Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы 6
Образование метана микроорганизмами 6
Образуют ли растения метан? 10
Потребление метана (микробиологический аспект) 13
Взаимосвязь потребления метана с его изотопным составом 16
Транспорт метана 18
Эмиссия метана и ее связь с факторами внешней среды 22
Математическое моделирование эмиссии метана 32
Эмиссия метана из почв России 36
Краткая история изучения эмиссии метана в Западной Сибири 39
Глава 2. Места исследований 43
Общий обзор 43
Описание основных ключевых участков 49
Глава 3. Методы исследований 61
Методы отбора проб газов из почвы 61
Измерение интенсивности продукции метана in situ 61
Измерение интенсивности потребления метана in situ 62
Измерение потенциальной интенсивности потребления метана 63
Измерение эмиссии метана методом статических камер 63
Аналитическая техника 64
Градиентный метод 65
Сопутствующие измерения 66
Региональная экстраполяция эмиссии метана 66
Глава 4. Внутрипочвенные процессы с участием метана 68
Образование метана 68
Транспорт метана 74
Потребление метана 84
Глава 5. Эмиссия метана с поверхности почвы в атмосферу 99
Эмиссия СН4: динамика во времени и влияние температуры 99
Эмиссия СКЦ: изменчивость в пространстве и влияние факторов среды 107
Заключительные замечания о действии факторов среды на эмиссию 114
Глава 6. Математическая модель эмиссии и региональная оценка . 121
Динамическая математическая модель эмиссии метана 121
Региональная оценка эмиссии метана 137
Заключение 151
Благодарности 153
Литература 157
Приложения 193
- Потребление метана (микробиологический аспект)
- Описание основных ключевых участков
- Измерение интенсивности продукции метана in situ
- Потребление метана
Введение к работе
Актуальность проблемы. Одна из главных экологических функций почвенного покрова – регуляция газового режима на планете, поскольку в почвах осуществляются процессы аккумуляции и разложения органических веществ, замыкаются природные круговороты газов и паров, происходит иммобилизация активных и вредных для жизни летучих химических соединений, загрязняющих атмосферу [Смагин, 2005]. Проблема почвенных газов стала на наших глазах междисциплинарной. В первую очередь это вызвано пришедшим пониманием экологической роли газов почвенного происхождения в функционировании биологических сообществ и атмосферы [Орлов с соавт., 1987]. Уже относительно давно стало ясно, что успешное решение проблемы долгосрочного прогнозирования климатического эффекта парниковых малых газовых составляющих атмосферы невозможно без знания распределения наземных источников и стоков [Минько, 1988]. Болотные почвы оказывают существенное влияние на газовый состав атмосферы. С одной стороны, они обладают уникальной способностью долговременного изъятия CО2 из атмосферы путем связывания углерода в торфе. С другой стороны, они в то же время являются одним из основных природных источников метана – газа, в 39 раз (для периода 20 лет) превышающего СО2 по величине прямого потенциала глобального потепления [Кароль, 1996]. Метан, поступающий из болот, особенно важен для России, где торфяные болота вместе с заболоченными мелкооторфованными землями занимают около 21.6% территории [Вомперский, 1994]. Значительный вклад в глобальную эмиссию метана может вносить Западная Сибирь – крупнейший болотный регион планеты.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение потока метана в болотах Западной Сибири на различных пространственно-временных масштабах.
Конкретные задачи исследования включали:
-
Оценить соотношение процесса генерации и окисления метана.
-
Оценить соотношение процессов транспорта метана (диффузионный, пузырьковый и связанный с растениями).
-
Выявить зависимость эмиссии метана от факторов внешней среды.
-
Оценить эмиссию метана из болот Западной Сибири.
Научная новизна и практическое значение работы. Впервые оценены характерные величины потока метана для типичных элементов болотных комплексов во всех природных зонах Западной Сибири. На основе полученной информации также впервые построена электронная карта эмиссии метана из болот Западной Сибири.
Полученная в работе информация о характерных величинах потоков СН4 и их зависимостях от температуры и уровня стояния болотных вод, может быть использована для обеспечения современных моделей цикла углерода и биоклиматических моделей. Опубликованные нами оценки эмиссии метана с естественных и осушенных болот юга Западной Сибири были отражены в документе «Оценка торфяных болот в связи с биоразнообразием и изменением климата», принятого Конвенцией о биологическом разнообразии (решение 9/16 КС 9, май 2008 г.) и представленного для Рамочной конвенции ООН об изменении климата и Киотского протокола, в качестве материалов для расчета изменения эмиссии углеродсодержащих парниковых газов при антропогенном изменении естественных заболоченных территорий.
