CC BY
46
УДК 631.41
М. В. Глаголев, И. Е. Клепцова
ЭМИССИЯ МЕТАНА В ЛЕСОТУНДРЕ: К СОЗДАНИЮ «СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ» (АА2) ДЛЯ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
В работе описана концепция «стандартной модели» эмиссии метана из болотных ландшафтов Западной Сибири. Под «стандартной моделью» понимается совокупность распределений плотностей вероятностей удельных потоков метана (в типичных биогеоценозах конкретной природной зоны) вкупе с продолжительностью периода эмиссии метана и площадями различных типов болот в данной природной зоне. Приводятся экспериментальные данные по эмиссии метана в лесотундре, вошедшие в «стандартную модель» Aal: медианы потоков из бугров, мочажин (олиготрофных необводненных и обводненных) и мезотрофных болот соответственно равны 0.14, 1.12, 11.86 и 1.28 мгС-м-2-ч-1. Вышеперечисленные значения считаются относящимися не ко всему году, а лишь к «периоду эмиссии метана», продолжительность которого принимается равной 120 суток.
Ключевые слова: эмиссия метана, Западная Сибирь, лесотундра, плоско-бугристые болота.
Введение
Метан сильно влияет на фотохимию атмосферы и является важным «парниковым» газом в климатической системе - по величине прямого потенциала глобального потепления он в 39 раз (для периода 20 лет) превышает С02 [1]. В связи с этим динамика концентрации метана в атмосфере учитывается в современных климатических моделях ([2], ссылки в [2]). Очевидно, что в таких моделях уравнение атмосферного переноса метана обязательно содержит в той или иной форме член, описывающий поверхностный источник метана.
Среди всех возможных источников метана главную роль играют болота [3]. Поток СН4 из всех болот мира составляет, по данным разных авторов, от 92 до 110 Тг/год. Около 60 % глобальной эмиссии из болот обусловлено торфяными массивами, находящимися в полосе от 50 до 70° с. ш. Вклад болот бывшего СССР составляет 11 Тг/год (т. е. 19-21 % от всего потока СН4 с территории страны). При этом на долю Западно-Сибирских болот приходится почти 13 потока всех болот страны ([4], ссылки в [4]).
Общей целью наших работ [5-7], проводимых в течение последних лет, является надежная идентификация интенсивности эмиссии СН4 из болот Западной Сибири. Конкретной целью данного исследования является оценка мощности природных источников метана в лесотундровой зоне.
Концепция, терминология и история «стандартной модели»
Существует два взаимодополняющих подхода в определении мощности природных избыточно увлажненных почв как источников метана. Первый основан на длительном мониторинге потоков метана сетью полевых станций, которые покрывают основные виды избыточно увлажненных почв и основные типы растительности. Это позволяет вычислить характерные годовые эмиссии, а затем экстраполировать эти значения на площади, соответствующие каждому виду
избыточно увлажненных почв. Для того чтобы уточнить оценки эмиссии метана от природных переувлажненных почв и предсказать их отклик на наблюдаемые изменения климата, в настоящее время разработано несколько математических моделей [2], достаточно полный список которых приведен в [8].
Во втором подходе с помощью метода обратного моделирования из данных наблюдений о концентрации атмосферного метана выводится информация о вариациях потоков по пространству и времени [2].
Однако этот метод приводит к необходимости решать задачу, некорректную в математическом смысле. Как известно, решить некорректную задачу если и возможно, то лишь при использовании некоторой априорной информации о решении. Такой априорной информацией может быть:
- грубая оценка распределения эмиссий по пространству и времени, если решение ищется методом пробной функции [9];
- качественное соотношение между эмиссиями в различных точках пространства и времени (например, утверждения типа «летом эмиссия больше, чем осенью» и т. п.), если решение ищется на компактном множестве (напр.: [10]).
Следовательно, указанная приближенная оценка распределения эмиссий может оказаться полезной при любом подходе. Мы предлагаем такую оценку (полученную на основании данных мониторинга для типичных экосистем всех природных зон Западной Сибири) и называем ее «стандартной моделью» эмиссии. «Стандартная модель» включает в себя три основных элемента (для каждой природной зоны):
1) набор распределения плотностей вероятностей удельных потоков метана в типичных биогеоценозах зоны (или хотя бы такие характеристики распределений, как квартили);
2) продолжительность периода эмиссии метана (ППЭМ);
3) площади разных типов болот и соотношения микроландшафтов в них.
