Эмиссия СН 4 из болот: экспериментальные наблюдения и подходы к моделированию Glagolev М.V. : Кафедра физики и мелиорации, Московский Государственный Университет

Глобальные источники метана 1 - болота; 2 - газогидраты; 3 - океан; 4 - жвачные животные; 5 -рисовники; 6 - термиты; 7 - сжигание биомассы; 8 - добыча угля; 9 -природный газ; 10 - свалки; 11 - пресноводные водоемы: По Заварзину Г.А.

Эмиссия CH 4 с территории Западной Сибири (по данным разных авторов)

Mathematical models Empirical modelsProcess-based models Analitical empirical models Standard model 0D-models 1D- (profile) models

Классификация моделей Эмпирические модели Process-based (теоретические) модели Модели промежуточного типа Чисто теоретические модели, подробно описывающие кинетику микробиологических процессов никогда не применялись для региональных или глобальных оценок!

Эмпирические модели Локальные Региональные Глобальные Болото Бакчарское, : F = eхр( ·T ·W), F – methane flux (mgC·m -2 ·h -1 ), T – soil surface temperature ( o C), W – Water Table Level (cm). Западная Сибирь, 2007: F = a 1 ·T 15 +a 2 ·EC min +a 3 ·EC max +a 4 +a 5 ·pH max, T 15 – soil temperature at depth 15 cm; EC min, EC max – minimal and maximal conductivity in layer 0-50 cm; pH max – maximal pH. F = α·r·NPP, NPP – первичная продукция (г с.в.·м -2 ·г -1 ), r – доля С в с.в. (r 0.46 гС/г с.в.), α

Полуэмпирическая модель мезотрофного болота [Frolking & Crill, 1994] F = exp( ·T ·WTL – 0.091·WRP), где F – эмиссия СН 4 (мг·м -2 ·сут -1 ); T 12 – температура на глубине 12 см (˚С); WTL – уровень стояния воды (см); 4 WRP = Σ[(1 – 0.2·i)·PPT i ], здесь i=0 PPT i – сумма осадков (см) i дней тому назад. Гидрологическая модель С·GT/gt = д(k·GT/дz)/дz

Модель В. Walter [CH 4 ]/ t = - F diff (t,z)/ z + Q ebull (t,z) + Q plant (t,z) + + R prod (t,z) + R oxid (t,z), t – время; z – пространственная координата; [CH 4 ] – концентрация метана; F diff (t,z) – диффузионный поток; Q ebull (t,z) – интенсивность транспорта пузырьками; Q plant (t,z) – интенсивность транспорта растениями; R prod (t,z) – скорость образования метана; R oxid (t,z) – скорость поглощения метана.

n R prod = V·Пf i (Фактор i ), 0 f i 1 i=1 V – максимальная скорость образования СН 4 ; R oxid (t,z) = -V Q ·[CH 4 ]/(K + [CH 4 ]) V – максимальная скорость поглощения СН 4, К – константа Михаэлиса поглощения СН 4. F diff (t,z) = -D· [CH 4 ]/ z, D – коэфф. диффузии; 0 если [CH 4 ] < C max = 500 мкМ Q ebull (t,z) = -k e ·([CH 4 ] - C max ) если [CH 4 ]>C max,

Перенос СН 4, связанный с растениями Q plant (t,z) = -k p ·D veg ·T veg ·f grow (t)·f root (z)·[CH 4 ] D veg – параметр, характеризующий плотность расположения растений (D veg = 0.5); f grow (t) – кусочно-линейная функция; f root (z) – вертикальное распределение корней; T veg - подбираемый параметр, характеризующий газо проводящие свойства растений; k p - константа скорости переноса метана посредством растений, (час -1 );

Модель типа Arah & Stephen (1998) [CH 4 ]/ t = - F CH4 (t,z)/ z + R prod (t,z) + R oxid (t,z) [О 2 ]/ t = - F О2 (t,z)/ z + 2·R oxid (t,z) + R resp (t,z) R prod (t,z) ~ 1/(1 + ·[О 2 ]) ; R oxid (t,z) = -V Q ·[CH 4 ]·[O 2 ]/(K + [CH 4 ])/(K O2 + [O 2 ]); R resp (t,z) – скорость дыхания.

