УДК 551.581;551.588;574.4
ВКЛАД ТУНДРОВЫХ ОЗЕР ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В МЕТАНОВЫЙ БЮДЖЕТ АТМОСФЕРЫ
© 2013 г. Л. Л. Голубятников, В. С. Казанцев
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: golub@ifaran.ru Поступила в редакцию 19.07.2012 г., после доработки 30.11.2012 г.
На основе экспериментальных данных оценена эмиссия метана из тундровых озер Западной Сибири. Согласно полученным оценкам, величина потока метана с поверхности озер в атмосферу за теплый период года в арктической тундре составляет 0.5 КтСН4, в типичной тундре — 2.9 КтСН4, в южной тундре — 8.5 КтСН4. Учитывая опубликованные оценки интенсивности образования метана в озерах северных широт в холодный период года, определена величина кратковременного весеннего выброса метана при таянии льда на озерах рассматриваемого региона. Вклад тундровых озер Западной Сибири в метановый бюджет атмосферы оценен в 20 КтСН4/год.
Ключевые слова: эмиссия метана, озера, тундровые экосистемы.
Б01: 10.7868/80002351513040044
ВВЕДЕНИЕ
Одним из органических соединений, относящихся к малым газовым составляющим современной атмосферы Земли, является метан. Концентрация этого газа в атмосфере около 1770 ррЪу и ежегодно возрастает в среднем на 0.5—1.0% [1, 2]. Современное содержание метана в атмосфере оценивается в 4.6—5.0 Гт, что составляет около 1.5 х 10-4 % от ее объема [1, 3]. Парниковый потенциал метана в расчете на одну молекулу в 21 раз превосходит потенциал углекислого газа. Вклад метана в парниковый эффект составляет около 20% [1, 2]. Среднегодовое глобальное радиационное воздействие этого газа на верхней границе атмосферы оценивается в 0.48 ± 0.05 Вт/м2 [1, 3]. Метан играет важную роль в атмосферных фотохимических процессах и как следствие оказывает существенное влияние на газовый состав атмосферы [2, 3].
Метан поступает в атмосферу как из природных, так и из антропогенных источников в среднем 208 МтСН4/год и 358 МтСН4/год соответственно [4]. Из результатов экспериментальных исследований и модельных расчетов следует, что переувлажненные экосистемы являются основными природными источниками метана [3, 5—7]. Озера, суммарная площадь которых составляет 4.2 х 106 км2 или около 3% поверхности площади континентов [8], занимают второе место по ин-
тенсивности выделения метана в атмосферу среди его природных источников [4].
Экспериментальные исследования показали, что поток метана из озер в атмосферу (эмиссия метана из озер) происходит непрерывно на протяжении всего периода, когда озера не покрыты льдом [9, 10]. Интенсивность выделения метана из озер в атмосферу существенно зависит от запаса органического вещества на их дне — эмиссия метана более интенсивна из озер, донные отложения которых насыщены органикой [10, 11]. Образование метана в озерах средних и северных широт продолжается и в подледный период до полного промерзания водоема и его донных отложений. В [12] отмечается, что донные отложения многих тундровых озер не замерзают в зимний период и образование метана в этих озерах происходит в течение всего года. Образующийся в подледный период метан накапливается подо льдом водоема, частично вмерзает в лед.
Полевые исследования [13, 14] показали, что для небольших по площади и неглубоких озер тундры и лесов умеренного пояса характерна значительно более высокая интенсивность выделения метана в атмосферу по сравнению с большими озерами. Эмиссия метана с открытого зеркала воды больших по площади (более 10 км2) тундровых и лесных озер составляет 5—17% эмиссии метана из малых озер. Потоки метана из мелководных прибрежных зон больших озер (1—15% площади озера) сравнимы с его потоками из малых озер.
Тундровым озерам северных широт свойственны потоки метана в атмосферу в диапазоне 2—190 мгСН4/(м2 сут) [12, 13, 15]. Эмиссия метана из озер бореальной зоны в среднем составляет 100—300 мгСН4/(м2 сут) [4, 16]. Тропические озера способны выделять в атмосферу метан с интенсивностью 200—400 мгСН4/(м2 сут) и более [4]. Глобальная эмиссия метана из озер оценивается в 8—50 МтСН4/год [4, 14], что составляет 4— 24% глобальной эмиссии метана из природных источников. Следует отметить, что эмиссия метана из озер превосходит эмиссию этого газа с поверхности мирового океана, которая оценивается в 5-7 МтСН4/год [4, 5].
Биогеохимические процессы образования и окисления метана в озерах тундровой зоны на данный момент еще недостаточно экспериментально изучены. В опубликованных работах приведены оценки потоков метана в атмосферу из ряда тундровых озер Аляски, севера Европейской России и северо-востока России [12, 13, 17-21]. Многочисленные озера тундровых экосистем Западной Сибири, как источники атмосферного метана, практически не исследованы. Опубликованные данные о потоках метана из озер этого обширного тундрового региона немногочисленны и не позволяют адекватно оценить вклад рассматриваемых озер в региональную и глобальную эмиссии метана.