Для удобства было предложено обозначать «стандартные модели» эмиссии трехзначным кодом, в котором первый знак (прописная буква латинского алфавита) соответствует принятому в данной модели набору ППЭМ, второй (строчная буква латинского алфавита) - совокупности площадей различных типов болот и соотношению элементов микроландшафтов в них, а третий (цифра) - системе типичных величин удельных потоков.
Самый первый вариант такой «стандартной модели» (для которого, правда, еще не использовалось данное понятие) был представлен в [6, 7]. Однако оценка потока, даваемая этой моделью, была статистически ненадежной (иными словами, имела весьма широкий доверительный интервал). Получение нами в 2007 г. обширного экспериментального материала по удельным потокам почти во всех природных зонах Западной Сибири и анализ литературы позволили перейти к новой модели «Аа1», дающей оценку регионального потока 3.7 ± 1.7 МтС/год [11]. В модели «Аа1» наименьшими пространственными единицами были болотные округа, которые выделя-
Эмиссия СН4 из разли
лись в соответствии с [12] (таким образом, средняя площадь пространственной единицы составляла порядка 100 000 км2). В настоящее время совместно с коллегами из ИПА СО РАН (г. Новосибирск) и Национального института изучения окружающей среды (г. Цукуба, Япония) проводится работа над перспективной стандартной моделью «АЬ2». В ней средняя площадь пространственной единицы составляет около 1400 км2.
К сожалению, до сих пор не была подробно описана исходная экспериментальная информация, лежащая в основе «стандартной модели» (за одним лишь небольшим исключением - в [13] даны исходные экспериментальные данные и описана процедура их обработки, но только для подзоны средней тайги). В предлагаемой вниманию читателя работе мы приводим исходную экспериментальную информацию, входящую в «лесотундровую» часть стандартной модели и описывающую эмиссию из бугров и мочажин плоско-бугристых болот.
Методы исследований
Поток метана определялся методом статических камер, как было описано ранее [5, 13]. Дополнительно к измерениям потока метана при помощи электронных
Т аблица 1
ых болот лесотундры
Точка Координаты Дата Эмиссия СН4 (мгС'М-2-ч-1)
широта долгота среднее погрешность
Мезотрофные болота
Т.иг.Беп.2 66.52672 76.51068 12.08.2008 3.97 0.33
Т.игТеп.2 66.52672 76.51068 12.08.2008 3.79 0.32
Т.иг.Беп.Бгп.2 66.52672 76.51068 12.08.2008 1.28 0.19
Т.иг.Беп.Бгп.2 66.52672 76.51068 12.08.2008 1.27 0.11
Т.игТеп.3 66.52195 76.50955 12.08.2008 0.52 0.04
Т.игТеп.3 66.52195 76.50955 12.08.2008 2.25 0.19
Т.игТеп.3 66.52195 76.50955 12.08.2008 2.78 0.23
Т.игТеп.3 66.52195 76.50955 12.08.2008 2.43 0.20
Т.иг.Беп.4 66.52634 76.49433 12.08.2008 0.08 0.08
Т.иг.Беп.4 66.52634 76.49433 12.08.2008 1.22 0.10
Т.иг.Беп.4 66.52634 76.49433 12.08.2008 0.76 0.06
Т.иг.Беп.4 66.52634 76.49433 12.08.2008 0.08 0.02
Олиготрофные хасыреи
Т.Ра.Нав.1 65.76348 74.52905 05.09.2007 0.99 0.18
Т.Ра.Нав.1 65.76348 74.52905 05.09.2007 0.29 0.15
Т.Ра.НаБ.2 65.76348 74.52917 05.09.2007 0.93 0.10
Т.Ра.НаБ.2 65.76348 74.52917 05.09.2007 0.79 0.13
Ручьи и озерки
Т.иг.Беп.Кіу.2 66.52672 76.51068 12.08.2008 1.16 0.12
Т.иг.Беп.Кіу.2 66.52672 76.51068 12.08.2008 0.77 0.12
Т.Иг.Ь8.5 66.53030 76.50902 12.08.2008 9.65 2.86
Т.Иг.Ь8.5 66.53030 76.50902 12.08.2008 1.96 0.74
Т аблица 2