Кроме того, проведенные исследования используются в учебно-образовательном процессе на ф-те почвоведения МГУ (при чтении лекции о парниковых газах в курсе «Экология» на отделении экологии).
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены более чем на 40 научных совещаниях, симпозиумах, конференциях отечественного и международного уровня, среди которых
Всероссийская конференция «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003);
Всероссийская конференция «Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации» (Москва, 2005);
конференция «Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования» (Западная Двина, 1999);
конференция «Биосферные функции почвенного покрова», посвященная 100-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР В.А. Ковды (Пущино, 2005);
конференция «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2001);
конференция «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии»: национальная с международным участием (Пущино, 2000), II международная (Пущино, 2003) и III международная (Пущино, 2007);
международная конференция по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде «CITES-2009» (Красноярск, 2009);
международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды «ENVIROMIS-2008» (Томск, 2008);
международная научно-практическая конференция «Проблемы изучения и использования торфяных ресурсов Сибири» (Томск, 2009);
международный научно-практический конгресс «Экология России» (Москва, 1994);
международный симпозиум «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001);
международный полевой симпозиум «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода - Прошлое и настоящее»: I (Ноябрьск, 2001) и II (Ханты-Мансийск, 2007);
научные школы «Болота и биосфера»: III (Томск, 2004), IV (Томск, 2005), V (Томск, 2006) и VI (Томск, 2007);
национальная конференция с международным участием «Математическое моделирование в экологии» (Пущино, 2009);
Пущинские школы-конференции молодых учёных «Биология – наука XXI века»: VI (Пущино, 2002), VII (Пущино, 2003), VIII международная (Пущино, 2004) и X (Пущино, 2006);
рабочее совещание «Климаты и цикл углерода: прошлое и современность» (Москва, 1998);
Российская конференция "Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу": VI (Томск, 2005), VII (Томск, 2007) и VIII (Томск, 2009);
съезды докучаевского общества почвоведов: III (Суздаль, 2000) и VI (Новосибирск, 2004);
III международная молодежная школа-конференция «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2007)
VI международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008);
3rd International Symposium on anaerobic digestion of solid wastes (Germany, Mnich, 2002)
VI International Wetland Symposium «Quebec 2000: Millennium Wetland Event» (Canada, Quebec, 2000);
13th International Peat Congress (Ireland, Tullamore, 2008)
EGU General Assembly 2008 (Austria, Vienna, 2008);
Int. Workshop on Sustainable Landfill Management (India, Chennai, 2003);
Symposium «Eco-Frontier Fellowship in 1997» (Tokyo, 1998);
Symposium on the Joint Siberian Permafrost Studies between Japan and Russia: VI (Sapporo, 1998), VII (Tsukuba, 1999), VIII (Tsukuba, 2000), IX (Sapporo, 2001).
Также материалы диссертации были представлены на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 101 работа, в том числе, 11 статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 9 статей в прочих журналах, 14 статей в сборниках научных трудов, 38 статей в материалах конференций, 27 – в тезисах конференций и некоторая часть материалов диссертации нашла отражение в отдельных главах 2 монографий.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, проанализированы результаты, сделаны итоговые выводы, разработаны теоретические положения и математические модели. Автор спланировал и организовал проведение полевых экспериментов и экспедиций 1999-2009 гг. Большая часть экспериментального материала получена автором (1995-1999 гг.) или под его руководством (2000-2009 гг.). в коллективных экспедиционных исследованиях в Западной Сибири лабораторий «Почвенной микробиологии и биокинетики» (1995-1998 гг.) и «Микробиологии антропогенных местообитаний» (1999-2004 гг.) Института Микробиологии РАН, а также кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ (2005-2009 гг.). Автором также написаны компьютерные программы для статистической обработки данных и реализации математических моделей. Анализ стабильных изотопов углерода СН4 и СО2 выполнен В.Е. Ерохиным (Российский институт минерального сырья, Москва); результаты этих анализов представлены в совместных научных публикациях [Глаголев с соавт., 2000; Glagolev et al., 2000; Glagolev et al., 2000a; Глаголев с соавт., 2001; Glagolev et al., 2001; Лебедев с соавт., 2005]. Из общего числа (101) публикаций по теме диссертации полностью автором была написана 51 работа.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 211 страницах машинописного текста и включают 31 рисунок и 21 таблицу. Диссертация состоит из Введения, 6 глав (содержащих обзор состояния проблемы, описание объектов и методов исследования, а также полученные результаты и их обсуждение), заключения, списка литературы (383 наименования, в т.ч. 261 на иностранных языках), а также 4 приложений, содержащих тексты программ на языке MATLAB, написанных автором.