В настоящей работе проанализированы экспериментальные данные о потоках метана с поверхности озер тундровой зоны Западной Сибири и на их основе оценен вклад озер этого региона в метановый бюджет атмосферы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Согласно ботанико-географической зональности Западной Сибири [22], в тундровой зоне этого региона выделяются арктическая, типичная и южная подзоны (рис. 1). Все тундровые подзоны Западной Сибири расположены в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород.
Полевые исследования проводились в августе 2010 г. на двух экспериментальных участках тундровой зоны Ямало-Ненецкого автономного округа (рис. 1): в южной тундре — участок "Ясавэй", и типичной тундре — участок "Гыда". Глубина про-таивания почвы на участках в период наблюдений составляла в среднем около 30 см. На каждом участке были исследованы по пять озер. Исследованные водоемы представляли собой типичные для северной части Западной Сибири мелкие (2— 2.5 м глубиной) пойменные озера с пологими, местами заболоченными берегами. Это небольшие по площади озера от 10 тыс. м2 до 0.2 км2 на участке "Гыда" и от 4 тыс. м2 до 1.8 км2 на участке "Ясавэй" с песчано-илистым дном.
В [23] опубликованы данные полевых измерений потоков метана в атмосферу с поверхности озер участка "Тазовский" (рис. 1). Измерения проводились в августе 2009 г. на озерах с торфянистым дном. Глубина озер составляла 2—3 м.
Измерения потоков метана в атмосферу из озер проводились методом статических камер [24]. Использовались пластиковые камеры размером 30 х 40 х 40 см со светоотражающим покрытием, которые удерживались на поверхности воды с помощью поплавков. Время экспозиции (время от установки камеры до отбора последней пробы газа) составляло 24—30 минут. В течение этого периода отбиралось четыре пробы камерного воздуха с промежутком в 8—10 минут. При этом первая проба отбиралась в момент установки камеры на воду. В качестве пробоотборников использовались трехкомпонентные одноразовые пластиковые шприцы марки SFM объемом 10 мл. После отбора камерного воздуха шприцы герметично закупоривались и доставлялись в лабораторию, где проводился количественный анализ газа. Анализ концентрации метана в каждом шприце проводился на хроматографе "Кристалл-5000.1", оснащенном пламенно-ионизационным детектором, со стальными колонками (3 м), наполненными сорбентом HayeSepQ80/100 и с азотом в качестве газа-носителя. Потоки метана в атмосферу с поверхности озер рассчитывались методом линейной регрессии с весами.
Образование метана в озерах происходит при анаэробных условиях в результате разложения микроорганизмами органического вещества донных отложений (биогенное происхождение метана). Метан может поступать в водную толщу озера из подземных его захоронений по трещинам в верхних слоях земной коры (абиогенное происхождение метана). Мы предполагаем, что некоторые залежи подземного льда криолитозоны могут содержать значительное количество метана, который поступает в термокарстовые озера при их развитии. Образовавшийся в донных отложениях и поступивший из недр метан частично поглощается рядом озерных микроорганизмов, а остальная его часть выделяется в атмосферу посредством молекулярной диффузии, пузырькового переноса и сосудистых растений, произрастающих в мелководной прибрежной зоне озер. Следует отметить, что плавающими статическими камерами фиксируется в основном диффузионный поток метана. Вероятность того, что камера зафиксирует пузырьковый поток из так называемых точечных источников (сильных и узких струй пузырьков со дна озера) достаточно мала, поскольку эти источники занимают очень небольшую долю площади зеркала водоема [12, 25].
Для оценки условий существования микроорганизмов, окисляющих метан в водной толще
60° 80° 100°
Рис. 1. Ботанико-географическая зональность тундр Западной Сибири и расположение участков полевых наблюдений. Подзоны тундры: I — арктическая тундра, II — типичная тундра, III — южная тундра. Участки наблюдений: 1 — Гыда (70°54' N 78°32' Е), 2 - Ясавэй (67°35' N, 78°91' Е), 3 - Тазовский (67°11' N, 78°55' Е).
озер, фиксировалась приповерхностная температура воздуха и определялись такие гидротермические характеристики верхнего (50 см) слоя озерных вод, как удельная электропроводность, кислотность (рН), концентрация растворенного кислорода, температура. Кислотность и удельную электропроводность измеряли с помощью портативного рН-метра-кондуктометра HI 98129 (Hanna Instruments, США). Концентрация растворенного кислорода определялась портативным оксиметром SG-6 (Mettler Toledo, Швейцария). Температуру воды измеряли электронными датчиками Termochron iButton DS 1921-1922 (Dallas Semiconductor, США).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На основе данных метеорологических станций им. Попова (остров Белый) и Диксон (арктическая тундра), Антипаюпа и Марресаля (типичная тундра), мыс Каменный и Новый Порт (южная тундра) за период с 1980 по 2005 гг. [26] были опре-
делены основные климатические характеристики тундровых подзон Западной Сибири (табл. 1). Для рассматриваемых подзон характерны отрицательные среднегодовые приповерхностные температуры, количество годовых осадков о
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.