оценка изменения эмиссии парниковых газов из

Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ЭМИССИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ ИЗ
МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ БОЛОТ КРИОЛИТОЗОНЫ РОССИИ В
УСЛОВИЯХ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ
О.А. Анисимов, С.А. Лавров, С.А. Ренёва
Резюме
Изменения климата могут привести к увеличению глубины протаивания
многолетнемерзлых болот криолитозоны России. Более высокие температуры грунта
будут способствовать усилению эмиссии парниковых газов за счет разложения
сезонноталого органического вещества. Для оценки процессов эмиссии углекислого газа и
метана из сезонноталого слоя болот необходимы модели вечной мерзлоты и углеродного
цикла. В работе получены оценки запаса торфа и площади многолетнемерзлых болот
криолитозоны России. При помощи модели вечной мерзлоты получены оценки изменения
глубины сезонного протаивания болот и температуры талого слоя для прогнозируемых на
середину 21 века климатических условий. Построены модели эмиссии углекислого газа и
метана при помощи которых оценены возможные изменения эмиссии этих газов в
условиях будущего климата. Полученные результаты свидетельствуют о том, что
многолетнемерзлые болота криолитозоны России могут внести заметный вклад в
изменение углеродного баланса атмосферы и подстилающей поверхности и усилить
парниковый эффект.
Summary
Decomposition of the organic material under warmer climatic conditions will lead to the
enhanced release of soil carbon to the atmosphere in the form of either CO2 (typical for dry soils
with high ventilation), or CH4 (typical for wetlands where decomposition takes place under
anaerobic conditions). The goal of this paper is to calculate the changes in the volume of
seasonal thawing of organic material in the Arctic wetlands of Russia and to evaluate associated
with these changes release of CH4 under the predicted for the future climatic conditions. We
have developed model of the processes leading to methane emission from peatland. The model
simulates process of CH4 oxidation (methanotrophy) as well as CH4 production (methanogenesis)
and the transport of the gas from the soil and through plant to the atmosphere. Fluxes of methane
between soils and the atmosphere depend on temperature, water table and thaw depth. More
detailed studies are necessary to better understand future changes in the hydrological conditions
that control the balance between the CO2 and CH4 emissions from the Arctic wetlands.
1
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
1. Введение
В настоящее время много внимания уделяется решению проблем, связанных с
выявлением реакций болотных экосистем на изменения климата. Одним из аспектов этой
проблемы является установление изменений интенсивности аккумуляции и выделения
углерода при климатических флуктуациях. Содержание углерода в болотах оценивается
для всего мира в 455 Гт С (Gorham, 1991), а для территории России в 214 Гт С (Боч и др.,
1994). Болотные экосистемы функционируют и как нетто-сток (захоронение углерода в
виде торфов) и как нетто-источник атмосферного углерода (выделение углекислого газа и
метана с поверхности).
Накопление торфяной залежи связано с ростом растительной биомассы и
последующим переходом ее в гумус, при этом сток углерода из атмосферы
осуществляется через фотосинтез и происходит в форме углекислого газа. Выступая в
роли источника углерода, болота, в зависимости от условий аэрации, могут выделять
углерод в виде углекислого газа или метана, причем метан по своим радиационным
свойствам в 21 раз активнее СО2. Если бы весь углерод из болотных почв, поступающий в
атмосферу, высвобождался в форме СО2, этот процесс лишь компенсировал бы
уменьшение парникового эффекта за счет стока в предшествующий период, когда
происходило накопление торфяной залежи в болоте. В длительной перспективе такой
процесс не оказывал бы существенного влияния на тепловой баланс Земли. Если же хотя
бы часть накопленного углерода выделится из болота в виде метана, произойдет усиление
парникового эффекта. При этом каждый атом углерода, попадая в атмосферу в форме
метана, будет в 21 раз эффективнее "работать" на потепление, чем до того, как он попал в
торфяную залежь. В современный период в северных регионах России происходят
интенсивные процессы заболачивания, и для оценки климатообразующей роли болот
важно получить представление не только о соотношении аккумуляции/эмиссии углерода в
болотных экосистемах, но и разделить доли метана и углекислого газа в суммарной
эмиссии.
Влияние потепления климата на углеродный цикл болот может быть как прямым
(вследствие повышения температуры и увеличения продолжительности безморозного
периода) так и косвенным (изменения в гидрологическом цикле, приводящие к
повышению или понижению уровня болотных вод и испаряемости), что может изменить
скорость накопления и окисления органики. Потепление климата повлечет за собой
частичное или же полное протаивание мерзлых болот, которые могут дополнительно
участвовать в круговороте углерода. Следствием потепления будет увеличение слоя
сезонного протаивания многолетнемерзлых грунтов, понижение уровня болотных вод на
больших территориях, и увеличение аэробного слоя. Такие изменения могут привести к
уменьшению доли метана в суммарной эмиссии углерода. Таяние многолетнемерзлых
2
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
пород и обусловленные этим просадки грунта могут привести к заметным изменениям
ландшафта, в частности к формированию многочисленных водоемов и озер с талой водой.
Это обусловит окисление эродированных частиц торфа и явится причиной эмиссии
углекислого газа, но во многих случаях приведет к восстановлению процесса
торфообразования и аккумуляции торфа.
Данная работа обобщает имеющиеся представления о процессах, проистекающих в
мерзлых болотных экосистемах, содержит оценки изменений объема сезонного
протаивания мерзлых болот России и описывает модель изменения эмиссии парниковых
газов из мерзлых болот при прогнозируемом потеплении климата.
2. Современное состояние
На протяжении последних полутора столетий наблюдался рост концентрации
углекислого газа в атмосфере, которая с 1880г. по настоящее время увеличилась с 280 до
370 миллионных долей по объему (ppmv). За последние 420 тыс. лет, а, возможно, и 20
млн. лет она ни разу не достигала столь высокого уровня. Скорость, с которой
увеличивается концентрация СО2 в атмосфере, постоянно возрастает, и если в 1980-х
годах она составляла около 1,5 ppmv в год, то в 1990-х годах достигла уже 2,8 ppmv в год.
Не менее чем 75% этого роста обусловлено сжиганием ископаемого топлива (Израэль и
др., 2001). «Биогенный поток» СО2 в атмосферу, являющийся следствием сокращения
площадей тропических лесов и изменений в землепользовании, по нашим оценкам, был
несколько ниже часто приводимых значений – 25% суммарной эмиссии – и не превышал с
1860г 15% суммарной эмиссии СО2 в атмосферу (около 0,75 Гт С в год).
Одновременно с ростом содержания углекислого газа увеличивалась концентрация
метана в атмосфере, причем значительно более высокими темпами. Концентрация метана
в современной атмосфере составляет около 1700 – 1750 миллиардных долей по объему
(ppbv) (Будыко и др., 1991). Каждый год на станциях глобального мониторинга
фиксируется увеличение концентрации метана на 16 – 17 ppbv или 1% в год. С 1750 по
2000г. она выросла на 1060 ppbv, что составило 151% от начального значения. В
последние десятилетия (с 1983г.) ежегодный рост концентрации метана несколько
замедлился до 0,55 – 0,56% (Яговкина и др., 2003) и стал более изменчивым в 1990-х годах
по сравнению с 1980-ми (Израэль и др., 2001).
Рост содержания метана в атмосфере также в большой степени обусловлен
добычей ископаемого топлива, но среди природных источников велика роль эмиссии
метана из болот и переувлажненных территорий. Оценки вклада этого источника в общую
эмиссию заметно различаются. По данным монографии (Будыко и др., 1991), из 550 млн.
