USD 63.4536

0

EUR 68.771

0

BRENT 57.66

+0.33

AИ-92 42.41

-0.04

AИ-95 46.16

0

AИ-98 52.11

+0.02

ДТ 48.19

-0.01

11 мин
67
0

Оценка эмиссии СО2 как парникового газа в стандартном тундровом эксперименте

Статья посвящена оценке эмиссии CO2 (диоксида углерода) как парникового газа, на Тазовском полуострове (Ямало-Ненецкий автономный округ) в условиях стандартного тундрового эксперимента, т.е. с использованием открытых сверху камер (ОСК), в которых температура приземного слоя воздуха повышается в среднем на 2-3○С, по сравнению с контрольными площадками.

К парниковым газам относятся газообразные вещества, которые создают над Землей эффект парника, поглощая и удерживая в атмосфере излучаемое с земной поверхности избыточное тепло. Парниковыми газами, вносящими основной вклад в общий парниковый эффект являются Н2О (водяной пар), CO2 (диоксид углерода), СН4 (метан) и O3 (озон) в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли [1]. Наибольший интерес для нас представляли CO2 и СН4 с долей вклада в общий парниковый эффект, соответственно, 9-26 и 4-9% после водяного пара, доля вклада которого находится в пределах 36-72%. Так, эмиссия CO2 и СН4 в атмосферу на Тазовском полуострове (6809' с.ш., 7602' в.д.), как в районе локализации объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» - дочерней компании ПАО «Газпром» - может быть связана как с функционированием объектов газовой промышленности, так и тундровых экосистем (рис. 1).


РИС. 1. Карта-схема Тазовского полуострова (68°09' с.ш., 76°02' в.д., Ямало-Ненецкий автономный округ)

В этих условиях, эмиссия CO2 в атмосферу может происходить при:

1) горении природного газа при различных технологических процессах, связанных с работой компрессоров, газоперекачивающих агрегатов, газовых турбин и сжигании природного газа на газофакельных установках;

2) дыхании почвенных микроорганизмов и корней растений, где вклад, в частности, микробного дыхания в эмиссию CO2 из почвы в разных экосистемах значительно варьирует и составляет по разным оценкам, от 10 до 90% [2, 3]; кроме того, установлено, что соотношение вклада микроорганизмов и корней в эмиссию CO2 зависит от фотосинтетической активности растений и количества поступающего в почву органического материала [4].

Инновационная биогеохимическая технология восстановления плодородия нарушенных тундровых почв

Инновационная биогеохимическая технология восстановления плодородия нарушенных тундровых почв – это подход по регенерации в них прерванных биогеохимических циклов химических элементов на 3-х уровнях: микроорганизмов, низших беспозвоночных организмов и фитоценозов. Известно, что значение микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи) для почвы состоит не только в количестве поставляемой биомассы (за один год достигает 20-50 т/га), что сближается с наземной биомассой растений, а главным образом в той работе, которую они производят по минерализации органических остатков в почве, так как микроорганизмы, отмирая, высвобождают различные химические элементы, которые вступают в новые циклы биогеохимического круговорота. Что касается низших беспозвоночных организмов почвы (простейшие, черви, моллюски, тихоходки, членистоногие), то они являются также важнейшим фактором в биогеохимических циклах химических элементов, в перераспределении энергии, фотосинтетически связанной в фитомассе, в накоплении и возобновлении запасов почвенного гумуса и плодородии почв. И, наконец, роль фитоценозов (травянистых и лесных) заключается в том, что они являются основным механизмом фиксации солнечной энергии и образования фитомассы на суше с вовлечением в ткани растений углерода, воды и таких элементов-биофилов как азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия, кремния, железа и др.

Суть инновационной биогеохимической технологии рекультивации нарушенных тундровых почв состоит во внесении местного торфа в эти почвы с учетом их гранулометрического состава или полной влагоемкости в зависимости от рельефа местности, посеве и выращивании на них смеси многолетних злаковых трав с использованием получаемого из местного торфа гумата калия, как стимулятора роста и развития этих растений. Со временем многолетние злаковые травы в ходе их произрастания  вытесняются коренными для тундры растениями – мхами (Bryophyta) и лишайниками (Lichenes), в свою очередь, являющихся одним из важных источников образования того же самого торфа. И поэтому важно было исследовать влияние повышения температуры надземного слоя воздуха на эмиссию CO2, и как следствие на рост и развитие коренных для тундры мхов и лишайников, как свидетельство полного восстановления плодородия нарушенных почв.