Потребление метана (микробиологический аспект)
Эмиссия метана из анаэробных зон ограничивается его окислением [Cicerone and Oremland, 1988]. Изучение распространения метанокисления в болотах очень важно в связи с проблемой предсказания изменений глобального потока метана при изменении в будущем условий внешней среды (например, при повышении температуры, уровня стояния воды и др.), что может привести как к уменьшению, так и увеличению окисления метана.
Бактериальное потребление СЩ может происходить в результате как аэробного, так и анаэробного окисления. Анаэробное потребление СН4 на протяжении длительного времени считалось микробными экологами спорным, но аргументы, представленные в защиту анаэробного окисления с геохимической точки зрения, оказались убедительными. Однако такой процесс потребления метана активно идет в морских и солоноватых осадках, обычно в основании зоны сульфатредукции [IVhiticar, 1999], для пресноводных экосистем (болот) он особого значения не имеет, поэтому в дальнейшем мы его не рассматриваем.
Аэробное окисление СН4 - это обычный процесс в пресноводных местообитаниях, например в самых верхних слоях (мощностью порядка сантиметров) болотных или озерных отложений, а также в почвах [Whiticar, 1999]. Классическую схему процесса см. на рис. 2.
Метанокисляющим (метанотрофным) бактериям посвящены фундаментальные работы Р. Виттенбари, который в 1960-х гг. почти исчерпывающе описал их разнообразие [Заварзин, 1995].
Метанотрофные бактерии составляют уникальную группу аэробных микроорганизмов, способных использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Эта способность присуща исключительно только прокариотным организмам, и связана она с обладанием метанмонооксигеназой (ММО) — ключевым ферментом метанотрофных бактерий, катализирующим окисление СН4 до СНзОН. На основании различий в организации внутрицитоплазматических мембран, ряда фенотипических и хемотаксономических характеристик, а также метаболического пути, используемого для ассимиляции углерода, все метанотрофные бактерии были разделены на две группы - тип I и тип II [Whittenbury et al., 1970]. Введение в 80е 90е годы XX века филогенетических принципов в систематику бактерий полностью подтвердило правомочность разделения метанотрофньк бактерий на эти две группы. Сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей 16S рРНК представителей метанотрофов I и II типов показал их принадлежность к двум филогенетически различным группам бактерий в пределах классов Gammaproteobacteria и Alphaproteobacteria, соответственно [Tsuji et al., 1990; Hanson and Hanson, 1996]. В пределах Gammaproteobacteria ныне описано 9 родов метанотрофных бактерий: Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylomicrobium, Methylosar сіпає, Methylosphaera, Methylocaldum, Methylohalobius и Methylothermus. В пределах Alphaproteobacteria известны 4 рода метанотрофов: Methylosinus, Methylocystis, Methylocella и Methylocapsa. Метанотрофы были излюбленным объектом микробиологов до 1990-х гг., т.е. до тех пор, пока их считали перспективным источником для получения белка из одноклеточных организмов [Заварзгш, 1995]. Десятилетия исследований типовых культур этой группы бактерий привели к созданию концепции облигатной метанотрофии, в соответствии с которой метанотрофы способны расти только на С і-соединениях. Научный диспут о существовании факультативных метанотрофов, т.е. бактерий, способных использовать как Отсоединения, так и соединения, содержащие С-С связи, имеет достаточно длинную и скандальную историю. Первая заявка на описание бактерии, способной расти как на метане, так и на глюкозе, была сделана группой Р. Хансона, США [Patt et al., 1974, 1976]. Описанный этими авторами организм получил название Methylobacterium organophilum XX и является типовым видом рода Methylobacteriwn. Однако все попытки воспроизведения экспериментов по росту этой бактерии на метане другими научными коллективами потерпели полную неудачу. Для объяснения такого казуса авторами была выдвинута гипотеза о плазмидной локализации гена, кодирующего способность к окислению метана у М. organophilum XX, и об утере плазмиды в процессе лабораторного культивирования организма. Так или иначе, способность к окислению метана была снята из перечня метаболических характеристик представителей рода Methylobacterium [Green and Bousfield, 1983]. В период с 1978 по 1984 гг. был описан целый ряд других «факультативных метанотрофов» [Patel et al., 1978; Lynch et al., 1980; Zhao and Hanson, 1984]. Эти описания также были признаны ошибочными: либо способность изолятов к росту на метане была нестабильна, либо они при дальнейшем исследовании оказались синтрофными ассоциациями метанотрофа и неметанотрофного организма [Lidstrom О Connor et al., 1983].
