Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы. Литературный обзор 10
1.1. Газовая экологическая функция почвенного покрова. Понятие функционирования 10
1.2. Метан в атмосфере: источники и стоки 11
1.3. Образование метана в почвах 15
1.3.1. Метаногенез: микроорганизмы и экология процесса 15
1.3.2. Газовый углеводородный фон в почвах 17
1.4. Окисление метана и других углеводородов: микроорганизмы, экологические условия 18
1.4.1. Облигатные метилотрофы (метанотрофы) 19
1.4.2. Метанотрофное сообщество 25
1.4.3. Соокисление метана другими микроорганизмами 27
1.5. Составляющие цикла метана в природных почвах 27
1.6. Влияние газовой залежи на почвы 31
1.6.1. Миграция газа к поверхности. Диффузия и конвекция 31
1.6.2. Формирование аномалий над нефтегазовыми залежами 33
1.6.3. Бактериальный фильтр на нефтегазоносных территориях 35
1.6.4. Образование органического вещества в почвах под влиянием природного газа 39
1.6.5. Другие признаки нефтегазоносности 40
1.7. Сорбционная способность почв и пород 43
1.7.1. Сорбция газов 43
1.7.2. Адсорбция микроорганизмов 45
1.8. Эмиссия метана в атмосферу 45
1.8.1. Факторы, влияющие на эмиссию метана. Временная динамика 45
1.8.2. Эмиссия метана в атмосферу на фоновых территориях 48
1.8.3. Эмиссия метана в атмосферу на газоносных территориях 48
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 51
2.1. Характеристика объекта 51
2.2. Методы исследования 53
ГЛАВА 3. Природные условия, факторы почвообразования, почвенный покров 61
3.1. Климат
3.2. Растительность 63
3.3. Геологическое строение 64
3.4. Геоморфология 67
3.5. Почвообразующие породы 67
3.6. Антропогенный фактор 68
3.7. Почвенный покров 69
ГЛАВА 4. Результаты и обсуждения. специфика, география функционирования почв фоновой и газоносной территорий 82
4.1. Специфические параметры функционирования почв и их пространственное распределение 82
4.2. Образование, депонирование, содержание, окисление и эмиссия метана в атмосферу в почвах фоновых территорий в летний период 95
4.3. Содержание аллохтонного метана, поглощение и депонирование, бактериальное окисление, эмиссия метана в атмосферу в почвах газоносной территории в летние периоды различных лет 109
4.4. Сезонная динамика активности бактериального окисления метана в почвах 126
4.5. Сезонная динамика эмиссии и поглощения атмосферного метана почвами 131
4.6. Массовый баланс эмиссии и стока техногенно-аллохтонного метана в почвах 133
4.7. Пространственно-временная динамика загрязнения атмосферы метаном 142
4.8. Влияние техногенно-аллохтонного метана на микробную биомассу и окислительно-восстановительный потенциал почв 145
Выводы 152
Список литературы 154
Приложение 172
- Образование органического вещества в почвах под влиянием природного газа
- Факторы, влияющие на эмиссию метана. Временная динамика
- Образование, депонирование, содержание, окисление и эмиссия метана в атмосферу в почвах фоновых территорий в летний период
- Влияние техногенно-аллохтонного метана на микробную биомассу и окислительно-восстановительный потенциал почв
Введение к работе
Актуальность темы. Глобализация антропогенных воздействий на все
природные системы Земли, в том числе и на почвенный покров, ставит задачи,
связанные с многообразными экологическими функциями почв -
атмосферными, гидросферными, литосферными, биотическими
(Добровольский, Никитин, 1990). Почва является регулятором биосферных взаимодействий, функционируя, она трансформирует, контролирует и регулирует проходящие через нее потоки и циклы вещества и энергии. Почвенный покров выступает как своеобразная полупроницаемая мембрана, осуществляющая газообмен между атмосферой и литосферой (Розанов, 1988). Поглощая и окисляя атмосферный метан, почвы являются важнейшей составляющей в его глобальной динамике. Этот процесс приобретает большое значение на объектах газовой промьппленности, эксплуатация которых может приводить к превышению концентрации метана в атмосфере над фоновыми показателями. Кроме того, почвы поглощают, депонируют и окисляют автохтонный, образующийся в естественных переувлажненных ландшафтах, и аллохтонный, мигрирующий из газовых залежей, метан, осуществляя его скрытый сток и препятствуя эмиссии в атмосферу.