Эмиссия другого парникового газа - СН4 в атмосферу может происходить при:

1) технологических продувках, связанных с добычей, переработкой, транспортировкой и распределением природного газа, а также утечками из технологического оборудования;

2) функционировании эвтрофных (низинных) болот, внутриболотных озер и мерзлотных бугров, как типа болотных микроландшафтов [5].

Между тем, представляло особый интерес исследовать эмиссию CO2 в тундровых экосистемах, в условиях происходящего в настоящее время усиления континентальности климата, характеризуемой большими годовыми колебаниями температуры воздуха, т.е. теплым, но коротким летом и очень студеной и длительной зимой [6]. В условиях теплого и короткого лета, становится чрезвычайно важным подтвердить факт, что повышение эмиссии CO2 ведет к возрастанию биомассы растений.

В этой связи цель данной работы состояла в оценке эмиссии CO2 как парникового газа в стандартном тундровом эксперименте на Тазовском полуострове для практического обоснования возможности ускоренного восстановления плодородия техногенно нарушенных тундровых почв с помощью разработанной нами ранее инновационной биогеохимической технологии [6].

Особенности оценки эмиссии CO2 и биомассы растений в стандартном тундровом эксперименте

Оценку влияния повышения температуры приземного слоя воздуха на эмиссию CO2 и биомассу различных тундровых растений проводили с помощью открытых сверху камер (ОСК) по стандарту Международного тундрового эксперимента (International Tundra Experiment) [7-9]. ОСК представляют собой прозрачные пластмассовые усеченные гексагональные пирамидальные сооружения, которые были установлены на Тазовском полуострове, на расстоянии примерно 5 км от вахтового поселка Ямбург (6755' с.ш., 7451' в.д.), рис. 2.


РИС. 2. Схематическое изображение открытых сверху камер (ОСК) в форме прозрачных пластмассовых усеченных гексагональных пирамидальных сооружений (вид сверху)

Эти сооружения (в шести повторностях) располагались на участке, где произрастали типичные для данной местности тундровые растения: высшие сосудистые растения (кустарничники листопадные, кустарничники вечнозеленые и осоки) и споровые растения (лишайники и зеленые мхи - Bryidae). Как оказалось, в ОСК средняя температура приземного слоя воздуха в среднем повышается на 2-3С по сравнению с контрольными площадками, что позволяет in situ условиях исследовать эффект повышения температуры на эмиссию CO2 и биомассу растений. Для оценки содержания CO2 в воздушной среде внутри ОСК и на контрольных площадках (т.е. вне ОСК), пробы воздуха отбирались в герметично закрывающиеся емкости, в которых содержание CO2 анализировали методом газовой хроматографии in vitro условиях. Содержание углерода и азота в почве и биомассе растений определяли способом сухого сжигания в токе кислорода на элементарном анализаторе Elementar Vario EL III.

Оценка эмиссии CO2 и биомассы растений в стандартном тундровом эксперименте

Первоначально в течение суток была исследована динамика скорости эмиссии CO2 из ОСК и контрольных площадок. В представленных данных эмиссия CO2 (в среднем за 15 дней) была обусловлена дыханием почвенных микроорганизмов и корней растений за минусом абсорбции СО2 при фотосинтезе (рис. 3).  В целом, скорость эмиссии СО2 напрямую зависела от температуры, обусловленной поступающей солнечной радиацией. Однако, если на контрольных площадках динамика эмиссии СО2 была выражена в течение суток довольно слабо - варьирование в узких пределах от 0,02 до 0,04 ммоль/м2 в час, то в ОСК скорость эмиссии СО2 изменялась в среднем от 0,02 до 0,19 ммоль/м2 в час.