Однако явление факультативной метанотрофии все же существует. Впервые абсолютно надежно оно было экспериментально доказано для ацидофильных метанотрофных бактерий рода Methylocella [Dedysh et al., 2005], которые пока являются единственными известными факультативными метанотрофами. Особенно приятно то, что впервые эти бактерии были выделены именно российскими микробиологами из сфагновых болот бореальной зоны (Бакчарское болото в Бакчарском районе Томской обл.) и зоны тундры, а также из кислых лесных почв [Dedysh et al., 2000, 2004; Dunfleld et al., 2003]. В отличие от всех других ныне известных метанотрофов, представители рода Methylocella не имеют мембранной ММО, а обладают лишь одной растворимой формой этого фермента. Они способны использовать в качестве ростовых субстратов не только метан и метанол, но и некоторые органические кислоты, такие как ацетат, пируват. сукцинат и малат, а также этанол. Чистота и идентичность культур, растущих на метане и ацетате, была продемонстрирована путем применения целой совокупности различных молекулярных методов. При одновременном наличии в среде метана и ацетата потребляется ацетат, а после исчерпания последнего немедленно возобновляется потребление метана [Dedysh etal., 2005]. Исследование молекулярных механизмов регуляции окисления метана у этих организмов выявило, что при наличии в среде ацетата не происходит экспрессии генов, кодирующих ММО [Theisenet al., 2005]. Таким образом, клетки Methylocella могут переключаться с использования одного субстрата на другой и сохранять высокую физиологическую активность и в периоды отсутствия достаточных количеств метана в болотном профиле. Существование факультативной метанотрофии вносит коррективы в ранее принятое представление о том, что доступность СНц является единственным энергетическим фактором, регулирующим процессы его микробного окисления в природных экосистемах.
Описание основных ключевых участков
Тундра №1: «Тазовский» (67.1 с.ш., 78.9 в.д.) - мезотрофные и олиготрофные болота, занимающие примерно равные площади в 35 км к ЮЮВ от пос. Тазовский (Ямало-Ненецкий Автономный Округ) на правобережной террасе р. Лукыяха (левый приток р.Таз). Плоскобугристые комплексы занимают незначительную часть площади. Слабодренированные водоразделы заняты обводненными мезотрофными осоково-гипновыми топями «северного типа», крупноосоковыми хасыреями и олиготрофными осоково-пушщево-сфагновыми топями «северного типа». Последние в целом сходны по строению и жизненным формам растений с таковыми в типичных олиготрофных топях, но есть ряд отличий в списке видов растений: на место Carex limosa приходит С. rotudata, шейхцерия полностью выпадает. Ощутимую роль (в некоторых случаях абсолютный доминант) играет Eriophorum nisseolum, которая в южных топях почти всегда присутствует только в качестве примеси. В сфагновом покрове основным доминантом становится S. lindbergii, остальные топяные сфагны переходят в подчиненное положение. В некоторых случаях в моховом покрове таких топей существенную роль играет Warnstorfia fliritans.
На дренированных густой сетью хорошо врезанных рек участках водоразделов, небольшие мелкозалежные болота занимают понижения в рельефе и долины самих рек и ручьев. Растительность таких долинных болот представлена мезотрофными ивняками с выраженным моховым ярусом. Торфяная залежь маломощная - от десятков сантиметров до 1 метра. Кроме болот, измерения проводились на первичных (с минеральным дном) внутриболотных озерах.