Проблемы эмиссии метана - второго по значимости парникового газа - в настоящее время весьма актуальны, так как его содержание в атмосфере ежегодно растет примерно на 1%. Главным источником метана являются переувлажненные ландшафты, поэтому большинство исследований посвящены составляющим цикла метана в болотных и рисовых почвах. По глобальным оценкам выбросы метана в газовой промышленности составляют около 8 % годового поступления в атмосферу, равного в среднем 500 Тг в год (Cicerone, Oremland, 1988). Но эти расчеты основаны на учете технологических потерь, составляющих 3-12% от добычи природного газа. Вклад миграционных потоков метана в атмосферу, как правило, не учитывается. Актуальность исследования функционирования почвенного покрова газоносных территорий обусловлена тем, что в настоящее время на этих объектах практически не изучены процессы окисления метана, его трансформации в почвах и эмиссии в атмосферу.
Цель работы: выявить специфику функционирования почвенного покрова при подземном хранении природного газа.
Задачи исследования:
1. Выявить пространственно-временные закономерности эмиссии и
бактериального окисления метана в различных почвах фоновой и газоносной
территорий в весенний, летний (в зависимости от гидротермических и
технологических условий июля разных лет) и осенний периоды.
2. Оценить массовый баланс и соотношение эмиссии и окисления техногенно-
аллохтонного и автохтонного метана в почвах газоносной территории в
различные сезоны и годы.
3. Установить влияние техногенно-аллохтонного метана на формирование
микробной биомассы и окислительно-восстановительный потенциал почв.
Научная новизна. _
Впервые исследована многолетняя сЬзевная щн»*адаоі&$Р&иониРования почвенного покрова, количественно оиенен ЧЙЬіИАїІіЮбаланс эмиссии и
J птаЛ
окисления метана почвами газоносной территории, расположенной в дерново-подзолистой зоне. На базе эколого-функционального подхода, выявлено функционирование почв в различных структурах почвенного покрова в зависимости от гидротермических, литолого-геоморфологических и антропогенных факторов. Показано влияние подземного хранилища газа на увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере в весенний и осенний периоды в результате эмиссии техногенно-аллохтонного метана. Оценен вклад техногенно-аллохтонного метана в увеличение микробной биомассы дерново-подзолистых почв, предложена рабочая гипотеза механизма снижения и появления высокой вариабельности Eh в почвах газоносных территорий.
Основные защищаемые положения. В результате проведенного диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения:
Специфика функционирования почвенного покрова газоносной территории заключается во взаимодействии техногенно-аллохтонного метана с твердым, жидким, газообразным и живым веществом почвенной системы. Использование эколого-функционального подхода позволило выявить пространственные закономерности функционирования почв газоносной территории в дерново-подзолистой зоне. Картографически показаны различия функционирования почв в зависимости от литолого-геоморфологических условий. Наибольшие изменения параметров функционирования под влиянием техногенно-аллохтонного метана происходят в автоморфных, меньше в полугидроморфных почвах.
Активность бактериального окисления метана в почвах, эмиссия, поглощение из атмосферы и их пространственные закономерности характеризуются временной динамикой, зависящей от гидротермических и технологических условий сезонов и лет.
В процессе окисления в почвах газоносных территорий происходит концентрирование углерода метана на биогеохимическом барьере, что проявляется в увеличении биомассы метилотрофных микроорганизмов и приводит к высокой вариабельности и снижению Eh почв.
Практическая значимость.
Результаты исследований могут быть использованы при проведении экологического мониторинга на объектах газовой промышленности.
Активность бактериального окисления метана в автоморфных почвах рекомендуется определять как показатель наличия техногенно-аллохтонного метана, свидетельствующий об общей герметичности газохранилища и выявляющий неисправные скважины.
Установленные связи бактериального окисления метана с почвенными свойствами позволяют рекомендовать создание оптимальных условий аэрации в почвах в процессе их рекультивации, а также меры по удалению легкорастворимых солей для наиболее эффективной утилизации метана, поступающего по межколонному пространству скважин в почвы.
Установлено, что наиболее благоприятным периодом для закачки газа в газохранилище является середина лета - время с максимальным развитием бактериального фильтра.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: IX Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2002" (Москва, 2002), Всероссийской конференции "VII Докучаевские молодежные чтения. Человек и почва в XXI веке" (Санкт-Петербург, 2004), IV Всероссийском съезде почвоведов (Новосибирск, 2004), Международной научной конференции "Экология и биология почв" (Ростов-на-Дону, 2005), а также на заседаниях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы, включающего 145 отечественных и 36 зарубежных работ, и приложения. Содержательная часть диссертации изложена на 151 странице, иллюстрирована 33 рисунками, 17 таблицами.