Модель эмиссии СН 4 типа М. Сао NPP Поступления углеводов в корни Поступление углеводов в ризосферу Распределение корней по глубине Поток углерода, идущего на образование CH 4 Разложение органического вещества торфа Продукция СН 4 Эмиссия СН 4 ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ: Температура, Осадки (уровень стояния воды)

Оптимальная температура метаногенеза, o C Географическая широта, о с.ш. Максимальная температура метаногенеза, o C

Components of Standard model typical values of methane flux (and methane flux probability distributions) areas of wetlands period of CH 4 -emission A a 1

Открытое (необлеченное) болото = галья (южная тайга, точки «D»)

Низкий рам (южная тайга, точка «Pol3»)

Грядово-мочажинный комплекс (южная тайга, точка «SHA47») Гряда Мочажина

Грядово-мочажина-озерковый комплекс (точка SHA43) Гряда Озеро Мочажина

Плоскобугристые болота (pålsa), лесотундра

High palsa, лесотундра или северная тайга

Клумбово-кочковато-топяной комплекс (подзона Средней тайги)

Methane flux probability distributions Pålsa in Tundra Pålsa in Forest-Tundra Ombrotrophic hollows in Tundra Eutrophic hollows in Tundra Methane flux, mgC·m -2 ·h -1

Typical values of methane flux (mgC·m -2 ·h -1 ) in the ecosystems of West Siberia for summer-autumn period (numerator: median; denominator: 1 st and 3 rd quartiles)

Zone Area of mires, km 2 «Period of emission», days Tundra Forest-Tundra Taiga Subtaiga Forest-Steppe and Steppe TOTAL: Input data for calculation of the regional flux (from West Siberian mires)

Основные направления исследований Процессы (механизмы) Факторы среды Экстенсивные измерения Образование СН 4 Потребление СН 4 Транспорт СН 4 Раститель- ность Темпера- тура Уровень воды Болота разных типов в южной тайге Болота разных типов во всех зонах

Метод стабильных изотопов 12 СН 4 13 СН 4 12 СО 2 13 СО 2 Бактерии-метанотрофы

Изотопный состав проб газов (СН 4 и СО 2 ) из толщи Бакчарского болота в координатах диаграммы Whiticar'a [1999]. fluviatile, 2000 fluviatile, 1999

Схема эксперимента по определению потока метана, связанного с растениями

Внешний вид автоматической камеры Камера закрыта Камера открыта

Камера ~ м 2 Аэростаты и само- леты ~ м 2 Космические аппараты – любой масштаб до глобального включительно Метеовышка ~ м 2 Технические средства определения эмиссии газов из почв

Цикл метана в мезотрофном болоте южной тайги в летний сезон ОБРАЗОВАНИЕ СН 4 : до 2 мгС·л -3 ·сут -1 ТРАНСПОРТ МЕТАНА Диффузия ~0.1-1% Пузырьковый перенос 20-30% Транспорт, связанный с растениями 40-60% ОКИСЛЕНИЕ СН 4 : 20-80% ЭМИССИЯ СН 4 : 1-10 мгС·м -2 ·час -1 СО 2 РАСТЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОСТАТКИ

Временные масштабы эмиссии Масштаб Факторы, определяющие динамику Годы - месяцы Температура, Уровень стояния воды Сутки Температура? Освещенность? Часы - минуты Отсутствуют (случайный процесс)

Явление «температурного гистерезиса» эмиссии метана.

Основные пункты многолетних измерений эмиссии метана в России

All sites (in West Siberia) with CH 4 -flux measurements

Региональная система мониторинга потоков СО 2 и СН 4 (Machida, 2006)

Thank you for your attention!