Лесотундра №2: «Новый Уренгой» (66.5 с.ш.. 76.5 в.д.) — плоскобугристый комплекс в междуречье рек Табьяхи и Нгарка-Табьяхи (50 км к северу от г. Новый Уренгой, ЯН АО). Преобладают плоские кутарничково {Ledum а?есит6еи.у)-лишайниковые {Cladonia stellaris, Cladonia rangiferina) мерзлые бугры в комплексе с олиготрофными пушицево {Eriophorum гш\уео/шя)-сфагновыми {Sphagnum linbergii, S.jensenii, S. balticum) и осоково (С. rotundataycfyaniOBbmu мочажинами (в сумме этот комплекс составляет 70% общей площади озерно-болотных систем). Небольшие (10%) площади заняты эвтрофными ерниково {Betula папа)-сфагново-гипново-печеночниковыми мелкозалежными болотами. Около 20% площади занимают крупные первичные (с песчаным дном) и мелкие вторичные (с торфяным дном) озера. №3: «Пангоды» (65.9 с.ш., 75.0 в.д.) - плоскобугристые комплексы в истоках реки Правая Хетта (30 км к востоку от пос. Пангоды, Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Преобладают плоскобугристые комплексные болота, которые включают плоские кустарничково {Ledum decumbens) лишайниковые (виды из родов кладония, цетрария, аллектория) бугры, пушицево {Е. russeolum)-ocoKOBO {Carex chordorrhyza, Carex rotundata)-uoxoBb\& {Sphagnum lindbergii, S.jensenii, Warnstorfiaflititans) талые мочажины и озерки разного происховдепия. Плоские бугры, мочажины и озерки вносят примерно равный вклад в состав комплекса (т.е. около 30%). №4: «Пангоды-Хасырей» (65.8 с.ш., 75.5 в.д.) - плоскобугристый комплекс в верховьях р. Б. Ямсовей (50 км к юго-западу от г. Новый Уренгой, Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Для данного плоскобугристого комплекса помимо мерзлых кустарничково-лишайниковых бугров и осоково-моховых мочажин, характерны крупные (1-3 км2) спущенные озера - "хасыреи". Растительность в хасыреях представлена сомкнутыми зарослями осоки водяной (С. aquatilis), под ее пологом с небольшим проективным покрытием встречаются мезотрофные мхи {Sphagnum subsecundum, S. squarrosum, S. riparium, Warnstorfiafluitans, Scapania paludosa). В некоторых случаях, в хасыреях представлен кустарниковый ярус из ив (Salix lapomtm, S. myrtilloides и др.). Примерное распределение по площадям: первичные и вторичные озера - 20%, плоские бугры - 30%, мочажины - 30%, хасыреи - 20%.
Северная тайга №5: «Пурпе» (64.46 с.ш., 77.07 в.д.) - водораздельный плоскобугристый комтекс с многочисленными первичными озерами, на правом берегу р. Пякупур в 20 км к востоку от пос. Пурпе (Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Озера занимают около половины площади комплекса. №6: «Ноябрьск-Пальза» (63.8 с.ш., 75.5 в.д.) - плоскобугристо-озерный комплекс в междуречье рек Пякупура и Апакапура (70 км к северу от г. Ноябрьск, Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Преобладают плоские кстарничково-лишайниковые бугры с олиготрофными пушицево-сфагновыми и осоково-сфагновыми мочажинами. Примерно половину площади озерно-болотного комплекса занимают озера с минеральным (песчаным) дном. №7: «Ноябрьск-ГМОК» (63.0 с.ш., 75.2 в.д.) - озерно-болотный комплекс в истоках реки Айкаеган (20 км к юго-западу от г. Ноябрьск, Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Комплексное грядово-мочажинное болото, характерной особенностью которого является чередование олиготрофных, большей частью мерзлых сосново-кустарничково (Ledumpalustris, Chamaedaphne calyculata, Andromeda ро1у/оПа)-пяшшяяково-сфатовых (S.fuscum) гряд и мезотрофных талых осоково (С. limosa, С. lasiocarpa, С. гау/га/я)-сфагновых (S.jensenii, S. subsecundum, S. papillosum) мочажин. №9: «Ноябрьск-Денна» (63.2 с.ш., 76.4 в.д.) - мезотрофные осоково-хвощево-моховые болота в древней долине реки Денна (истоки реки Вынгапур в 45 км к востоку от г. Ноябрьск, Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Для этого участка характерны небольшие по площади вытянутые вдоль рек Тлятсяйяха, Чукусампль, Денна и др. мезотрофные болота с доминированием осок (С. chordorrhyza, С. rostrata), вахты, хвоща (E.fluviatile), гипновых (Warnstorfiafluitans, Drepanocladus aduncus) и сфагновых (S. suhsecundum, S. squarrosum, S. obtusum) мхов. №10: «Ноябрьск-Холмы» (63.1 с.ш., 74.3 в.д.) - крупнобугристые комплексы на северной окраине Сургутского Полесья (истоки р. Итуяха, 50 км к западу от г. Ноябрьск, Ямало-Ненецкий Автономный Округ). Преобладают комплексы сложенные крупными (до 5 м высотой) буграми, пушицево-гипновыми топями и вторичными озерками. Небольшую площадь занимают талые грядово-мочажинные комплексы с олиготрофными и мезотрофными мочажинами и кустарничково-сфагновыми грядами, незначительную площадь занимают плоские бугры и рям с сильно угнетенной сосной. №11: «Ортъягун» (62.5 с.ш., 74.9 в.д.) - озерно-болотный комплекс Сургутского Полесья в междуречье рек Айкаеган и Ортъягун (75 км к югу от Ноябрьска вдоль ж/д, Ханты-Мансийский Автономный Округ). Преобладают первичные озера с песчаным дном (50-70%), между озерами располагаются олиготрофные комплексы из островков ряма, гряд, мочажин и топей. Часть площади занята мезотрофными осоково-сфагновыми болотами с редкой березой.
