CC BY
36
«Стандартная модель» (Ab4) эмиссии СН4 из болот Западной Сибири
УДК 631.4
«СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ» (AB4) ЭМИССИИ СН4 ИЗ БОЛОТ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
© 2009 М.В. Глаголев1, А.Ф. Сабреков2, Ш.Ш. Максютов3
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова;
e-mail: [email protected]
2 Югорский Государственный Университет; e-mail: [email protected]
3 Национальный институт изучения окружающей среды, Япония, г. Цукуба;
e-mail: [email protected]
«Стандартная модель» представляет собой совокупность периодов эмиссии, картографической основы и плотностей распределения вероятностей величин потоков из типичных экосистем. На основе модели Ab4 региональная эмиссия СН4 из болот Западной Сибири оценивается величиной 5,1 ± 2,4 ТгС-СН4/год.
Ключевые слова: метан, эмиссия парниковых газов, Западная Сибирь.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с тем, что метан сильно влияет на фотохимию атмосферы и является важным «пар-никовым» газом, динамика его концентрации в атмосфере учитывается в современных клима-тических моделях (см., например, [11] и ссылки там). Очевидно, что в такие модели обязательно должен входить в той или иной форме член, описывающий поверхностный источник метана.
Среди всех возможных источников метана главную роль играют болота [6]. Особый интерес в этом отношении представляют болотные экосистемы России (занимающие вместе с заболоченными мелкооторфованными землями примерно 21,6% ее территории [1]. Однако невозможно провести измерения в каждой географической точке, поэтому особое значение приобретают вычислительные подходы, позволяющие экстраполировать величины потоков на неисследованные территории.
Математическое моделирование эмиссии СН4 из почв развивалось, в основном, в традиционном ключе использования сосредоточенных или распределенных систем дифференциальных уравнений. Конкретно для Западной Сибири первый подход нашел отражение в [15], а второй - в [11]. Однако подобные модели содержат значительное число параметров, определить которые в региональном масштабе с достаточной степенью подробности пока не представляется возможным (хотя при описании отдельных хорошо изученных экосистем были получены обнадеживающие результаты). Задача данной работы состояла в обобщении результатов мониторинга региональной эмиссии метана с территории Западной Сибири в рамках иного подхода, называемого нами «стандартной моделью» (СМ). СМ представля-
ет собой совокупность периодов эмиссии метана (ПЭМ), электронной картографической основы и плотностей распределения вероятностей величин удельных потоков из типичных экосистем.
С появлением новых данных мониторинга СМ непрерывно совершенствуется, в связи с чем следует говорить об историческом ряде таких моделей. Для удобства было предложено обозначать СМ трехзначным кодом, в котором первый знак (прописная буква латинского алфавита) соответствует принятому в данной модели набору ПЭМ и определяет тип модели, второй (строчная буква латинского алфавита) - совокупности площадей различных типов болот и соотношению элементов микроландшафтов в них (класс модели), а третий (цифра) - системе типичных величин удельных потоков (серия модели).
В предлагаемой вниманию читателя работе мы описываем наиболее точную на сегодняшний день CM Ab4. В ней средняя площадь пространственной единицы составляет около 1400 км2, количество типичных ландшафтов увеличено до восьми. Также вновь пересмотрены характерные потоки за счет добавления большого массива новых измерений.
МЕТОДЫ И ОБЬЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Региональный поток (F, ТгС-СН4/год) вычисляется по формуле
l n m
F = Д-X Fk; Fk = XhSk-Tk; fk = £ (Vjk-aijk);
k=1 i=1 j=1
где /3 - коэффициент пересчета мг в Тг (Д = 10-15); Fk (мгС-СН4/год) поток метана из k-ой природной зоны (k = 1, 2..., l, l = 7: k = 1 лесостепь,
1463
Известия Самарского научного центраРоссийской академии наук. Т 11, № 1(7), 2009
k = 2 - подтайга, k = 3 - южная тайга, k = 4 -средняя тайга, k = 5 - северная тайга, k = 6 -лесотундра, k = 7 - тундра); fik (мгС-СН4 м-2 час-Д удельный поток метана с болотных комплексов i-ro типа в k-й природной зоне (i = 1, 2...и, n = 20 в соответствии с типологией западно-сибирских болот Романовой, как она описана в [20]); Sik (м2) - площадь болотных комплексов i-ro типа в k-й природной зоне (для подсчета площадей использовали электронную карту болотных комплексов Западной Сибири [20]); Тк (час/год) период эмиссии метана в k-й природной зоне (тундра- 2472, лесотундра- 2880, северная тайга - 3312, средняя тайга - 3984, южная тайга - 4128, подтайга - 4632, лесостепь - 4824); ai]k - доля ландшафта j-ro вида (j = 1, 2. m, m = 8: j = 1 приозерные сплавины, j = 2 мерзлые бугры, j = 3 гряды, j = 4 - олиготрофные мочажины, j = 5 - мезотроф-ные болота, j = 6 - эутрофные болота, j = 7 -внутриболотные озера, j = 8 - рямы) на болотах i-ro типа в k-й природной зоне (численные значения ai]k взяты из [20]); (p k - удельный поток метана из микроландшафта j-ro вида в k-й природной зоне (величины (p k получаются статистическим моделированием в соответствии с эмпирическими распределениями вероятностей по методу обратного преобразования [13]).