Эмиссия СН4 из плоскобугристых болот лесотундры
Точка Координаты Дата Эмиссия СН4 (мгС'М-2-ч-1)
широта долгота среднее погрешность
Бугры
T.Pa.Pal.1 65.87067 74.96588 04.09.2007 -0.11 0.06
T.Pa.Pal.1 65.87067 74.96588 04.09.2007 -0.06 0.05
T.Pa.Pal.2 65.87248 74.96157 04.09.2007 -0.12 0.05
T.Pa.Pal.2 65.87248 74.96157 04.09.2007 0.11 0.04
T.Pa.Pal.3 65.87257 74.96220 04.09.2007 0.18 0.14
T.Pa.Pal.3 65.87257 74.96220 04.09.2007 -0.07 0.09
T.Pa.Pal.4 65.75835 74.49634 05.09.2007 0.09 0.05
T.Pa.Pal.4 65.75835 74.49634 05.09.2007 -0.03 0.04
T.Ur.FP.Pal.1 66.53092 76.51202 11.08.2008 0.04 0.01
T.Ur.FP.Pal.1 66.53092 76.51202 11.08.2008 0.01 0.01
T.Ur.FP.Pal.1 66.53092 76.51202 11.08.2008 0.03 0.01
T.Vo.Pal 67 63.5 23.09.2003 0.28 0.17
T.Pa.Pal*} 65.9 75 07.08.2005 0.25 0.17
Олиготрофные необводненные мочажины
T.Pa.Hol.2 65.87248 74.96157 04.09.2007 0.21 0.11
T.Pa.Hol.2 65.87248 74.96157 04.09.2007 0.46 0.07
T.Pa.Hol.3 65.87257 74.96220 04.09.2007 0.42 0.19
T.Pa.Hol.3 65.87257 74.96220 04.09.2007 0.36 0.21
T.Pa.Hol.4 65.75835 74.49634 05.09.2007 0.73 0.25
T.Pa.Hol.4 65.75835 74.49634 05.09.2007 1.29 0.28
T.Pa.Hol.4 65.75835 74.49634 05.09.2007 1.14 0.04
T.Pa.Hol.4 65.75835 74.49634 05.09.2007 0.73 0.07
T.Ur.FP.H.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 0.91 0.08
T.Ur.FP.H.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 0.99 0.08
T.Ur.FP.H.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 0.59 0.05
T.Ur.FP.H.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 0.97 0.08
T.Vo.Hol 67 63.5 23.09.2003 33.1 12.10
T.Pa.Hol*} 65.9 75 07.08.2005 0.25 0.17
Обводненные мочажины
T.Ur.FP.M.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 7.22 0.60
T.Ur.FP.M.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 7.16 0.60
T.Ur.FP.M.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 11.85 1.58
T.Ur.FP.M.1 66.53072 76.51145 11.08.2008 11.86 1.35
T.Ur.FP.M.6 66.53283 76.51398 13.08.2008 25.14 2.10
T.Ur.FP.M.6 66.53283 76.51398 13.08.2008 34.97 34.97
Примечание: **Усредненные данные, опубликованные в [15]. Название точки дано нами.
датчиков iButton DS 1921-1923 (DALLAS Semiconductor, США) определялась температура почвы (на глубинах 0, 5, 15, 45 см) и температура воздуха, значения pH и электропроводности болотных вод (pH-мет-ром-кондуктометром Combo “Hanna” HI-98130). Кроме того, измерялся уровень стояния болотных вод.
Результаты и обсуждение
Результаты измерений эмиссии метана приведены в табл. 1 и 2. К сожалению, количество известных нам экспериментальных данных по эмиссии метана в лесотундре Западной Сибири не очень велико, в связи с чем в «стандартной модели» задействована информация и из соседних областей. Так, точки T.Vo.Pal и
Т.Уо.Но1 относятся к области Полярного Урала, но фактически очень близки к границе Западной Сибири.
К еще большему сожалению, даже существующие измерения часто публикуются не в виде первичных данных, а уже в виде некоторых средних величин, в лучшем случае снабженных какой-либо характеристикой погрешности. Например, как видно из табл. 1, для точки Т.Ра.Ра1 опубликовано лишь среднее значение (однако оно получено по 22 индивидуальным измерениям [14]!). Это приводит к значительным трудностям при объединении разнородных данных различных авторов (частично данный вопрос уже обсуждался в [13]).