тонн ежегодного поступления метана на долю болот и переувлажненных земель
3
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
приходится около 100 млн. тонн. Из них, согласно данным Матьюз и Фанг (Matthews,
Fung, 1987), около 62 млн. тонн в год, или 60%, выделяется в зоне 50-70о с.ш. Более
поздние оценки свидетельствуют о том, что значения эмиссии метана в высоких широтах
существенно меньше – от 39 млн. т/год (Barlett, Harriss, 1993) до 24 млн. т/год (Aselmann,
Crutzen, 1989), а в арктических районах севернее 60о с.ш. эмиссия не превышает 10-11
млн. т/год (Barlett, Harriss, 1993). Современная годовая эмиссия метана из бореальных
болот Евразии составляет 10,5 млн. т, Западной Сибири – 22,2 млн. т (Паников и др.,
1997), болот России – 24-33 млн. т (Паников и др., 1996), а территории бывшего СССР –
11 млн. т. Относительно сухие арктические почвы выделяют мало метана – от 0,6 до 11
мг/м2 в сутки и периодически из источника становятся нетто-стоком атмосферного метана
с интенсивностью достигающей -0,5 – -3,0 мг/м2 в сутки (Whalen, Reeburgh, 1990).
Для оценки роли почвы в поступлении парниковых газов в атмосферу необходимо
понимание процессов декомпозиции органических веществ. Такие процессы в почве
осуществляется грибами и микроорганизмами, как в аэробных, так и анаэробных
условиях. Только в анаэробных условиях при деструкции целлюлозы (а более 50% всего
углерода,
поступающего
в
почву,
заключено
в
целлюлозе)
образуется
метан.
Декомпозиция органического вещества осуществляют бактерии (Bacillus cellulosae
hydrogenicus и Bacillus cellulosae methanicus), которые относятся к облигатным анаэробам
группы Archeobacter. Они активны в широком диапазоне кислотности среды – от 3 до 11
рН, и в диапазоне температур от 2 до 100°С. Химизм брожений различен – в первом
случае образуются масляная и уксусная кислоты, а также углекислый газ и водород (так
называемый водородный тип брожения клетчатки), во втором – те же кислоты,
углекислый газ и метан (метановый тип). Количество газов при метановом типе брожения
значительно больше, чем при водородном. В этом случае газы составляют примерно
половину от массы субстрата разложения, а при водородном типе брожения на их долю
приходится не более одной трети. В зависимости от условий протекания реакций
соотношения конечных продуктов (газы-кислоты) могут меняться. Так, в щелочных
средах обычно увеличивается количество кислот и уменьшается выход газов, в кислых –
наоборот. Параллельно с образованием метана происходит и противоположный процесс
его дегидрирования, или же окисления (СН4 + О2 Æ 2Н2О + СО2), который
осуществляется аэробными мезофильными бактериями Pseudomonas methanica.
Основными факторами, контролирующими метаногенез, являются положение
уровня болотных вод (УБВ), химические характеристики торфов, условия окружающей
среды - главным образом температура и влажность. Наиболее активно метаногенез
происходит при температурах 30-40оС, но продолжается и при более низких
4
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
температурах. В связи с этим после весеннего таяния снега в некоторых случаях
обнаруживаются повышенные эмиссии метана на непродолжительное время.
Эмиссия метана с поверхности почв кроме интенсивности метаногенеза зависит от
скорости его окисления в аэробной зоне почвенного профиля. Синтезированный в
анаэробной зоне метан перемещается в вышерасположенную аэробную зону в виде
пузырьков или посредством диффузии. Зафиксировано также передвижение метана по
аэренхиме сосудистых болотных растений.
Сезонный ход эмиссии метана обусловлен главным образом изменениями
температуры и влажности почв. Максимальные значения отмечаются, как правило, в
июле. На период с июня по октябрь приходится 56% годовой эмиссии (Cao et al., 1998). В
некоторых болотных экосистемах наблюдаются суточные ритмы в значениях эмиссии
метана – максимум в ночное время, минимум в дневные часы. Высказываются
предположения, что это обусловлено влиянием пониженных ночных температур на
активность метанотрофных микроорганизмов и, как следствие, снижением интенсивности
метанотрофного окисления. Как показывают лабораторные исследования, эмиссия метана
на свету на 20% превышает ее значения в темноте в сообществах сфагновых мхов при
отсутствии сосудистых растений (Daulat, Clymo, 1998).
Модельные расчеты свидетельствуют о наличии широтного распределения
интенсивности эмиссии метана, которая изменяется от 1 до 650 мг/м2 в сутки (Cao et al.,
1998). Согласно расчетам, севернее 50о с.ш. среднесуточная эмиссия метана составляет в
среднем 40 мг/м2, в зоне 20-50о с.ш. и южнее 30о ю.ш. – 150 мг/м2, а в тропиках – 195
мг/м2. Таким образом, расчетная эмиссия метана из северных регионов не превышает 16%
суммарной, из средних широт – 36%, и из тропиков – 48% общего потока метана в
атмосферу. В арктической и субарктической зонах интенсивность эмиссии метана ниже,
чем в бореальной, при этом, корреляция значений эмиссии с УБВ остается неизменной
(r2=0,73) (Bubier, 1995).
Косвенным
индикатором
интенсивности
эмиссии
метана
может
служить
растительность. Мхи более чувствительны к колебаниям УБВ, чем сосудистые растения, и
лучше прогнозируют интенсивность эмиссии метана. Изменения климата, влияющие на
гидрологию болот, могут обусловить изменения в доминантных видах и их
распространении (в частности, динамику сфагновых мхов, которые непосредственно
участвуют в аккумуляции углерода в торфе), интенсивности эмиссии СН4 и развитии
болот (Bubier, 1995). Эмиссия метана значительно выше с верховых болот и бедных фенов
с деградированным торфяным слоем (Bubier, 1995).
Интенсивность источников и стоков метана можно увидеть в таблице 1.
5
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Стоки
Естественные
Антропогенные
Источники
Таблица 1. Интенсивность источников и стоков метана в атмосфере (1012г СН4/год)
(Будыко и др., 1991)
Энтероферментация (дикие животные)
4 (1-7)
Переувлажненные территории (болота и др.)
110 (60-160)
Озера
4 (2-6)
Тундра
3 (2-5)
Океаны
10 (0-20)
Термиты и другие насекомые
25 (5-45)
Метаногидраты
5 (?)
Прочие
40 (0-80)
Энтероферментация (домашние животные)
77 (40-110)
Рисовые поля
70 (40-110)
Сжигание биомассы
70 (30-110)
При добыче природного газа и в шахтах
50 (25-75)
Твердые отходы
30 (0-60)
Реакция с тропосферным ионом ОН
350 (250-450)
Перенос и реакция с ионами ОН, Cl, O
50 (30-70)
Поглощение микроорганизмами почвы
32 (16-48)
3. Эмиссия метана из мерзлых болот
Большая часть болот России расположена на территории криолитозоны. Как
показывают исследования, почвы мерзлотной зоны выделяют значительно больше метана,
чем почвы за пределами криолитозоны (Паников и др., 1996), хотя результатов
наблюдений по последним значительно больше. В криолитозоне наиболее интенсивная
эмиссия метана наблюдается из следующих типов почв: REGOSOLS – 9094,2кг CH4/км2 в
год (119мг CH4/м2 в сутки), HISTOSOLS – 6779,4кг/км2 в год (11,7 – 356,9мг/м2 в сутки),
GLEISOLS – 1735кг/км2 в год (от -0,5 до 28 -123мг СН4/м2 в сутки). По предварительным
оценкам, суммарная эмиссия метана с поверхности почв криолитозоны России составляет
около 20Тг в год (Паников и др., 1996). Следует заметить, что учтено 60% мерзлотных
почв. Эмиссия СН4 с поверхности не мерзлых почв составляет около 4Тг в год.