РИС. 3. Динамика скорости эмиссии СО2 из контрольных площадок и сверху открытых камер (ОСК) в течение суток (средние данные за 15 дней)

Максимум эмиссии СО2 наблюдался около 3 часов дня. К 8 часам вечера скорость эмиссии СО2 резко снижалась до 0,06-0,07 ммоль/м2 в час, однако все же оставалась более высокой, по сравнению с контрольными площадками. В вечерние и ночные часы (до 3 часов ночи) скорость эмиссии СО2 оставалась приблизительно на этом же уровне. С 3 часов ночи до 9 часов утра происходило постепенное снижение скорости эмиссии СО2 до значений, характерных для контрольных площадок. После этого наблюдалось резкое повышение скорости эмиссии СО2 с максимумом в 3 часа дня.

Рассчитанная за период наблюдения суммарная эмиссия СО2 позволяет сделать предварительный вывод о том, что несмотря на небольшое повышение среднесуточной температуры (на 2-3С) в ОСК, скорость эмиссии СО2 возрастала в среднем за день в 6 раз, по сравнению с контрольными площадками, и достигала величины почти 1 г СO22 в день (рис. 4).


РИС. 4. Суммарная за день эмиссия СО2 из контрольных площадок и открытых сверху камер (ОСК), средние данные за 15 дней по 3 повторностям

Параллельные химические анализы почвы показали, что содержание углерода в горизонте аккумуляции почвенного органического вещества достоверно снизилось на 4,7% в ОСК, по сравнению с контрольными площадками, в то время как содержание азота повысилось, и общий эффект повышения температуры в ОСК на доступность почвенного азота был достоверным.

Тенденция изменения эмиссии СО2 в течение суток была схожей для ОСК и контрольных площадок (рис. 5).


РИС. 5. Изменение баланса СО2 в тундровой экосистеме в течение суток на контрольных площадках и в открытых сверху камерах (ОСК)


Чистый баланс СО2 в тундровой экосистеме, т.е. разница между его стоком и эмиссией, был положительным рано утром вместе с началом фотосинтеза, что означает наличие стока СО2 в систему «почва-растение». В течение дня «дыхание» экосистемы доминировало над фотосинтезом, показывая отрицательные значения скорости обмена СО2, которые на графике означают чистую эмиссию СО2 в атмосферу. На контрольных площадках суточный баланс СО2 был близок к нулю, т.е. скорость фотосинтеза и интенсивность «дыхания» в исследуемый период были уравновешены. В среднем значения чистого баланса СО2 при максимальной освещенности были достоверно более низкими в ОСК, чем на контрольных площадках, что означает повышенную эмиссию СО2 в атмосферу из ОСК (рис. 6).


РИС. 6. Влияние повышения температуры в ОСК на баланс СО2 экосистемы (БЭ) при максимальной освещенности, а также на валовое «дыхание экосистемы» (ДЭ) и общий фотосинтез экосистемы (ОФЭ) в кустарничково-лишайниковой тундре (• – р < 0,05, • • – р <0,01)

Общие потери углерода из системы «почва-растение» были в 8 раз выше в ОСК по сравнению с контрольными площадками. Соответственно, «дыхание» экосистемы в ОСК возросло в 5 раз, а скорость фотосинтеза – в 3 раза.

Как будет показано далее, надземная биомасса некоторых тундровых растений в ОСК достоверно увеличилась после двух лет наблюдения. Однако, связанная с этим процессом, возросшая фотосинтетическая фиксация углерода не компенсировала намного большие потери СО2 из экосистемы при повышении температуры надземного слоя воздуха в ОСК, что может быть обусловлено ростом «дыхания» почвенных микроорганизмов и корней растений. Соотношение углерода к азоту в биомассе растений было неизменным. Следовательно, рост тундровых растений, не был лимитирован содержанием азота при повышении температуры. Изменение надземной биомассы отдельных видов тундровых растений при повышении температуры надземного слоя воздуха в ОСК показано на рис. 7.


РИС. 7. Влияние повышения температуры в ОСК на надземную биомассу различных растений кустарничково-лишайниковой тундры (• • • – p < 0,005; н.д. – не достоверно)

Как видно надземная биомасса растений достоверно увеличилась после двух лет, в основном за счет лишайников (Lichenes), которые отличались сильным откликом на повышение температуры и составили 95% от общей надземной растительной биомассы. Листопадные кустарнички (береза карликовая, Betula nana, голубика обыкновенная, Vaccinium uliginosum, ива сизая, Salix glauca), вечнозеленые кустарнички (брусника, Vaccinium vitis idaea, багульник стелющийся, Ledum decumbens), осоки (Carex) и зеленые мхи (Bryidae) не показали достоверных изменений биомассы при повышении температуры. Однако листовая поверхность березы карликовой достоверно увеличилась на 63% в ОСК по сравнению с контрольными площадками. Общее содержание углерода и азота в надземной растительной биомассе было также достоверно выше в ОСК, по сравнению с контрольными площадками.