Измерение интенсивности продукции метана in situ
Для отбора проб газов использовали два методических подхода (в зависимости от той цели, для которой производился отбор проб): 1) Отсасывание иглой-буром Ястребова, погруженным на заданную глубину в почву [Вадютша и Корчагина, 1973; Орлове соавт., 1987] (такой способ использовался для взятия проб газа на изотопный анализ, как это и рекомендуют Robertson and Bracewell [1979]). 2) Отбор из стационарно установленных на разных глубинах в почве «газовых трубок» (полые металлические трубки с несколькими отверстиями на нижнем конце [Макаров, 1975]). Использовались очень тонкие трубки (0=1-2 мм). Чтобы предотвратить поступление атмосферного воздуха в трубку (и через нее - в почву), верхний конец трубки (через который осуществлялся пробоотбор) был герметично закрыт резиновой пробкой. Отбор проб осуществлялся шприцем, игла которого вводилась сквозь резиновую пробку. Этот метод применялся при взятии проб для определения интенсивности продукции метана in situ. Измерение интенсивности продукции метана in situ
Измерение мощности источника метана в профиле почвы осуществляли с помощью метода, известного в прикладной физике как «метод обращения математической модели» [Maijввитый и Лушпенко, 1990], но давно вошедшего в практику исследований интенсивности продукции газов в почвах (в лабораторных условиях) как в нашей стране (под специфическим названием «послойно-балансового метода» [Орлов с соавт., 1987: с. 150]), так и за рубежом ([Alperin et ah, 1988: eq. 6]).
Концепция метода [Glagolev, 1998] такова: для некоторого объема почвы записывается уравнение динамики концентрации газа (уравнение сохранения массы) и для этого уравнения решается обратная задача — по динамике экспериментально измеряемого поля концентраций находится распределение мощности источников — i?Prod( z). Можно показать, что при определенных легко реализуемых in situ условиях (удаление растений, изоляция исследуемого объема почвы от поступления кислорода из атмосферы и от обмена с окружающей почвой в латеральном направлении) имеем
RProd(t, -) 5[CH4]/5t - DfiCiUVdz2, где [СН4] - концентрация метана в момент времени t на глубине z; D -эффективный коэффициент диффузии СН4 в почве [Glagolev, 1998; Смагин и Глаголев, 2004]. Итак, для определения in situ интенсивности продукции газа необходимо отследить динамику его концентрационного профиля и выполнить вычисления в соответствии с вышеприведенным уравнением. Пробы газа (или жидкости) из толщи торфа отбирали посредством трубок (ф = 1 мм) из нержавеющей стали. Эффективный коэффициент диффузии определялся по методу, описанному в [Смагин и Смирнов, 1996]. Дифференцирование экспериментально полученных зависимостей [СН4] от t и z осуществляли после сглаживания по программе SPL06W01 из [Носач, 1994]. Измерение интенсивности потребления метана in situ
Измерение интенсивности потребления (окисления) СЩ основано на масс-спектрометрическом определении изотопного состава углерода метана, поскольку хорошо известно [Alperin et al., 1988; WJiiticar, 1999], что метанокисляющие микроорганизмы вовлекают в свой метаболизм предпочтительно 12СН4, т.е. остающийся метан (в сравнении с метаном исходным) оказывается обогащен тяжелым изотопом 13С - см. выше разд. «Взаимосвязь потребления метана с его изотопным составом». Для расчета доли (г) метана, окисленного в некотором слое (при движении СН4 от одного почвенного слоя к другому) использовалась формула, основанная на теории Рэлея: г = 1 - ехр{(5 - 50)/1000/(1/а - 1)}, где 8 - изотопный состав метана в том почвенном слое, для которого рассчитывается количество окисленного метана; 50 - изотопный состав метана в том слое, относительно которого ведется расчет (т.е. в том слое, в котором метан образуется и где его больше, поскольку он еще не успел окислиться); а-кинетический фактор разделения изотопов (ос 1.03). Масс-спектрометрические измерения были выполнены в Российском Институте Минерального Сырья, г. Москва (см. разд. «Благодарности»), результаты измерений представлялись в %о
(по отношению к стандарту PDB), точность измерений составляла ± 0.5%о [Глаголев с соавт., 2001].