Учитывая заметный вклад мерзлых болот в приток парниковых газов в атмосферу,
важными являются вопросы о том, как изменятся характеристики их сезонного
6
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
протаивания в условиях будущего климата и как это может повлиять на эмиссию
углекислого газа и метана. Для ответа на эти вопросы необходимо, прежде всего, знать
площади болотных экосистем. По данным работы (Gorham, 1991) площадь болот
бореальной и субарктической зон составляет 3,46 млн. км2, из которых дренировано 0,12
млн. км2. Эти болота сосредоточены в России (1,5 млн. км2), Канаде (1,19 млн. км2), США
(0,55 млн. км2), Скандинавии и Финляндии (0,22 млн. км2). В работе (Вомперский, 1994),
площадь болот России оценивается в 1,39 млн. км2. По данным, полученным в
Государственном гидрологическом институте, она составляет 1,68 млн. км2 (Новиков,
Усова, 2002). Для решения поставленной перед нами задачи, мы воспользовались ГИСтехнологиями. Проведенные нами расчеты дали лишь 0,76 млн. км2 (Рис.1). Отличие
данного результата от последних работ объясняется, по всей видимости,
разномасштабностью исходных материалов. Так, в работах Новикова были использованы
в основном топокарты масштабов 1 : 300 000 и 1 : 500 000, а также аэрофотоснимки. В
данной же работе – топографические карты 1 : 1 000 000 масштаба. Таким образом,
укрупнение масштаба приводит к занижению действительной площади за счет потери
мелких болотных экосистем почти в два раза. Площадь болотных экосистем
криолитозоны составляет по нашим данным – 0,35 млн. км2. С учетом влияния
используемого нами масштаба (1 : 1 000 000) эту оценку можно увеличить до 0,7 млн. км2.
0%- 5
5 % - 15
15 % - 30
30 % - 50
50 % - 85
Рисунок 1. Доля площади, занимаемой болотами в узлах регулярной сетки 1° x 0,5°.
7
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
В связи с тем, что нас интересует не просто площадь болота, а мощность торфяной
залежи, следующей нашей задачей было разбиение болот на отдельные экосистемы. Для
этого мы воспользовались классификацией Каца (Кац, 1971). Площади, занимаемые
непосредственно болотами (в процентах и квадратных метрах), для каждой из провинции
приведены в таблице 2.
Таблица 2. Площади болот для каждой из болотных провинций
Провинции
лесов и выпуклых болот
Площадь болот
км2
%
333897.07
49.20
горные, частью горно-равнинные
93019.22
13.71
таежных лесов и евторофных болот
85714.82
12.63
тайги и крупнобугристых болот
68126.17
10.04
тундр и плоскобугристых болот
Арктических тундр и минеральных осоковых
болот
тайги и болот типа аапа
евтрофных и олиготрофных сосново-сфагновых
болот
с крупнобугристыми болотами
22822.47
3.36
21973.66
3.24
14131.95
2.08
10043.21
1.48
8419.67
1.24
засоленных болот
7254.91
1.07
тундры и мерзлых болот
4798.75
0.71
евтрофных болот
3201.40
0.47
гор Азии
3102.91
0.46
421.74
0.06
гор Европы
Для определения дополнительного объема протаивающей торфяной залежи были
использованы электронные карты мерзлых болот и модели многолетнемерзлых грунтов,
которые были применены совместно с несколькими сценариями изменения климата для
оценки возможного изменения глубины сезонного протаивания к середине 21 века.
Пример прогностических карт относительной глубины сезонного протаивания для
климатического сценария GFDL для торфяного грунта приведен на рисунке 2.
8
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
2025
dZ<2%
2050
2%<dZ<10%
10%<dZ<20%
2080
20%<dZ<30%
dZ>30%
Рисунок 2. Прогноз изменения глубины протаивания торфяного грунта по
климатическому сценарию GFDL для 2025б 2050 и 2080 гг. (в процентах от современной
нормы).
В контексте проблемы глобального потепления важен вопрос об изменении
мерзлых болот. Наблюдения в западной Канаде (Альберта, Саскатчеван, Манитоба)
показали, что повышение температуры в бореальной зоне составило 1оС со времени
окончания Малой ледниковой эпохи, что привело к таянию 2500 км2 многолетней
мерзлоты без ее восстановления (Vitt et al., 2000). В настоящее время из 365000 км2 болот
этого региона более 1/3 (около 120000 км2) располагаются на многолетней мерзлоте
(Turetsky et al., 2000). На мерзлых болотах доминируют ель (Picea mariana) и зеленые мхи
(Pleurozium schreberi), в то время как покров из сфагновых мхов характерен для болот,
расположенных на почвах без мерзлоты. Как реакция на потепление климата и таяние
мерзлоты возникли внутренние безлесные влажные сфагново-осоковые ассоциации. В
настоящее время 5800 км2 почв на прерывистой мерзлоте, расположенных южнее
изотермы 0оС, характеризуются как чувствительные к потеплению и потенциально
готовые к таянию мерзлоты.
Таяние мерзлоты приводит к топографическому изменению ландшафта,
следствием чего является изменение УБВ. Как показали наблюдения в этом регионе, в
верховых болотах на многолетней и прерывистой мерзлоте УБВ располагается на 40 и
9
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
более сантиметров ниже растительного покрова. В развившихся же после таяния
сфагново-осоковых болотах УБВ находится на уровне (или вблизи) поверхности
сфагновых мхов. Следствием этого является некоторое увеличение аккумуляции углерода
в почвах на растаявшей мерзлоте и значительное повышение интенсивности эмиссии
метана (182,6мг СН4/м2 в сутки) по сравнению с болотами на мерзлоте (40,9мг/м2 в сутки)
и 21,1мг/м2 в сутки на «континентальных» болотах, занимающих не мерзлые почвы.
Увеличение эмиссии метана обусловлено усилением метаногенеза в
расширившейся анаэробной зоне. На оттаявших болотах происходит заметное изменение
в видовом составе сфагновых мхов. Sphagnum riparium в условиях высокого положения
болотных вод очень быстро сменяет Sphagnum fuscum, доминирующий в настоящее время
на верховых болотах западной Канады (Turetsky et al., 2000). Следует заметить, что
деструкция массы S. riparium происходит значительно быстрее, чем у других мхов.
Определение эмиссии метана из мерзлых болот в различных регионах на первый
взгляд не представляется особенно трудным – достаточно знать значения среднегодовой и
сезонной интенсивности эмиссии, площадь болот и период выделения метана в течение
года. Однако, в действительности решение этой проблемы в условиях меняющегося
климата оказывается чрезвычайно сложным. Климат оказывает влияние на каждую из
этих составляющих, метаногенез и метанотрофное окисление, распространение и глубину
сезонного протаивания болот, продолжительность и сезонные изменения эмиссии метана
в течение года, в связи с чем, последствия прямого и косвенного воздействия потепления
далеко не ясны.
К прямым воздействиям следует отнести изменения атмосферных осадков и
температуры. Изменения общего количества и времени выпадения осадков влияет на
влажность почв, УБВ, сток растворенных органических соединений, что, в свою очередь,
может привести к усилению или ослаблению производства и окисления метана.
