научная статья по теме ЭМИССИЯ МЕТАНА НА ОЛИГОТРОФНОМ БОЛОТНОМ МАССИВЕ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭМИССИЯ МЕТАНА НА ОЛИГОТРОФНОМ БОЛОТНОМ МАССИВЕ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ»

УДК 556.565:542.74(470-16)

Эмиссия метана на олиготрофном болотном массиве северо-запада России

И. Л. Калюжный*, С. А. Лавров*, А. И. Решетников**, Н. Н. Парамонова**, В. И. Привалов**

Приведены результаты измерений эмиссии метана на олиготрофном болотном массиве Ламмин-Суо. Показано, что интенсивность ее зависит от транспорта метана в деятельном слое торфяной залежи. Наибольшая интенсивность эмиссии наблюдается в осоково-сфагновом микроландшафте, а также на мочажинах грядово-мочажинного комплекса. Установлено, что при понижении уровня болотных вод на 30—35 см от поверхности болота интенсивность потока метана приближается к нулю. Оценена пространственная изменчивость эмиссии СН4 в пределах господствующих болотных микроландшафтов. Показано, что в микроландшафтах с ориентированным микрорельефом (грядово-мочажинный комплекс) она наибольшая — 207%, в центральной части болота (сфагново-кустарничково-пушицевый, облесенный сосной микроландшафт) наименьшая — 76%. Разработана модель эмиссии метана на болотных массивах. Модель проверена по данным наблюдений. Сравнение модельных расчетов с экспериментальными данными показывает их близость, что позволяет использовать модель при различных расчетах и оценках влияния природных факторов на интенсивность эмиссии СН4.

Введение

Одной из актуальных задач современной науки является прогнозирование климатических изменений, связанных с увеличением содержания парниковых газов в атмосфере, в частности метана. В климатической системе Земли метан оказывает большое влияние на фотохимические процессы в атмосфере [13]. Как показано в [12], наблюдаемые в последние два десятилетия аномалии глобальной концентрации метана на 70% обязаны вариациям его эмиссии на болотах и заболоченных землях. Россия, 22% территории которой занимают оторфованные площади [2], вносит существенный вклад в наблюдаемые вариации концентрации метана. Поэтому объяснение механизмов и условий формирования потоков метана очень важно для построения сценариев изменений климата.

Основным источником эмиссии метана в атмосферу является процесс анаэробного разложения органического вещества в болотных массивах.

* Государственный гидрологический институт.

** Филиал Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова—Научно-исследовательский центр дистанционного зондирования атмосферы.

Приближенные оценки содержания СН4 в атмосфере свидетельствуют, что свыше 60% его обусловлено эмиссией из болот, находящихся в полосе от 50 до 70° с. ш. [17].

Значительная изменчивость потоков метана даже в пределах отдельного болотного массива стала причиной разработки большого количества методов расчета, основанных на эмпирических связях потоков с температурой, влажностью, уровнем грунтовых вод и другими характеристиками. Общим недостатком этих методов является отсутствие комплексности в описании процессов эмиссии метана. Проблема усовершенствования традиционных методов связана прежде всего с созданием математической модели передвижения метана в системе почва — растительность — атмосфера, основанной на описании совокупности физических и биологических процессов, протекающих в данных средах. Поэтому необходимость создания математической модели процесса образования метана на болотах становится очевидной.

Экспериментальные исследования

Анализ выполненных работ по исследованию процесса эмиссии метана на болотных массивах показывает, что она дискретна, и влияние гидрологического режима на формирование потоков СН4 в пределах болотных микроландшафтов требует проведения специальных исследований [3, 10]. С целью оценки влияния характеристик гидрологического цикла на процесс эмиссии метана были проведены исследования на олиготрофном болотном массиве Ламмин-Суо (Выборгский район Ленинградской области), приуроченном к провинции средней тайги и выпуклых болот Юго-Восточной Финляндии и Карельского перешейка. Детальное описание болотного массива и слагающих его микроландшафтов приведено в [6, 7].

Одновременно с измерением метана на метеорологической площадке в центральной части болота проводился комплекс гидрометеорологических наблюдений по программе болотных станций Росгидромета [8].

Отбор проб для определения эмиссии СН4 производился по методике, приведенной в работе [1], аналогично определению СО2 с использованием светонепроницаемых алюминиевых камер емкостью 30 дм3, которые устанавливались на поверхности болотного микроландшафта и заглублялись на 12—15 см в торфяную залежь [7]. Камера снабжена штуцером и гибкой нейлоновой трубкой с краном для подключения к ней газоанализатора или специальной колбы для отбора пробы воздуха с целью доставки его в лабораторию и последующего анализа. Колба емкостью 230 см3 изготовлена из кварцевого стекла и снабжена герметически закрываемым краном. Для отбора пробы в колбе создают вакуум, и доступ воздуха в нее перекрывают краном. При отборе пробы колбу присоединяют к трубке и открывают оба крана. В этом положении проба воздуха из камеры поступает в колбу. Спустя 1,5—2 мин краны закрывают. При этом колба с пробой воздуха герметизируется и отсоединяется от трубки. В лаборатории на газохроматографи-ческой установке (ГХ) проводят прецизионное измерение концентрации метана в отобранных пробах.