Эмпирические распределения вероятностей удельных потоков метана ((р k) для каждого типичного микроландшафта всех природных зон Западной Сибири строили на основании собственных экспериментальных данных и опубликованных измерений других иследовательских групп [14; 18; 19; 8].
Измерения удельных потоков СН4 осуществляли камерно-статическим методом как описано ранее см. [4; 5]. Эти измерения проводили в летне-осенние периоды, начиная с 1995 г., на десятках исследовательских полигонов (время и место измерений могло варьировать от года к году) во всех природных зонах Западной Сибири за исключением тундры и степи. Для болотных ландшафтов тундры в модели принимаются характерные удельные потоки, измеренные в вор-кутинской тундре и опубликованные в [2], а наличием болот в степи пренебрегаем. Конкретные исследовательские полигоны описаны нами ранее в публикациях, посвященных непосредственно экспериментальным исследованиям в той или иной природной зоне Западной Сибири -см. [3-5, 7-9].
Анализ неопределенности регионального потока, обусловленной неопределенностью удельного потока с микроландшафта J-ro вида в K-й природной зоне проводили следующим образом. Все (pjk ПРИ J ^ j, К # k фиксировали на уровне
медиан их распределений, а для <Pjk оставляли принятое в модели вероятностное распределение.
При заданных таким образом (pjk получали распределение регионального потока. В качестве численной оценки его неопределенности принимали разность третьей и первой квартилей.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Квартили всех эмпирических распределений вероятностей удельных потоков СН4 приведены в таблице 1. В основном эти распределения представляют собой (похожие на лог-нормальное) распределения «с длинным хвостом». Такие распределения действительно типичны для эмиссии метана - обсуждение этого вопроса и дальнейшие ссылки см., например, в [4]. Реже встречаются более симметричные распределения, похожие на нормальное. Наконец, есть распределения с несколькими максимумами. Если это не артефакт математического метода построения эмпирического распределения плотности вероятности, то последние могут получаться из-за объединения нескольких реальных классов объектов в рамках одного типичного класса ландшафта по [20]. Так, например, принято выделять крупномоча-жинные и мелкомочажинные комплексы [12], в то время как в [20] приводятся данные лишь для распространенности олиготрофных мочажин вообще.
Статистическое моделирование на основе CM Ab4 дало достаточно логичную картину географического расположения источников метана (рис. 1), связанных, в основном, с подтайгой и южной, а также (в несколько меньшей степени) со средней тайгой; севернее для образования метана не являются оптимальными температурные условия, а южнее - гидрологический режим. Получающееся в результате моделирования значение регионального потока СН4 с территории Западной Сибири составляет 5,1 ± 2,4 ТгС-СН4/ год.
Может показаться, что СМ дает лишь современный географический «срез» эмиссии метана и, казалось бы, не позволяет составить прогноз эмиссии в условиях изменения климата. На самом деле это не принципиальное, а скорее, техническое ограничение, которое в настоящее время может быть снято. Действительно, существуют работы (например, [10, 16] и др.), посвященные как прогнозированию локальных экосистемных преобразований, так и моделированию смещения природных зон при возможном изменении климата. Таким образом, предсказание эмиссии СН4 на основе СМ станет возможным при ее соединении с соответствующими биоклиматическими моделями.
1464
«Стандартная модель» (Ab4) эмиссии СН4 из болот Западной Сибири
Анализ чувствительности и неопределенности (табл. 2) показал, что по вкладу в неопределенность регионального потока типичные болотные ландшафты можно разделить на несколько групп. Нули в табл. 2 объясняются тем, что в данной зоне нет соответствующих ландшафтов (например, в тундре не может быть рямов и гряд). Но при этом следует различать две ситуации: действительное отсутствие данных ландшафтов в природе (как в только что приведенном примере) и недоработки электронной карты (в частности, очевидно, что переходные болота должны существовать и в средней, и в южной тайге). Наибольшие неопределенности имеют потоки из рямов и гряд средней и южной тайги, олиготроф-ных мочажин болот северной и средней тайги, эвтрофных болот южной тайги, подтайги и лесостепи, а также внутриболотных озер северной и южной тайги (порядка 102 ктС каждая).