Зависимость метаногенеза от температуры представляется относительно хорошо
изученной. Однако повышение температуры кроме прямого воздействия на метаногенез в
разные сезоны года может оказать влияние на продолжительность активной эмиссии
метана и ее интенсивность. Кроме того, температура во многом определяет глубину
протаивания мерзлотных почв разных типов, что наряду с изменениями стока и испарения
также оказывает влияние на интенсивность эмиссии метана. Поскольку многолетняя
мерзлота препятствует дренажу почв, при потеплении климата изменение влажности
верхних слоев почвы может стать явлением распространенным. Последствия этого могут
быть чрезвычайно разнообразными (изменения в ландшафтных зонах, растительные
сукцессии и т.д.) и трудно прогнозируемыми. Глубокое протаивание мерзлотных почв
может привести к увеличению слоя обитания метаногенных микроорганизмов и усилению
эмиссии с поверхности почв, а в некоторых случаях и выделению «погребенного» в
мерзлоте метана.
10
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
4. Моделирование эмиссии метана из арктических почв при потеплении
климата
Численную оценку изменения эмиссии метана с поверхности почвы при
потеплении климата можно сделать различными способами, например, на основе
использования эмпирических связей потока метана с температурой и уровнем грунтовых
вод или глубиной протаивания. Общим недостатком этих методов является отсутствие
комплексности в описании процессов эмиссии метана. Как правило, эти связи носят узко
региональный характер. Для оценки такого параметра как глубина протаивания
необходимо учесть широкий спектр водно- и теплофизических процессов, свойства
растительного покрова. Всё это можно выполнить на основе использования разработанной
нами физико-математической модели, детально описывающей динамику передвижения
метана в почвенном покрове. При этом расчет динамики температуры и влажности почв
производится на основе математической модели тепловлагопереноса в промерзающих и
оттаивающих почвах (Зарецкий, Лавров, 1985)
На настоящий момент известны три основных механизма транспорта метана в
почвах:
•
диффузия газа через воду или воздух, заполняющие поры в почве,
•
пузырьковый перенос,
•
транспорт газа посредством растений.
Учитывая основные механизмы передвижения, для моделирования эмиссии метана
с поверхности болота используется следующее уравнение одномерной диффузии данного
ингредиента в почве:
dC CH 4
dt
где,
=
d
dz
⎤
⎡ dC CH 4
+ Qb ⎥
⎢D
dz
⎦⎥
⎣⎢
+ PCH4 – ОCH4 + BCH4
(1)
СCH4 = СCH4g(P-W) + СCH4wW= СCH4g {P-W(1-α)};
D = {Da(P-W) + Dwα W}/τ;
СCH4, СCH4g, СCH4w – соответственно, общая концентрация метана на глубине z
от поверхности почвы, концентрация метана в газообразной и жидкой фазах;
Р, W – соответственно, общая пористость и объемная влажность почвы;
Da, Dw – соответственно, коэффициенты диффузии метана в воздухе и воде;
α – растворимость метана в воде;
τ – извилистость порового пространства;
PCH4, OCH4 - соответственно, интенсивности производства и окисления метана;
11
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
BCH4 - интенсивность поглощение метана корневой системой;
Qb – поток метана в виде пузырьков.
Для задания основных параметров и характеристик модели используются
следующие соотношения (Arah, Stephen, 1998):
⎛ T + 273 ⎞
D a = 1.9 ⋅10 −5 ⎜
⎟
⎝ 273 ⎠
1.82
⎛ T + 273 ⎞
D w = 1.5 ⋅10 −9 ⎜
⎟
⎝ 298 ⎠
(м2/c)
(2)
(м2/c)
(3)
α = 0.013 + 0.042exp(-0.042T)
BCH 4 =
Da ερ k ⎛ C CH 4 a − C CH 4
⎜
τ r ⎜⎝
z
(4)
⎞
⎟
⎟
⎠
ρk = bk ρk0 exp( kk z)
где,
(5)
ε – параметр, характеризующий пористость корней;
ρk – плотность корневой системы у поверхности почвы;
ρk0 - максимальная плотность корневой системы у поверхности почвы;
bk - эмпирический коэффициент, учитывающий степень распространение
сосудистых растений на исследуемой территории;
kk эмпирический коэффициент;
CCH4a – концентрация метана в атмосфере;
τr – извилистость порового пространства корней.
Окисление метана рассчитывается с использование уравнения Michaelis – Menten.
⎛
CCH
OCH =VCH Q ⎜
⎜K
⎝ CH + CCH
4
4
2
4
4
⎞⎛ CO
⎟⎜
⎟⎜ K + C
O
⎠⎝ O
4
2
2
⎞
⎟
⎟
⎠
(6)
где,
КCH4, КО2 – константы Michaelis для метана и кислорода;
СО2 – концентрация кислорода в торфе.
VCH4Q – потенциальная скорость окисления метана зависящая от влажности и
температуры почвы:
VCH4Q = ао⋅{ exp(bо T)-1} ⋅ (1- W/P)n1
(7)
где, - aо, bо, n1– коэффициенты, определяемые в результате экспериментальных
исследований.
Производство метана рассчитывается с использование уравнения:
VCH 4 P
(8)
PCH 4 =
1 + ηC O2
где,
η - параметр, определяющий чувствительность производства метана
от концентрации кислорода.
12
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
VCH4Р – потенциальная скорость производства метана зависящая от
влажности и температуры почвы;
VCH4Q = ар⋅{ exp(bр T)-1} ⋅ (W/P)n2
(9)
где - aр, bр, n2 – коэффициенты, определяемые в результате экспериментальных
исследований.
Поток метана, обусловленный пузырьковым механизмом передвижения, нами
рассчитывался по следующей формуле:
(10)
Qb = k b KC CH 4
где,
К – коэффициент влагопроводности почвы;
kb – подгоночный коэффициент.
Для решения уравнения (1) необходимо задать начальные и граничные условия. В
качестве начального условия используется постоянное значение концентрации в профиле:
СCH4 = СCH40 ,
t=0
(11)
Для задания нижнего граничного условия воспользуемся положением, что на
уровне Z (например, минеральное дно болота) поток метана отсутствует, то есть:
dCCH
dz
4
= 0,
z=Z
(12)
Для задания верхнего граничного используется условие первого рода:
СCH4 = СCH4a,
z=0
(13)
где, ССР4а, – концентрация метана в атмосфере.
Для расчета уравнения диффузии СН4 использовался алгоритм, основанный на
аппроксимации уравнения (1) системой разностных уравнений и решением их методом
прогонки.
На первом этапе исследований описанная выше модель была использована нами
для оценки изменения потока метана с поверхности почвы от глубины её протаивания.
Однако, как правило, изменение глубины протаивания происходит одновременно с
изменением температуры поверхности почвы. Поэтому трудно выявить вклад в общее
изменение потока метана лишь изменения глубины протаивания. Для того чтобы
исключить влияние верхнего температурного граничного условия, нами были проведены
расчёты эмиссии метана при постоянной температуре поверхности почвы, а изменчивость
глубины протаивания имитировалась изменением глубины расчетного слоя, на которой
задавалась нулевая температура. В таблице 3 приведены значения основных параметров
модели при выполнении численных экспериментов.