Как же осуществить такое объединение, например, для всех величин эмиссии, измеренных на буграх («ра^а») плоскобугристых болот (табл. 1)?
Если авторы (для своего обобщенного значения потока) приводят достаточно полные статистические характеристики, то методом статистического моделирования можно построить некоторый набор значений (называемый нами «псевдоизмерения»), который был бы в статистическом смысле эквивалентен полному набору исходных измерений авторов. Например, по опубликованному в [14] значению эмиссии (0.25 ± 0.17 мгСм-2ч-1) можно при помощи датчика нормально распределенных случайных чисел сгенерировать последовательность из 22 псевдоизмерений (см. табл. 3), среднее арифметическое и стандартное отклонение для которой будут близки именно к 0.25 и
0.17 мгС-м-2-ч-1 соответственно.
распределения потоков, имеющие следующие статистические показатели (размерности всех величин -мгС-м-2-ч-1):
1) БУГРЫ: медиана =0.14; 1-я квартиль=0.02; 3-я квартиль=0.35;
2) ОЛИГОТРОФНЫЕ НЕОБВОДНЕННЫЕ МОЧАЖИНЫ: 1.12; 0.77; 1.37;
3) ОБВОДНЕННЫЕ МОЧАЖИНЫ: 11.86; 8.38; 21.82;
4) МЕЗОТРОФНЫЕ БОЛОТА: 1.28; 0.70; 2.52.
Эти распределения используются нами в «стандартной модели» Аа2 эмиссии метана на территории Западной Сибири для характеристики потока вообще из всех болот лесотундры (следуя [15], мы принимаем полное отсутствие в лесотундре таких экосистем, как «гряды и рямы»). Все перечисленные значения считаются относящимися не ко всему году, а лишь к «периоду эмиссии метана», продолжительность которого принимается равной 120 сут.
Сделаем сразу существенное замечание: авторы [15] не указывают явно, что их исходные значения были распределены по Г ауссову закону. Но именно этот закон полностью характеризуется средним арифметическим и стандартным отклонением. Следовательно, тип распределения неявно подразумевается тем, что для краткого представления результатов авторы используют именно эти статистические характеристики.
Однако, конечно, полной гарантии нет, поэтому в «стандартной модели» следует четко различать заложенные в нее два типа информации: реальные экспериментальные данные (табл. 1, 2) и «псевдоизмерения», полученные статистическим моделированием, как, например, в табл. 3.
Объединение всей доступной нам информации по эмиссии метана из плоско-бугристых болот лесотундры, т. е. объединение данных (табл. 1-3) дает
Максимальное изменение по сравнению со «стандартной моделью» Аа1 при добавлении новых данных (2008 г.) продемонстрировала медиана для бугров (уменьшилась на 36 %). Для получения более устойчивых статистических характеристик необходимо получение большего объема измерений.
Благодарности
Мы приносим благодарность всем участникам экспедиций 2007 и 2008 гг. под руководством одного из авторов (и особенно мы благодарны учебному мастеру факультета почвоведения МГУ
Н. А. Шныреву). Также считаем своим долгом поблагодарить д.б.н. Д. Г. Замолодчикова и д.б.н. Д. В. Карелина, предоставивших возможность участия в организованной ими «воркутинской» экспедиции 2003 г. Особую благодарность хотелось бы выразить к.ф.-м.н. Ш. Ш. Максютову, оказавшему неоценимую помощь в организации экспедиций 2007 и 2008 гг.
Таблица 3
«Псевдоизмерения» эмиссии СН4 (мгС-м-2-ч-1) из плоско-бугристых болот в лесотундре, используемые в «стандартной модели»
Бугры (“раЫа”) на плоскобугристых болотах
-0.16243 0.05798 0.220224 0.291671 0.350461 0.377034 0.495147 0.04927
-0.05478 0.074839 0.238754 0.298888 0.362344 0.385263 0.518877
0.021533 0.097033 0.24624 0.346471 0.366748 0.476259 0.571562
Мочажины на плоскобугристых болотах
0.552557 1.023862 1.239404 1.331095 1.407108 1.593767 1.801509 0.917097
0.69667 1.092003 1.264785 1.336083 1.410055 1.598783 1.802276 1.221577
0.779669 1.199565 1.307186 1.357655 1.42444 1.747961 2.236394
Список литературы
1. Кароль И. Л. // Метеорология и гидрология. 1996. № 11. С. 5-12.