Детальное описание газохроматографической установки приведено в работе [9]. Установка состоит из блоков термостатирования колонок,

управления, подготовки пробы воздуха для анализа, электрометра, узла ввода пробы в ГХ, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и компьютера. В установке использовался плазменно-ионизационный детектор, обладающий высокой степенью линейности в широком диапазоне концентраций метана. Регистрация хроматограмм проводилась с помощью компьютера, подключенного к электрометру ГХ через двадцатиразрядный АЦП. Для обработки хроматографической информации использовалось программное обеспечение, гарантирующее измерение площадей и амплитуд пиков хроматограмм с автоматической записью данных. При выполнении измерений газовый хроматограф калибровался относительно образцовой газовой смеси, проверенной по международному эталону, что обеспечивало сопоставимость данных измерений с данными наблюдений за концентрацией метана на мировой сети измерений концентраций парниковых газов. Процедура определения концентрации для каждой пробы выполнялась 3—5 раз.

Время накопления метана в камере при отборе пробы определялось экспериментальным путем [7] исходя из условия, что отбор должен производиться в интервале времени, при котором концентрация метана в камере увеличивается по линейному закону. В связи с этим были проведены опытные измерения в сфагново-кустарничковом микроландшафте в режиме накопления СН4 в камерах с рабочим объемом 10 дм3 и временем экспозиции до 150 мин. Камеры устанавливались на элементы микрорельефа поверхности болота, возвышающиеся на 2—3 см над уровнем болотных вод. В результате проведенных экспериментов получены следующие результаты по накоплению метана в камерах:

Время от начала опыта, мин 0 15 30 90 150

Концентрация СН4, млн_1 2,00 4,83 8,08 13,8 21,8

Приведенные данные показывают, что увеличение концентрации СН4 в камере происходит по линейному закону:

ССЩ = 0,1258? + 2,929; Я2 = 0,99, (1)

где ССн — концентрация СН4, млн_1; ? — время экспозиции, мин; Я — коэффициент корреляции. При проведении опытов естественный природный фон метана на болотном массиве был в пределах 1,96—2,03 млн_1. По нашим оценкам, оптимальное время экспозиции в сфагновиках кустарничко-вых составляет от 30 до 60 мин, а в микроландшафтах с преобладанием осок и тростника — от 15 до 20 мин.

Однако в 10—15% случаев наблюдался дискретный выход метана, при котором интенсивность его эмиссии превышала фоновую на 1—2 порядка, а концентрация в камере приближалась к 800—1000 млн1. Объясняется это явление тем, что происходит локальный перенос метана посредством пузырькового механизма. Наиболее активен этот механизм во второй половине вегетационного периода при прогреве верхнего горизонта деятельного слоя до 10—13°С. Обычно эти выходы метана приурочены к пониженным элементам микрорельефа со сфагново-пушицевыми ассоциациями или к то-пяным участкам болот. В этих микроландшафтах, на участках с преобладанием осок и тростника, время экспозиции уменьшают до 15—20 мин.

Согласно современным представлениям, процесс образования метана происходит только в анаэробной среде без доступа кислорода. На болотных массивах эта среда представляет собой торфяную залежь, расположенную ниже уровня болотных вод до минерального дна болота. Поэтому должна существовать зависимость между мощностью торфяной залежи и интенсивностью эмиссии метана. На основе проведенных одновременных измерений в сфагново-кустарничковом, облесенном сосной микроландшафте, при относительно однородной торфяной залежи (торф сфагново-пушицевый, малой степени разложения с прослойкой пушицево-сфагнового со степенью разложения 10—15% и сосново-пушицевого в нижнем горизонте) и уровнем болотных вод 15—18 см относительно поверхности болота в каждом пункте наблюдений, были получены следующие результаты:

Глубина торфяной залежи, м 1,45 1,90 2,10 3,00 4,00 4,20

Интенсивность эмиссии, мг/(м2 ■ ч) 0,104 0,120 0,228 0,119 0,690 0,432

В целом с увеличением мощности торфяной залежи интенсивность эмиссии метана несколько увеличивается. Однако связь эта слабо выраженная и не находит объяснения низкая интенсивность эмиссии в пункте измерения при глубине залежи 3,00 м.

Эмиссия метана на болотных массивах определяется взаимодействием двух прямо противоположных процессов: образованием метана в анаэробных условиях метанообразующими микроорганизмами — метаногенами — и его окислением аэробными микроорганизмами — метанотрофами. Если первый процесс происходит ниже уровня болотных вод и ведет к образованию метана, то второй происходит в условиях доступа кислорода выше уровня болотных вод и ведет к поглощению метана. Выход метана в атмосферу обусловлен слабой активностью метанотрофов, образующих бактериальный фильтр, в перехвате и окислении выделяющегося газа из анаэробной зоны [4]. Регулятором этих процессов в т

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»