Заключение

Таким образом, на Тазовском полуострове, в стандартном тундровом эксперименте в условиях повышения температуры надземного слоя воздуха в ОСК, было установлено, что скорость эмиссии СО2 сильно возрастает и ведет к потере углерода из системы «почва-растение» в ОСК по сравнению с нормальными температурами контрольных площадок. Это подтверждает гипотезу о том, что в результате повышения температуры баланс углерода тундровых экосистем, как минимум в краткосрочный период, может измениться от стока углерода до его эмиссии. В эксперименте было также отмечено статистически доказанное увеличение биомассы лишайников как доминирующего растительного компонента кустарничково-лишайниковой тундры.  Наблюдаемый нами факт возрастания скорости эмиссии CO2 и cвязанное с этим процессом увеличение биомассы коренных для тундры лишайников в условиях повышения температуры, в перспективе имеет чрезвычайно важное практическое значение для ускоренного восстановления нарушенных тундровых почв с помощью инновационной биогеохимической технологии [6]. По этой технологии ускорение восстановления плодородия нарушенных тундровых почв можно достичь путем увеличения их температуры, в частности, в результате внесения местного торфа, как теплового мелиоранта, обусловливаемого эмиссией CO2 в процессе разложения самого торфа и темным его цветом, способствующим эффективному поглощению солнечного тепла и быстрому прогреву почвы.

Работа выполнена в рамках темы Министерства науки и высшего образования РФ «Физико-химические и биогеохимические процессы в антропогенно загрязненных почвах», № 0191-2019-0049.

 

Литература

1. Kiehl J.T., Trenberth K.E. Earth’s annual global mean energy budget // Bulletin of the American Meteorological Society. 1997. Vol. 78. No. 2. P. 197-208.

2. Waksman S.A. Soil Microbiology. New York: J. Wiley & Sons, 1952. 356 p.

3. Hanson P.J., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial to soil respiration: A review of methods and observations // Biogeochemistry. 2000. No. 48. P. 115-146.

4. Bond-Lamberty B., Wang C., Gower S.T. A global relationship between the heterotrophic and autotrophic components of soil respiration? // Global Change Biology. 2004. No. 10. P. 1756-1766.

5. Сабреков А.Ф., Глаголев М.В., Клепцова И.Е., Башкин В.Н., Барсуков П.А., Максютов Ш.Ш. Вклад мерзлотных бугров в эмиссию метана из болот тундры Западной Сибири // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2011. Том 2. № 2 (4). 11 с.

6. Bashkin V.N., Galiulin R.V. Geoecological Risk Management in Polar Areas. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2019. 156 p.

7. Henry G.H.R., Molau U. Tundra plants and climate change: the International Tundra Experiment (ITEX) // Global Change Biology. 1997. Vol. 3. Suppl. 1. P. 1-9.

8. Hollister R.D., Webber P.J., Tweedie C.E. The response of Alaskan arctic tundra to experimental warming: differences between short- and long-term responses // Global Change Biology. 2005. Vol. 11. No. 4. P. 525-536.

9. Bashkin V.N., Galiulin R.V., Barsukov P.A. Assessing the in situ emission of gases in tundra ecosystems // In: Ecological and Biogeochemical Cycling in Impacted Polar Ecosystems. Environmental Remediation Technologies, Regulations and Safety series. Vladimir N. Bashkin (Editor).  New York: NOVA Science Publishers, 2017. P. 39-48.


Keywords: greenhouse gas, CO2 emission, standard tundra experiment, open-top chambers, control sites, biomass of lichens

 

 



Статья «Оценка эмиссии СО2 как парникового газа в стандартном тундровом эксперименте » опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№1, Январь 2020)

Авторы:

Полная версия доступна после покупки

Авторизироваться
Читайте также
Система Orphus