2. Крупчатников В. Н., Крылова А. И. // География и природные ресурсы. Спец. вып. «Труды международной конференции по измерениям. моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: Е1\МРОМ1Б-2004». 2004. С. 272-276.
3. Заварзин Г. А. // Природа. 1995. № 6. С. 3-14.
4. Глаголев М. В., Клепцова И. Е. // Мат-лы Рос. конф. «Седьмое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу». Томск, 2007. C.308-311.
5. Глаголев М. В., Смагин А. В. // Доклады по экологическому почвоведению. 2006. № 3. Вып. 3. С. 75-114.
6. Глаголев М. В. // Болота и биосфера: Сб. мат-лов 6-й научной школы (10-14 сентября 2007 г.). Томск, 2007. С. 33-41.
7. Шнырев Н. А.. Глаголев М. В. // Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: Прошлое и настоящее: Мат-лы II Междунар. полевого симпозиума (Ханты-Мансийск. 24 августа - 2 сентября 2007 г.). Томск, 2007. C. 144-146.
8. Smagin A. V.. Glagolev M. V. // Мат-лы междунар. полевого симпозиума «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее» (Ноябрьск. 18-22 августа 2001 г.). Новосибирск, 2001. С. 127-130.
9. Бек Дж., Блакуэлл Б., Сент-Клер Ч. мл. Некорректные обратные задачи теплопроводности. М., 1989. 312 с.
10. Тихонов А. Н., Гончарский A. B., Степанов B. B., Ягола А. Г. Численные методы решения некорректных задач. М., 1990.
11. Глаголев М. В. // Международная конференция по измерениям. моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: «ENVIR0MlS-2008» (Томск. 28 июня - 5 июля 2008 г.): Тез. докл. Томск, 2008. С. 74.
12. Лисс О. Л., Абрамова Л. И., Аветов Н. А., Березина Н. А., Инишева Л. И. и др. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. Тула, 2001. 584 с.
13. Глаголев М. В., Суворов Г. Г. // Доклады по экологическому почвоведению. 2007. Вып. 6. № 2. С. 90-162.
14. Naumov A. V., Huttunen J. T., Repo M. E., Chichulin A. V., Peregon A. M. et al // Proc. of the 2nd Int. Field Symposium “West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present” (Khanty-Mansiysk. August 24 - September 2. 2007). Tomsk, 2007. P. 132-135.
15. Peregon A.., Maksyutov S., Kosykh N. et al // Phyton (Austria) Spec. issue: «APgC 2004». 2005. V. 45. F. 4.
Глаголев М. В., младший научный сотрудник.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
Ленинские горы, Москва, 119899.
E-mail: [email protected]
Клепцова И. Е., студент.
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
Ленинские горы, Москва, 119899.
E-mail: [email protected]
Материал поступил в редакцию 10.09.2008
M. V. Glagolev, I. E. Kleptsova
METHANE EMISSION IN THE FOREST-TUNDRA: TOWARDS THE «STANDARD MODEL» (AA2) FOR WESTERN SIBERIA
The paper describes a conception of “standard model” for methane emission from the mires of Western Siberia. The “standard model” is a complex of (i) methane flux probability densities distributions for typical ecosystems of all natural zones, (ii) period of CH4 emission for all zones, and (iii) fraction of wetland area for all zones. We present experimental data (methane fluxes in forest-tundra) which are the components of “standard model” Aa1. The medians of methane fluxes from pa^, oligotrophic hollows, peat mats and poor fens are 0.14, 1.12, 11.86 and 1.28 mgC-m-2-h-1 accordingly.
All abovementioned values relate only to “period of methane emission” which is 120 days in forest tundra.
Key words: methane emission, Western Siberia, forest-tundra, раке mires.
Glagolev M. V.
Lomonosov Moscow State University.
Leninskie Gory, Moscow, Russia, 119899.
E-mail: [email protected]
Kleptsova I. E.
Lomonosov Moscow State University.
Leninskie Gory, Moscow, Russia, 119899.
E-mail: [email protected]