Для использования СМ совместно с современными биоклиматическими моделями необходимо предусмотреть возможность описания сезон -ного хода эмиссии СН (поскольку временной шаг в моделях часто принимается меньше года, например, 1 месяц). В связи с этим в Ab4 принята линейная зависимость эмиссии от температуры предыдущего месяца (если она положительна, в противном случае эмиссия принимается равной нулю). Принятая «зависимость с месячным за-
о
ктСОЦгод
Рис. 1. Карта-схема годовой эмиссии метана, выдаваемая моделью Ab4. (Точками изображено местоположение основных исследовательских полигонов измерения эмиссии метана).
паздыванием» позволяет достаточно хорошо описать экспериментальные данные (рис. 2).
Рис. 2. Эмиссия метана в районе исследовательского полигона на Бакчарском болоте (из полуградусной ячейки с центром 59,75°с.ш., 82,25° в.д.). (Кружками изображены данные, пересчитанные из результатов измерений [17]; (непрерывной линией - расчет по модели, предполагающей зависимость средней эмиссии в текущем месяце от средней температуры воздуха текущего месяца; прерывистой линией - расчет по модели, предполагающей зависимость средней эмиссии в текущем месяце от средней температуры воздуха предыдущего
месяца)
1465
Известия Самарского научного центраРоссийской академии наук. Т 11, № 1(7), 2009
Таблица 1. Типичные величины потоков СН4 (мгС м -2-ч-1) в экосистемах Западной Сибири для летне-осеннего периода (в числителе - медиана, в знаменателе - 1-я и 3-я
квартили).
Болотный ландшафт Природная зона или подзона
Тундра Лесо- тундра Тайга Под- тайга Лесо- степь
Северная Средняя Южная
Мерзлые бугры -0.03 -0.12,0.01 0.20 0.03,0.28 0.00 -0.05,0.01 Мерзлые бугры в средней и южной тайге, а также подтайге и лесостепи отсутствуют
Рямы Рямы и гряды в тундре и лесотундре отсутствуют 0.01 0.02 1.23 0.26
-0.02,0.27 0.27,2.92 -0.11,0.42
Гряды -0.03,0.44 0.45 0.23,0.65 1.69 0.94,2.72
Мочажины и гальи олиго- трофные 0.06 1.12 0.34 0.80 2.98 2.68
0.03,0.42 0.77,1.37 0.12,1.53 0.15,1.90 1.80,4.30 1.88,3.46
мезо-трофные 0.47 1.28 0.68 0.91 0.21,2.10 4.00 8.53
эвтроф-ные 0.07,1.82 0.70,2.52 0.13,4.64 1.97 0.82,2.47 2.48,7.50 2.47,16.3
Приозерные сплавины 4.81 1.64
2.73,7.07 0.55, 13.44
Внутриболот-ные озера 0.55 1.40 0.33 5.30
0.26,1.36 0.14,2.74 0.10,0.96 0.27,23.66
Таблица 2. Неопределенности потока СН4 (ктС год-1), вносимые в региональный поток типичными болотными экосистемами Западной Сибири.
Природная зона или подзона
Болотный ландшафт Тундра Лесо- Тайга Под- Лес!
тундра Северная Средняя Южная тайга cmei
Мерзлые бугры 4.73 3.04 3.80 0.02 0 0 0
Рямы 0 0 16.71 357.61 326.47 50.52 0.1
Г ряды 0 0 10.51 244.87 144.74 4.99 0
Моча-жины олиготрофные 2.00 5.67 174.37 128.95 78.87 2.96 0
и мезотрофные 0.01 0.48 20.64 0 0 0.16 0
гальи эвтрофные 94.96 7.06 2.62 6.06 117.77 306.49 124.8
Приозерные сплавины 0 0.05 35.76 68.70 18.06 0.87 0
Внутриболотные озера 2.77 6.46 131.60 1.73 208.04 4.59 0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вомперский С.Э., Сирин А.А., Цыганова О.П., Валяева Н.А., Майков Д.А. Болота и заболоченные земли России: попытка анализа пространственного распределения и разнообразия // Изв. РАН. Сер. географ. 2005. № 5. С. 21-33.
2. Глаголев М.В., Смагин А.В. Приложения MATLAB для численных задач биологии, экологии и почвоведения. М.; 2005. 200 с..
3. ГлаголевМ.В., Суворов Г.Г. Эмиссия метана болотными почвами средней тайги Западной Сибири (на примере Ханты-Мансийского автономного округа) // Доклады по экологическому почвоведению (электронный журнал), Вып. 6, № 2. С. 90-162. URL: http://jess.msu.ru/ index.php?option=com_scibibliography&func= view&id=5 5 &Itemid= 121 &catid=65.
