обращает на себя внимание одна особенность. Тренды далеко не всегда линейны. И не всегда нелинейность есть следствие длительности процессов аккумуляции (убыли) газообразных веществ в камере-изоляторе, как это предполагается в теории метода, описанной в работе [7]. В ряде случаев уже в течение небольших отрезков времени возникает всплеск концентраций газа (рис. 2, Д, Е) с последующим "рассасыванием" — релаксацией к исходному уровню. Подобная картина особенно характерна для гидроморфных объектов (болотных экосистем) и связана, по-видимому, с преимущественными потоками конвективной природы [8]. В холодный период года со снежным покровом, когда биологический источник газов в почве подавлен, эмиссионные потоки становятся на один-два порядка ниже, и на
0 0.04 0.08 0.02 0.06 0.10
0 0.04 0.08 0.02 0.06 0.10
0 0.04 0.08 0.02 0.06 0.10
0 0.04 0.08 0.02 0.06 0.10 t, ч
Рис. 1. Тренды концентраций газов в камере-изоляторе при измерениях потоков СО2 и СО на автоморфных объектах. А — эмиссия СО2, урбанозем, Мичуринский пр-т, 13.08.2010 г.; Б — эмиссия СО2, урбанозем с поч-вомодификатором-гидрогелем, Красностуденческий проезд, 06.08.2010 г.; В — эмиссия СО2, урбанозем, Мичуринский пр-т, 06.08.2010 г.; Г — поглощение СО, урбанозем с почвомодификатором-гидрогелем, Мичуринский пр-т, 06.08.2010 г.; Д — поглощение СО, урбанозем, Мичуринский пр-т, 19.08.2010 г.; Е — поглощение СО, урбанозем с почвомодификатором-гид-рогелем, Мичуринский пр-т, 13.08.2010 г. Прямая сплошная — линейная модель (5), прямая штрих-пунктир — касательная, уравнение (12), кривая широкая линия — полиномиальная модель, круглые символы — экспериментальные данные, вертикальные планки — стандартное отклонение.
этом фоне проявляются малые потоки обратных процессов поглощения газообразных веществ из атмосферы с соответствующей убылью концентраций в камере-изоляторе (рис. 2, Г). Природа этих процессов плохо исследована, и их наличие в холодный период года, по-видимому, исключает биологическую составляющую. Среди абиотических процессов наиболее вероятны физические и физико-химические составляющие в виде диффузии из камеры в область меньших концентраций, адсорбции, а для газов с повышенной растворимостью — абсорбции в поверхностных слоях
С, мг/м3 1.56
0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.8 г Г
0 0.5 1.0 1.5 2.0
0 0.5 1.0 1.5 2.0
50 40 30 20 10
менее важно, экранирование темной камерой не может исключить обратный процесс — дыхания надземной фитомассы, а отделить его от эмиссии СО2 из почвы будет невозможно. Поэтому единственным способом измерения действительно почвенного дыхания, на наш взгляд, является лишь полное удаление надземных частей растений, включая эпифитные формы, на площадках, где устанавливаются камеры.
Обобщение всех вышеуказанных процессов для теоретического обоснования метода закрытых (статических) камер в первом (линейном) приближении с кинетикой поглощения газов в физических, физико-химических и химических процессах по типу реакции кинетики первого порядка дает достаточно простую модель динамики концентраций в камере:
^ = А - ЪС. дг
(2)
0.2 0.3 t, час
Рис. 2. Тренды концентраций газов в камере-изоляторе при измерениях потоков СН4 на гидроморфном объекте (олиготрофное болото, ХМАО). А—В — 15.03.2010 г., Г, Д - 16.03.2010 г., Е - 12.05.2010 г. Обозначения — см. рис. 1.
почвы или снежного покрова с включениями пыли. Очевидно, нельзя исключать и чисто химические реакции, в том числе и ферментативные в активном слое почвенного покрова. Однако и в самом объеме камеры, по-видимому, могут происходить газовые реакции с участием свободных радикалов под действием солнечного света, например, фотохимические реакции окисления метана, газообразных соединений азота [3]. Для диоксида углерода и других хорошо растворимых газов есть возможность частичного поглощения конденсатом и взаимодействия с парами воды в объеме камеры-изолятора, недоучет которого, согласно технической документации системы измерения почвенного дыхания Li-COR, может приводить к занижению эмиссионных потоков до 20% и более [4]. Фотосинтез, как основной процесс поглощения СО2, по-видимому, нельзя полностью ингибировать использованием светонепроницаемых камер, поскольку темновые реакции фотосинтеза теоретически при этом могут продолжаться, хотя и с меньшей интенсивностью из-за подавления фотолиза воды. Однако, что не
Здесь С, г/м3 — концентрация газа в камере, А = О/И + БС0/(ЬИ), Ь = Б/(ЬИ) + к; О, г/м2/час — измеряемый поток; Н, м — эффективная высота камеры над поверхностью почвы (для вариантов камер неправильной геометрической формы или с различиями в сечениях камеры и основания, рассчитывается как отношение объема камеры-изолятора (V) над поверхностью к площади поверхности, с которой выделяется газ (^)); Б, м2/ч — эффективный коэффициент диффузии газа в почве; Ь, м — расстояние, которое преодолевают молекулы газа при диффузии из камеры в атмосферу; к, 1/ч — суммарная (эффе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.