Измерение потенциальной скорости микробного окисления СН4 проводились в июле-августе 2005 г. на Бакчарском болоте. Пробы торфа (5 г) отбирались из под растительных ассоциаций с преобладанием Carex rostrata, Eriophorum vaginatum, Sphagnum sp. с глубин 10, 20, 30, 40 и 50 см. Флаконы с пробами заполнялись воздухом с концентрацией метана 0.05% и выдерживались при температуре 25 С. Интенсивность окисления вычисляли по убыли концентрации (определялась каждые 3 часа хроматографически). Влажность торфа определялась весовым методом для каждой пробы. Все измерения велись в 3-х кратной повторности [Воробьев с соавт., 2007]. Измерение эмиссии метана методом статических камер
Использовались камеры с площадью основания - 37x37 либо 40x40 см2; заглубление основания в почву - до уровня стояния воды, объем камер - 48-64 л, время экспозиции - 30-60 минут в зависимости от типа растительной ассоциации. Основания устанавливались не менее чем за 20 минут до измерений. Для предотвращения механического выдавливания газа из почвы на Бакчарском болоте в самом начале описываемых многолетних исследований были установлены стационарные мостки. На других исследовательских полигонах использовались съемные мостки (1-2 алюминиевые доски, каждая 200x24 см), устанавливавшиеся незадолго до начала измерения и снимавшиеся по его окончании. В течение времени экспозиции пробы воздуха из камеры через газозаборные трубки длиной до 0.5 м отбирали несколько (до шести) раз в шприцы («IMP», США; «SFM», Германия) объемом 10 или 20 мл. Шприцы герметично закупоривались и доставлялись в лабораторию, где проводился количественный анализ газа.
Потребление метана
По-видимому, как и в случае изучения образования СНЦ, исторически первой на Бакчарском болоте была сделана попытка измерения потенциальной скорости потребления метана образцами торфа. Экспериментальные данные, опубликованные в [Паников, 1995], показывают, что при уровне стояния воды около 10 см она равномерно возрастает от 0 (у поверхности почвы) до 1.4 мгС-дм" -сут" (на глубине 20 см), после чего снижается до 0 уже к 25 см.
Наши измерения относительной актуальной степени потребления метана в профиле почвы дали иные результаты. Было показано, что под Menyanthes trifoliata или Eriophorum vaginatum на глубине 70 см уже оказывается окислено 15-20% СКЦ, приходящего с глубины 120 см. Вообще же в процессе переноса к поверхности почвы происходит потребление метанотрофными микроорганизмами значительной доли СНЦ, которая может составлять от 15-45% под Equisetum fluviatile или Сагех rostrata до 55-80% под Menyanthes trifoliata или Eriophorum vaginatum [Glagolev et al.,2000; Глаголев с соавт., 2001]. Конечно, напрямую сравнивать потенциальную и актуальную скорости потребления СН4 не имеет смысла, но с качественной точки зрения очевидно, что если на глубине 70 см уже окислено 15-20% метана, то какая-то потенциальная скорость окисления на этой глубине должна детектироваться. В связи с вышеуказанным несоответствием результатов нами была предпринята новая попытка определения «потенциальной» активности потребления СЬІ4 образцами торфа Бакчарского болота. Полученные результаты оказались ближе к результатам изотопного метода измерения актуальной степени потребления, нежели к старым результатам традиционного измерения потенциальной активности, опубликованным Паниковым [1995]. Для всех растительных ассоциаций потенциальная окисляющая способность была обнаружена на всех исследованных глубинах (10, 20, ..., 50 см), причем она убывала с увеличением глубины от 10 до 50 см (приведена далее в мгС-дм 3-сут" ): под Eriophorum от 3.5 ±0.6 до 0.97 ±0.57, под Sphagnum от 3.2 ± 0.3 до 0.56 ± 0.22, под Сагех от 2.4 ±0.02 до 0.03 ±0.06 [Воробьев с соавт., 2007].