13
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Таблица 3. Значения основных параметров модели при расчете эмиссии метана
Параметр
Формула
Величина
КCH4, (г/м3)
(6)
2.8
КО2, (г/м3)
(6)
1
τr, (б/р)
ε, (дол. объема)
η, (м3/г)
(4)
1.5
(4)
(8)
(13)
(11)
(10)
(7)
0.01
12.5
0.003
1.5 – 15
3 – 30
0.1 – 0.5
(7)
ρk0 , (см-1)
(7)
(9)
(9)
(9)
(5)
0.15
3
0.005 – 0.04
0.16
3
0.1
kk , (б/р)
(5)
0.04 – 0.1
bk, (б/р)
(5)
Z (см)
(12)
0.001 – 0.1
5 – 80
CCH4a, (г/м3)
СCH4о, (г/м3)
kb, (б/р)
aо , (г/(м3час))
bо , (0С-1)
n1, (б/р)
aр , (г/(м3час))
bр , (0С-1)
n2, (б/р)
Как видно из таблицы 3, значения некоторых параметров были зафиксированы, а
другие изменялись в некоторых пределах. Варьировались, прежде всего, характеристики
растительного
покрова
и
параметры,
определяющие
потенциальную
скорость
производства и окисления метана. Пределы изменения выбирались на основе
экспериментальных
данных
полученных,
например,
в
работах
(Jennifer
et
al.,
1998),(Wagner et al., 2003). Изменчивость глубины протаивания моделировалась в
диапазоне 5 – 80 см. При этом расчёты проводились при температурах поверхности почвы
от 5 до 25˚С. Расчётный период времени составлял 2 месяца. Анализировались
среднечасовые потоки метана.
Аппроксимация результатов модельных расчетов. В результате численных
экспериментов были рассчитаны потоки метана, величина которых изменялась в широком
диапазоне. В тоже время существует естественная природная изменчивость этой
14
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
характеристики
для
арктических
районов.
В таблице
4 приведены
некоторые
экспериментальные данные, характеризующие эту изменчивость.
Таблица 4. Параметры, характеризующие эмиссию СН4 из торфяной почвы, полученные в
различных исследованиях.
Поток метана,
Концентрация
Литературный
мг/(м2час)
метана в торфе, г/м3
источник
Шотландия
0.5 – 6
6 – 10
11
Зап. Сибирь
1.87 ± 1.68
1.3 – 5.2
2
0.6 – 2.2
3 – 15
3
1–5
5 – 12
14
1 – 3.3
1.6 – 6.4
9
Место объекта исследований
Сев-вост. Сибирь
(Колымская низменность)
Сев-вост. Сибирь
(дельта р.Лена)
Аляска
На основе сопоставления результатов расчета и эксперимента были отобраны лишь
те значения потоков, которые могут наблюдаться в природе. Для обобщения полученных
данных были использованы результаты расчета потока метана при изменении глубины
протаивания. Результаты расчета аппроксимируются уравнением:
J=0.13⋅ JHd=40 Hd0,55
(14)
Обобщенное выражение для оценки относительной изменчивости потока метана от
глубины протаивания имеет следующий вид:
J2/J1= Hd 2 /Hd 1
где,
(15)
J1 и J2 – потоки метана за первый и второй периоды времени; Hd1 и Hd2 –
глубины протаивания за первый и второй периоды времени.
Полученные теоретические результаты были сопоставлены с экспериментальными
наблюдениями за потоками метана, глубиной протаивания и температурой почвы,
15
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
проведенными в 1999 году в дельте р. Лены (Wagner et al., 2003). С 15 июня по 15 июля
глубина протаивания увеличилась с 5 до 20 см. Поток метана вырос с 2.5 до 5 мг/(см2час).
Происходили колебания средней суточной температуры поверхности почвы. При этом
наблюдался несущественный положительный линейный тренд около 1˚С/месяц. Это
позволило провести расчет относительного изменения потока метана по уравнению (15).
В результате получено, что отношение потоков при глубинах протаивания 20 и 5 см равно
2, то есть совпадает с экспериментальным значением.
Были также подобным образом обобщены результаты численных экспериментов по
исследованию температурной зависимости потока метана при фиксированной глубине
протаивания и получено следующее выражение, описывающее эту зависимость:
J2/J1 = exp 0.1(T2 – T1)
где,
(16)
T1 и T2 – температуры поверхности почвы за первый и второй периоды
времени.
Объединив вместе (15) и (16), получаем обобщенную зависимость в виде:
J2/J1= exp 0.1(T2 – T1)
Hd 2 /Hd 1
(17)
Следует отметить, что полученные выше результаты получены для уровня
грунтовых вод, расположенных у поверхности почвы. Для того чтобы оценить влияние
этой характеристики на поток метана, проводились соответствующие модельные расчёты
при стоянии грунтовых вод от 0 до 40 см ниже поверхности почвы. При этом изменение
уровня грунтовых вод моделировалось изменением начальной эпюры влажности. В
результате обобщения было получено следующее выражение для расчёта относительного
изменения потока метана при изменении уровня грунтовых вод:
J/J0=(1-0.033h)
где,
(18)
J, J0 – соответственно потоки метана при уровне грунтовых вод h и 0.
В таблице 5 приведены формулы для расчёта потоков метана, аппроксимирующие
экспериментальные данные, полученные различными исследователями. Если их привести
к виду (16) и (18), то мы получим следующее. Коэффициенты, определяющие
температурную зависимость в формулах (6 – 9) (табл. 5), равны соответственно 0.091;
0.12; 0.08; 0.13. Полученное нами значение равно 0.1, то есть довольно близко к
полученным в экспериментах. Коэффициенты, определяющие зависимость потока метана
16
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
от уровня грунтовых вод (формулы (1) – (5)), равны соответственно 0.038; 0.057; 0.023;
0.031; 0.039. Полученное нами значение равно 0.033, то есть тоже близко к
экспериментальным значениям.
Таблица 5. Формулы для расчета потока СН4 на основании данных об уровне грунтовых
вод и температуры поверхности почвы, полученные различными авторами при обобщении
экспериментальных данных
№
Формула для расчета потока метана мг/(м2час)
Литературный источник
h – расстояние от уровня грунтовых вод до поверхности болота, см
1
J = 2.33 exp (–0.068 h)
4
2
J = 0.53 – 0.03 h
7
3
J = 0.42 – 0.012 h
12
4
J = 0.8 – 0.013 h
13
5
J = 1.26 – 0.05 h
8
Т, T20 – температура поверхности почвы и на глубине 20 см, ˚С
6
J = 0.24 exp (0.091 T)
7
7
J = 0.41 exp (0.12 T)
12
8
J = 0.0864 Т2 – 0.6455 Т + 3.5
6
9
J = 0.08 Т – 0.26
8
J = –3.17 + 1.21 T20 – 0.22 h
10
J = exp (– 0.13 + 0.22 T20 – 0.04 h)
10
Таким образом, полученные нами в результате численных экспериментов
зависимости потока метана от различных факторов в основном соответствуют
наблюдаемым в полевых условиях. Далее их можно использовать при оценках
изменчивости эмиссии метана на больших территориях в условиях глобального
потепления климата, например, основанных на ГИС-технологиях.
17
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
5. Математическая модель вертикального баланса углекислого газа.
Экспериментальные исследования, выполненные в последнее время, подтвердили
значительную изменчивость нетто-потока углерода между болотными экосистемами и
атмосферой, определяемую комплексом гидрометеорологических факторов и
характеристиками почвенного и растительного покрова. Это стало причиной разработки
довольно большого количества методов расчёта основных составляющих углеродного
баланса, способных
Структура предлагаемой нами модели соответствует современным подходам при
описании процессов формирования энергомассообмена. При этом можно выделить два
основных блока модели: тепло- и влагообмена и баланса углекислого газа. В данной
статье мы не будем подробно останавливаться на описании уравнений математической
модели тепло-влагообмена в системе почва – растительность – атмосфера, которые
приведены, например, в работах (Лавров, 1990) (Gua et al., 1999).