4. ГлаголевМ.В., ЧистотинМ.В., ШныревН.А., Сирин А.А. Летне-осенняя эмиссия диоксида
углерода и метана осушенными торфяниками, измененными при хозяйственном использовании, и естественными болотами (на примере участка Томской области) // Агрохимия. 2008. № 5. С. 46-58.
5. Глаголев М.В., Шнырев Н.А. Летне-осенняя эмиссия СН4 естественными болотами Томской области и возможности ее пространственно-временной экстраполяции // Вестник МГУ, сер. Почвовед. 2008. № 2. С. 24-36.
6. Заварзин Г.А. Микробный цикл метана в холодных условиях // Природа. 1995. № 6. С. 314.
7. Казанцев В.С., Глаголев М. В. Эмиссия СН4 в подзоне северной тайги: «стандартная модель» Аа3 // Динамика окружающий среды и глобаль -ные изменения климата: Сб. науч. тр. кафедры ЮНЕСКО Югорского гос. ун. Вып. 1 Новосибирск. 2008. С. 200-207.
8. Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г. Углеродный
1466
«Стандартная модель» (Ab4) эмиссии СН4 из болот Западной Сибири
обмен в криогенных экосистемах. М.: Наука. 2008. 344 с.
9. Клепцова И.Е., Корнюшенко Е.Г., Елаголев М.В. Эмиссия СН4 в подзоне лесотундры: «стандартная модель» Аа3 // Динамика окружающий среды и глобальные изменения климата: Сб. науч. тр. каф. ЮНЕСКО Югорского гос. ун. Вып. 1. Новосибирск. 2008. С. 191-199.
10. КоломыцЭ.Е. Локальные механизмы глобальных изменений природных экосистем. М.: Наука. 2008. 427 с.
11. Крупчатникое В.Н., КрылоеаА.И. Моделирование эмиссии метана от природных избыточно увлажненных почв и гидрологии поверхности с учетом топографии // География и природные ресурсы. Спец. вып. 2004. С. 272-27б.
12. ЛиссО.Л., АбрамоеаЛ.И., Аеетое Н.А. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение. Тула: Гриф и Ко, 2001.584 с.
13. Харбух Дж., Бонэм-Картер Г. Моделирование на ЭВМ в геологии. М.: Мир. 1974.
14. Слободкин А.И., Паников Н.С., Заварзин Е.А. Образование и потребление метана микроорганизмами в болотах тундры и средней тайги / / Микробиология 1992. Т. 61, № 4. С. 683-691.
15. Glagolev M.V Modeling of Production, Oxidation and Transportation Processes of Methane // Global Environment Research Fund: Eco-Frontier
Fellowship (EFF) in 1997. Tokyo: Environment Agency. Global Environment Department. Res. & Inform. Office, 1998. - P. 79-111.
16. GolubyatnikovL.L. // Международная конф. «ENVIROMIS-2008»: Тез. докл. Томск: Изд-во Томского ЦНТИ, 2008. С. 90.
17. Maksyutov S., Inoue G., Sorokin M. Methane fluxes from wetland in west Siberia during April-October 1998 // Proc. of the Seventh Symp. on the Joint Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia in 1998. - Tsukuba: Isebu. 1999. P. 115124.
18. Naumov A.V. Emission of CH4 and CO2 in connection with temperature conditions of peat bog soils in the northern taiga subzone // Proc. of the Intern. Field Symp. West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present 2001. P. 110-112.
19. Naumov A.V, Huttunen J.T., Repo M.E. West Siberian peatlands: comparative study ofgreenhouse gas emission in middle taiga and forest tundraclimatic conditions // Proc. of the Second Intern. Field Symp. West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present Tomsk: Изд-во НТЛ, 2007. P. 132-135.
20. Peregon A., Maksyutov S., Kosykh N., Mironycheva-Tokareva N. Map-based inventory of wetland biomass and net primary production in western Siberia // J. of Geophys. Res. 2008. V. 113. doi:10.1029/2007JG000441.
«STANDARD MODEL» (AB4) OF CH4 EMISSION FROM WEST SIBERIAN MIRES
© 2009 M.V. Glagolev1, A.F. Sabrekov2, Sh.Sh. Maksyutov3
1 Moscow State University, Moscow; e-mail: [email protected],
2 Center for Global Environmental Research; e-mail: [email protected] 3 National Institute for Environmental Studies, Japan, Ibaraki, Tsukuba, Onogawa;
e-mail: [email protected]
«Standard model» presents summation of emission periods, cartographical foundation and density functions of probability distribution of methane flux’s value from typical ecosystems. Regional CH4 emission from West Siberian mires is estimated in 5,1±2,4 TgC-CH4 per year on the basis of model Ab4.
Key words: methan, emission of greenhouse gases, West Siberia.
1467