Последние вышеприведенные результаты показывают правильность нашей интерпретации данных изотопных исследований. Этот вопрос редко освещался в литературе (и почти никогда - в русскоязычной литературе), поэтому остановимся на нем чуть подробнее.
К сожалению, интерпретация масс-спектрометрических измерений сильно осложняется тем, что на изотопный состав метана кроме окисления могут влиять еще и другие факторы, например: изотопный состав разлагаемого органического вещества [Burke, 1993]; изотопный состав непосредственного предшественника метана [Cicerone and Oremland, 1988]; путь образования метана (образуется ли СП из ацетата или из Нг и СОг): бактериальное восстановление СОг в СН4 дает 513С-СН4 до -110%о, а ферментация метилированных субстратов приводит к величинам 513С-СН4 от -50%о до -60%о [Whiticar, 1999]; степень истощения субстрата [Whiticar, 1999]; температура [Whiticar, 1999].
Таким образом, практически любые значения 8 С-СН4 в профиле почвы, можно объяснить воздействием как одного, так и другого фактора. Например, относительно высокие значения 5 С-СН4 можно представить следствием образования метана путем восстановления СОг с дальнейшим окислением СН4 метанотрофными бактериями, а можно — ферментацией метилированных соединений без последующего окисления. Итак, интерпретация изотопного состава будет тем надежнее, чем больше дополнительной информации можно получить. Как уже было сказано выше, в измерениях на Бакчарском болоте потенциальная способность почв к потреблению СН4 была обнаружена, по крайней мере, вплоть до глубины 50 см. Кроме того, из образцов торфа Бакчарского болота Коцюрбенко [2005] впервые выделил умеренно ацидофильный метаноген, отнесенный к роду Methanobacterium (в качестве нового вида). Этот микроорганизм образует метан путем восстановление СОг в СНь причем удалось показать, что при рН 4.5 (а именно такова кислотность Бакчарского болота) этот путь метаногенеза становится доминирующим. Но раз доминирующим путем образования метана является восстановление СОг, то, как уже указывалось выше, образуется лишь «легкий» метан, дальнейшее «утяжеление» которого при движении из глубины к поверхности почвы может объясняться только окислением. Действительно, например, в торфе под Er. vaginatum на глубине 80 см мы [Glagolev et al., 2000] обнаруживали метан с изотопным составом углерода 513С-СН4 = -83.2%о, а на глубине 20 см - -38.7%о. Близкие результаты были получены и под С. rostrata: 513С-СН4 = -76.5%о и -70.5%о, соответственно, на глубинах 60 см и 20 см (метан, выходящий из почвы в атмосферу имел еще более тяжелый изотопный состав - 513С-СН4 = -69.1%о).
Выше были описаны данные, полученные в 1999 г. Исследование изотопного состава метана с лучшим пространственным разрешением было предпринято в 2000 г. - см. рис. 8. Кроме всего прочего, в более «влажном» 1999 г. у поверхности почвы метан был «легче», чем в более «сухом» 2000 г.; так и должно быть - когда осадков меньше, вода стоит ниже, а значит, слой, в котором происходит окисление, больше, поэтому в таком слое успевает окислиться большая доля СЩ, что приводит к «утяжелению» его изотопного состава.
На рис. 9 полученные нами данные по изотопному составу метана отображены в координатах (513С-СН4, 513С-ССЬ). В этих же координатах (на основании работы [Whiticar, 1999]) показаны области, соответствующие изотопному составу газов разного генезиса. Из рис. видно, что пробы, отобранные из наиболее глубоких слоев соответствовали метану, образующемуся по «водородному пути». При дальнейшем движении к поверхности метан «утежелялся», попадая в область соответствующую «ацетатному пути». Таким образом, если иметь только пробы из этих (менее глубоких) слоев, то сделать вывод о пути образования метана нельзя.
Похожие диссертации на Эмиссия CH4 болотными почвами Западной Сибири: от почвенного профиля - до региона