При численной реализации модели тепловлагообмена на выходе мы получаем
значения влажности и температуры почвы, температуры растительного покрова и
проводимости устьиц, которые в дальнейшем используются в расчётах баланса СО2.
Сток углекислого газа из болота в атмосферу В (другое широко используемое
обозначение этой составляющей баланса - NEE) рассчитывается по уравнению:
В =Р – Rр - Rs - St
(19)
где, Р – фотосинтез (брутто), равный P =А + Rd;
А – фотосинтез (нетто);
Rd – темновое дыхание растительности во время фотосинтеза;
Rр, Rs – соответственно дыхание растительного покрова и дыхание почвы;
St - изменение концентрации углекислого газа в слое растительности (при
моделировании баланса СО2 на болоте этой составляющей можно
пренебречь).
Составляющие баланса СО2 рассчитываются аналогично составляющим баланса
водяного пара с использованием уравнений турбулентной и молекулярной диффузии с
введением поправок из-за разницы коэффициентов диффузии пара и СО2. При этом
основные уравнения модели выглядят следующим образом:
A=
LAI (C a − Ci )
(1.6rs + 1.37 rAL )
(20)
18
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Rs =
B=
(C s − C a )
rAП
(21)
(C a − C h )
(22)
rА
где, - rs, rAL, rAП, rА – соответственно, устьичное сопротивление движению пара,
аэродинамическое сопротивление между поверхностью листа и межлистным
пространством, аэродинамическое сопротивление между поверхностью почвы и
межлистным пространством и аэродинамическое сопротивление между межлистным
пространством и атмосферой выше растительного покрова;
Все эти параметры определяются в процессе решения уравнений тепловлагообмена в системе почва – растительность – атмосфера.
Сi, Сa, Сs, Сh – соответственно концентрация углекислого газа внутри листа, в
межлистном пространстве, у поверхности почвы и в атмосфере на высоте h.
Для моделирования эмиссии углекислого газа с поверхности болота (Rs)
воспользуемся следующим уравнением одномерной диффузии данного ингредиента в
торфяной почве:
dCCO2
dt
где,
d ⎡ dCCO2 ⎤
= dz ⎢D dz ⎥ + PCO2
⎢⎣
⎥⎦
(23)
С CO2 = С CO2g(P-W)+ СCO2wW= С CO2g{P-W(1-α CO2)};
D CO2= {DCO2a(P-W)+ DCO2wα CO2 W}/τ;
αСО2 = 1.8exp(-0.04T)
D CO
D CO
−5 ⎛ T + 273 ⎞
⎟
a = 1.39 ⋅ 10 ⎜
2
⎝ 273 ⎠
2
w = 1.7 ⋅ 10
(24)
1.75
м2/с
+ 273 ⎞
⎜
⎟
⎝ 298 ⎠
−9 ⎛ T
PCO2 = а⋅ exp(bT)⋅ (1- W/P)n
м2/с
(25)
(26)
(27)
СCO2 , СCO2g , СCO2w – соответственно, общая концентрация СО2 на глубине z от
поверхности болота и концентрация СО2 в газообразной и жидкой фазах торфяника;
Р, W – соответственно, общая пористость и объемная влажность торфа;
19
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
DСО2 a, DСО2
w
– соответственно, коэффициенты диффузии СО2 в воздухе и
воде;
α СО2– растворимость СО2 в воде;
τ – извилистость порового пространства;
PСО2 – интенсивность производства СО2;
a, b, n– коэффициенты, определяемые в результате экспериментальных
исследований.
Для решения уравнения (23) необходимо задать начальные и граничные условия.
В качестве начального условия используется постоянное значение концентрации в
профиле: C CO2 = C 0 ,
t =0
Для задания нижнего граничного условия воспользуемся положением, что на
уровне ZН (минеральное дно болота) поток СО2 отсутствует, то есть
dCCO 2
dz
= 0,
z = ZH ,
(28)
Для задания верхнего граничного можно использовать условия второго рода
D CO 2
dC CO 2
dz
=
(C s − C a )
,
rA П
z =0
(29)
Уравнение (23) решается численно с помощью конечно-разностной схемы методом
прогонки.
Для замыкания приведенной выше системы уравнений привлекается
дополнительно соотношение, предложенное в работе (Ball et al., 1987):
100 ⋅ ha ⋅ A
1
1
=
+m
rs rmin
Ca
(30)
где, ha – относительная влажность воздуха в межлистном пространстве;
rmin, m – параметры определяемые экспериментальным путем.
Для расчёта температурной
используется следующая формула
зависимости
дыхания
R p = R p (20 0 C ) ⋅ LAI ⋅ exp[α T (Tc − 20)]
растительного
покрова
(31)
где, αТ – коэффициент температурной зависимости;
Тс –температура растительного покрова.
Таким образом у нас имеется шесть неизвестных параметров А, В, Rs Сi, Сa, Сs и
шесть исходных уравнений для их определения (19) – (22), (29) и (30).
Проверка модели вертикального баланса углекислого газа проводилась по данным
пульсационных измерений потоков СО2 на стационаре возле г. Черский (Восточная
20
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Сибирь, Арктическое побережье (69.0º N, 161.0º E)). Параллельно с измерением потоков
СО2 измерялись основные метеорологические характеристики (потоки солнечной
радиации, температура воздуха и почвы, давление водяного пара, скорость ветра) и
8
B, мкмоль/(м2*с)
6
эксперимент
расчёт
4
2
0
18.07.
-2 0:00
18.07.
3:00
18.07.
6:00
18.07.
9:00
18.07.
12:00
18.07.
15:00
18.07.
18:00
18.07.
21:00
19.07.
0:00
-4
-6
Время
концентрация углекислого газа в атмосфере (Randerson, 2003).
Рисунок 3. Поток СО2 в атмосферу с поверхности тундры по данным измерений и расчета
(г. Черский, 18 июля 2001г.).
На рис. 3 приведены результаты сопоставления измеренных и рассчитанных по
модели потоков СО2 в атмосферу (положительные значения потоков характеризуют сток
СО2 с болота в атмосферу). В таблице 6 приведены численные значения основных
параметров модели, используемых при расчете баланса СО2.
Таблица 6. Значения основных параметров модели при расчете фотосинтеза и потока СО2
из почвы
Параметр
Формула
Величина
21
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
LAI (м2/м2)
(20)
1.5
rmin (c/(cм)
(30)
4
m, (б/р)
(30)
5
а, (Па/с)
(27)
0,0035
b, (б/р)
(27)
0.15
n, (б/р)
(27)
3
Как видно, общий характер динамики потока СО2 описывается моделью правильно.
Большинство пиков в графиках, характеризующих изменение потоков во времени
присутствуют как в экспериментальных, так и расчетных зависимостях. Тестирование
математической модели проводилось также с использованием экспериментальной
информации полученной в различных регионах России и за рубежом. Сопоставления
расчетных и экспериментальных результатов указывают на высокую степень
адекватности описания процессов вертикального переноса углекислого газа на болотном
массиве представленной выше математической моделью. С достаточной степенью
уверенности можно утверждать, что временная изменчивость составляющих баланса СО2
связана в основном с изменчивостью метеорологических параметров атмосферы.
Основное влияние оказывают поток солнечной радиации и температура воздуха. Этот
вывод относится к коротким интервалам времени (сутки, неделя, месяц). При расчетах за
более длительные периоды времени необходимо учитывать динамику биологических
характеристик растительности.
Учитывая хорошую сходимость расчётных и экспериментальных результатов,
математическая модель была использована для численной оценки влияния
6
В, г/(м2*сутки)
4
2
1
2
0
0
5
10
15
20
-2
-4
22
-6
Температура воздуха, град. С
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
среднесуточной температуры воздуха на величину среднесуточного потока углекислого
газа в атмосферу. Расчёты проводились с использованием данных, полученным на
стационаре Черский. При этом учитывался внутрисуточный ход температуры воздуха и
других основных метеоэлементов.
Рисунок 4. Зависимость среднесуточного потока углекислого газа в атмосферу от
среднесуточной температуры воздуха. (1 – ФАР=200 мкмоль/(м2с), 2 – ФАР=600
мкмоль/(м2с).)
На рис. 4 приведены полученные зависимости для двух значений среднесуточного
потока фотосинтетически активной солнечной радиации (ФАР). Наблюдаемые потоки
ФАР в июле 2001 года (г.Черский) находились как раз в этом диапазоне значений. Как
видно из полученных зависимостей, рост температуры воздуха приводит к росту потока
СО2 в атмосферу. При определённых световых условиях поток углекислого газа
обусловленный дыханием растительности и почвы начинает преобладать над
ассимиляцией СО2 путём фотосинтеза. Таким образом, болото превращается в источник
поступления углекислого газа в атмосферу. Однако расчёты показывают, что для точной
оценки влияния глобального потепления климата на баланс СО2 , кроме данных о
температурном тренде, необходима информация о динамике потоков солнечной радиации
и характеристик растительного покрова.
6. Оценка территориального изменения потоков парниковых газов при
потеплении климата
Суммарный поток метана или углекислого газа QC с некоторой территории можно
определить следующим образом:
N
QC = ∑ si J i
(32)
1
где,
si, Ji – соответственно площадь элементарной площадки (ячейки),
исследуемой территории и локальный поток газа с неё.
Величина относительного изменения суммарного потока
δС при изменении
климата рассчитывается как:
N
δC =
Q − QC
=
QC
T
C
N
T
∑ si J i − ∑ si J i
1
1
N
∑ si J i
1
где,
T
Q C,,
JTi
N
=
T
∑ (Ji − Ji )
1
N
(33)
∑ Ji
1
– соответственно суммарный и локальный потоки газа при
изменении климата. При преобразовании формулы (20) было принято, что площадь
элементарных площадок является постоянной величиной.
23
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Для расчёта величины локальных потоков парниковых газов необходимы
математические модели, например, представленные в данной работе. Однако на первом
этапе исследований для предварительных оценок можно воспользоваться более простыми
моделями основанных на эмпирических связях потоков парниковых газов с температурой,
глубиной протаивания и уровнем грунтовых вод. Рассмотрим данный подход на примере
расчёта изменения эмиссии метана при глобальном потеплении климата.
Эмиссия рассчитывается с использованием функции экспоненциальной функции
(табл. 5), то есть локальный поток метана за расчётный интервал времени tc будет равен:
tc
J i = ∫ ai exp(biTi )dt
(34)
0
Влияние уровня грунтовых вод в данном расчете не учитывается.
Подставляя (34) в формулу (33) получаем:
N tc
δC =
T
∑ ∫ ai exp(biTi )dt
1 0
N ti
−1
(35)
∑ ∫ ai exp(biTi )dt
1 0
Предположим, что параметры ai и bi не зависят от времени, а зависят только от
координат локального участка, то есть от свойств ландшафта. Исходя из этого,
относительное изменение потока метана в основном будет определяться трендом
температуры поверхности почвы. Воспользуемся простейшей линейной моделью
температурного тренда:
TTi =Ti + βi t
(36)
В этом случае уравнение (35) примет вид:
N tc
δC =
∑ ∫ ai exp(biTi ) exp( β i bi t )dt
1 0
N ti
−1
(37)
∑ ∫ ai exp(biTi )dt
1 0
Воспользовавшись “теоремой о среднем” интегрального исчисления, преобразуем
формулу (37) к виду:
24
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
N
δC =
tc
∑ exp( β i bi t ) ∫ ai exp(biTi )dt
*
1
0
N ti
−1
(38)
∑ ∫ ai exp(biTi )dt
1 0
где,
t* – некоторое время, лежащее в интервале 0 – tс.
Для приближенной оценки максимальных изменений эмиссии метана при
потеплении климата можно задаться следующими предельными значениями параметров,
входящих в уравнение (34):
βI = 0,2 0С/год (прогноз); bi = 0,1 ˚С-1 (формула 16); t* = tс.
При этом уравнение (38) примет вид:
δ CH = exp(0,04t с ) − 1
(39)
4
На рис. 5 приведены результаты расчёта возможного относительного изменения
потока метана при потеплении климата.
изменение потока метана, %
200
180
2,6
2,4
120
80
40
0
2000
10
20
30
40
2050
годы
Рисунок 5. Прогноз изменения потока метана с поверхности почвы по климатическому
сценарию GFDL (в процентах от современной нормы).
25
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Полученные выше оценки носят приближенный характер. Более точные расчеты
можно выполнить, используя уравнение (37). Для этого необходимо более детально задать
внутригодовой тренд температуры поверхности почвы, глубину протаивания, учесть
пространственную изменчивость параметров ai и bi, определяющих температурную
зависимость эмиссии метана, а также по возможности привлечь данные о динамике
уровня грунтовых вод или влажности. Для того чтобы исключить в расчетах
пространственную изменчивость параметров и использовать функции (15) – (18), можно
проводить расчёты для отдельных типичных ландшафтов, условившись о неизменности
основных растительных и почвенных параметров на территории данного ландшафта.
7. Заключение
Для оценки изменения эмиссии парниковых газов из многолетнемерзлых болот
криолитозоны России в условиях глобального потепления разработаны модели эмиссии
метана и вертикального баланса углекислого газа. Учитывая хорошую сходимость
расчётных и экспериментальных результатов, математические модели была использованы
для численной оценки влияния гидрометеорологических факторов на величину потоков
метана и углекислого газа в атмосферу. На первом этапе исследований удалось получить
формулы для расчёта относительного изменения локального потока метана с поверхности
почвы по данным о глубине её протаивания и температурном тренде. Данные формулы
могут быть в дальнейшем использованы для оценки динамики суммарного потока метана
с больших территорий в условиях потепления климата.
Модель вертикального баланса углекислого газа была использована для численной
оценки влияния среднесуточной температуры воздуха на величину среднесуточного
потока углекислого газа в атмосферу. Из полученных результатов следует, что рост
температуры воздуха приводит к росту потоков углекислого газа, обусловленных
дыханием растительности и почвы, которые начинают преобладать над ассимиляцией СО2
растительностью в процессе фотосинтеза. Однако расчёты также показывают, что для
точной оценки влияния глобального потепления климата на баланс СО2 , кроме данных о
температурном тренде, необходима информация о динамике потоков солнечной радиации
и характеристик растительного покрова.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Российско-Голландского проекта
РФФИ-NWО (грант 047.011.2001.003) и проекта РФФИ 04-05-64488.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
26
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Боч, М.С., Кобак, К.И., Кольчугина, Т.П., Вильсон, Т.С., 1994. Содержание и скорость
аккумуляции углерода в болотах бывшего СССР. Гидромелиорация: задачи и
координация исследований : 73-75.
Будыко, М.И., Израэль, А., Маккракен, М.С., Хект, А.Д. (Editors), 1991. Предстоящие
изменения климата. Гидрометеоиздат, Ленинград, 270 c.
Вомперский, С.Э., 1994. Роль болот в круговороте углерода. Чтения памяти ак. В.Н.
Сукачева. биогеоценотические особенности болот и их рациональное
использование, XI : 5-37.
Зарецкий, А., Лавров, С.А., 1985. Физико-математическое моделирование процессов
тепловлагопереноса в талых и мерзлых почвах. Метеорология и гидрология, 7 : 8288.
Израэль, А., Груза, Г.В., Катцов, В.М., Мелешко, В.П., 2001. Изменения глобального
климата. Роль антропогенных воздействий. Метеорология и гидрология, 5 : 5-22.
Кац, Н., 1971. Болота земного шара. Series , Москва, 296.
Лавров, С.А., 1990. Математическое моделирование процесса испарения с поверхности
почвы. Труды ГГИ, 334 : 35-45.
Махов, Г.А., Бажин, Н.М., Ефремова, Т.Т., 1994. Эмиссия метана из болот междуречья рек
Оби и Томи. Химия в интересах устойчивого развития, 2 : 619-622.
Новиков, С.М., Усова, Л.И., 2002. К оценке площади болот, заболоченных земель и
прогнозных запасов торфа на территории Российской Федерации. Сборник работ
по гидрологии, 25 : 3-10.
Паников, Н.С., Глаголев, М.В., Кравченко, И.К., Мастепанов, М.А., Косых, Н.П.,
Миронычева-Токарева, Н.П., Наумов, А.В., Иноуэ, Г., Максютов, Ш., 1997.
Эмиссия метана из верховых болот Западной Сибири в зависимости от характера
растительного покрова. Экологическая химия, 6 (1): 59-67.
Паников, Н.С., Сизова, М.В., Зеленев, В.В., Махов, Г.А., Наумов, А.В., Гаджиев, И.М.,
1996. Эмиссия СН4 и СО2 из болот юга Западной Сибири: пространственное и
временное варьирование потоков. Экологическая химия, 4 : 13-24.
Самаркин, В.А., Вечерская, М.С., Ривкина, Е.М., 1995. Метан в мерзлых почвах
криолитозоны Северо-востока Сибири. Экологическая химия, 4 (1): 25-31.
Шнырев, Н.А., 2001. Влияние уровня воды на эмиссию метана из болот Западной Сибири,
Москва, 136-137.
Яговкина, С.В., Кароль, И.Л., Зубов, В.А., Лагун, В.Е., Решетников, А.И., Розанов, Е.В.,
2003. Оценка потоков метана в атмосферу с территории газовых месторождений
севера Западной Сибири с использованием трехмерной региональной модели
переноса. Метеорология и гидрология, 4 : 49-63.
Arah, J.R.M., Stephen, K.D., 1998. A model of the processes leading to methane emission from
peatland. Atmospheric Environment, 32 (19): 3257-3264.
Aselmann, I., Crutzen, P.J., 1989. Global distribution of natural freshwater wetlands and rice
paddies, their net primary productivity, seasonality and possible methane emissions. J.
Atmos. Chem., 8 : 307-358.
Barlett, K.B., Harriss, R.C., 1993. Review and assessment of methane emissions from wetlands.
Chemosphere, 26 : 261-320.
Ball, J.T., Woodrow, I.E., Berry, J.A., 1987. A model predicting stomatal conductance and its
contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions.
Progress in Photosynthesis Research, IV (D22): 221-234.
27
Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. С.Пб.: Гидрометеоиздат, с. 114-138.
_____________________________________________________________________________________________
Bubier, J.L., 1995. The relationship of vegetation to methane emission and hydrochemical
gradients in northern peatlands. Journal of Ecology, 83 : 403-420.
Cao, M.K., Gregson, K., Marshall, S., 1998. Global methane emission from wetlands and its
sensitivity to climate change. Atmospheric Environment, 32 (19): 3293-3299.
Christensen, T.R., Carbon cycling and methane emissions from wet tundra ecosystems: feedback
effects on climate change, Lund University, Sweden.
Daulat, W.E., Clymo, R.S., 1998. Effects of temperature and water table on the efflux of
methane from peatland surface cores. Atmospheric Environment, 32 (19): 3207-3218.
Gorham, E., 1991. Northern Peatlands: role in the carbon cycle and probable responses to
climatic warming. Ecological Applications, 1(2) : 182-195.
Gua, L., Shugarta, H.H., Fuentesa, J.D., Blackb, T.A., Stanley, R.S., 1999. Micrometeorology,
biophysical exchanges and NEE decomposition in a two-story boreal forest development and test of an integrated model. Agricultural and Forest Meteorology, 94 :
123-148.
Hargreaves, K.J., Fowler, D., 1998. Quantifying the effects of water table and soil temperature
on the emission of methane from peat wetland at the field scale. Atmospheric
Environment, 32 (19): 3275-3282.
Jennifer, Y.K., William, S.R., Shannon, K.R., 1998. Methane emission and transport by arctic
sedges in Alaska: Results of a vegetation removal experiment. Journal of Geophysical
Research, 103 (D22): 83-92.
Kettunen, A., Kaitala, V., Alm, J., Silvola, J., Nykanen, H., Martikainen, P.J., 2000. Predicting
variations in methane emissions from boreal peatlands through regression models. Boreal
Environment Research, 5 : 115-131.
Lloyd, D., Thomas, K., L., Benstead, J., Davies, K.L., Lloyd, S.H., Arah, J.R.M., Stephen, K.D.,
1998. Methanogenesis and CO2 exchange in an ombrotrophic peat bog. Atmospheric
Environment, 32 (19): 3229-3238.
MacDonald, J.A., Fowler, D., Hargreaves, K.J., Skiba, U., Leith, I.D., Murray, M.B., 1998.
Methane emission rates from a northern wetland, response to temperature, water table
and transport. Atmospheric Environment, 32 (19): 3219-3227.
Matthews, E., Fung, I., 1987. Methane emission from natural wetlands: global distribution, area,
and environmental characteristics of sources. Global Biogeochemical Cycles, 1 : 61-86.
Moore, T.R., Knowles, R., 1989. The influence of water table levels on methane and carbon
dioxide emissions from peatland soils. Can. J. Soil Sci., 69 : 33-38.
Randerson, J., 2003. Growing season energy and CO2 fluxes over a larch forest tundra
ecosystem in Siberia, Boulder, CO: National Snow and Ice Data Center.
Turetsky, M.R., Wieder, R.K., Williams, C.J., Vitt, D.H., 2000. Organic matter accumulation,
peat chemistry, and permafrost melting in peatlands of boreal Alberta. Ecoscience, 7 (3):
379-392.
Vitt, D.H., Halsey, L.A., Zoltai, S.C., 2000. The changing landscape of Canada's western boreal
forest: the current dynamics of permafrost. Canadian Journal of Forest Research-Revue
Canadienne De Recherche Forestiere, 30 (2): 283-287.
Wagner, D., Kobabe, S., Pfeiffer, E.M., Hubberten, H.W., 2003. Microbial controls on methane
fluxes from polygonal tundra of the Lena delta, Siberia. Permafrost and Periglacial
Processes, 14 : 173-185.
Whalen, S.C., Reeburgh, W.S., 1990. A methane flux transect along the trans-Alaska pipeline
haul road. Tellus, 42B : 237-249.
28