Образование органического вещества в почвах под влиянием природного газа
Дэвис обнаружил, что органическое вещество почвы, подвергавшейся воздействию углеводородов (1,4% СН4, 0,13 млн"1 С2Нб, следы С3Н9 и высших углеводородов) над нефтяным месторождением, состоит в основном из живых и мертвых микробных клеток. Почва имела маслянистый вид, по-видимому, из-за липидов, так как содержание углеводородов было минимально. Автор предположил, что газовые эманации из нефтяного пласта стимулировали развитие бактерий, что вызвало видимое изменение почвы. Через другие образцы почвы Дэвис пропускал смесь природного газа и воздуха в течение 18 месяцев. За это время количество микробов сильно увеличилось, так же как содержание органического вещества (от 1,15% до 9,5% и от 0,35% до 2,4%) и липидов (от 0,17% до 1,5% и от 0,012% до 0,28%) (по Бирштехеру, 1957).
Адамсом с соавторами было показано увеличение количества газоиспользующих бактерий (из них 70-80% - метанотрофы) и гетеротрофов при насыщении почвы природным газом и воздухом (по Малашенко и др., 1978). Развитие этой микрофлоры сопровождается образованием органического вещества в почве. В почвах, подверженных влиянию газа вследствие утечек из трубопроводов, росло содержание углерода с 1,52-2,39 до 4,20-6,41% и азота с 0,098-0,084% до 0,267-0,203% (Harper, 1939). Это подтверждается и данными Шолленбергера (по Hanson, Hanson, 1996). Потребление метана бактериями и его фиксация в органическом веществе - прибавка к плодородию почвы. В Германии запатентован способ повышения плодородия почв путем удобрения их природным газом периодическими инъекциями (по Оборину и др., 2004).
В.А. Ковда и П.С. Славин (1953) высказали предположение, что нефтяная залежь, являясь дополнительным источником для почвообразовательных процессов, может рассматриваться как один из специфических факторов почвообразования. При одинаковых геологических условиях влияние нефтяной залежи на свойства почвы может проявляться весьма различно, в зависимости от сочетания прочих факторов почвообразования. Появление газообразных углеводородов помимо увеличения активности их микробиологического окисления и образования микробного органического вещества влияет на ряд почвенных свойств, рассмотренных ниже.
Изменение ОВП. Определение окислительно-восстановительного потенциала в почвах в качестве поиска нефти было предложено Таггартом в 1948 г. Он утверждал, что величина ОВП связана с жизнедеятельностью бактерий и восстановительную характеристику почве придают непредельные углеводороды и выделяющийся атомарный водород (по Бирштехеру, 1957).
И.П. Сердобольским (1953) и П.С. Славиным (1962) было установлено наличие резко выраженных аномалий в значениях окислительно-восстановительного потенциала (как правило, снижение) на нефтяных месторождениях. Авторы считали, что это связано не с механической примесью нефти или газов, а с восстановительными процессами, вызванными длительным воздействием на породу компонентов нефти. Углеводородные газы, поглощаясь почвой и почвенным раствором, подавляют жизнедеятельность одних микроорганизмов и усиливают развитие других, что изменяет окислительно-восстановительные условия почвы. Изменение ОВП в почве возможно в результате конденсации, полимеризации и бактериального окисления некоторых природных газов. Местами наблюдался повышенный по сравнению с фоном ОВП, обусловленный процессом вторичного окисления пород.
И.В. Ивановым (1970, 1977) было показано статистически достоверное снижение ОВП в горизонтах и ярусах с экстремальным газосодержанием (п-10 1 - п-10" см /кг) по сравнению с фоном. В иллювиально-гипсовом горизонте южных глинистых черноземов оно составило 35 мВ, (соответственные величины 440 и 475 мВ), в глинистых породах яруса выветривания — 50 мВ (глубина 5-20 м, величины Eh 430 и 480 мВ). В.А. Ковдой и П.С. Славиным (1959) установлено усиление вариабельности ОВП над нефтяными месторождениями (бурые полупустынные почвы), где амплитуды колебаний ОВП составляли 300 мВ, тогда как на фоновой территории - 100 мВ.
Изменение окислительно-восстановительных условий может происходить при снижении содержания кислорода. На месте утечки метана из газопровода гибла растительность за счет вытеснения кислорода метаном и потребления кислорода метанотрофами. Скорость поглощения кислорода в 50-100 раз превышала скорости, установленные для почв, где не было утечки газа. Поглощение кислорода в водоемах за счет окисления метана по данным Кузнецова достигает 70% (по Малашенко и др., 1978; Кондратьева, 1983).
Факторы, влияющие на эмиссию метана. Временная динамика
Объектом исследования является почвенный покров территории одного из подземных хранилищ газа (ПХГ), расположенного в Московской области. В разных странах от 10 до 30% добываемого газа закачивается в подземные газохранилища, где он хранится в течение многих месяцев (Могилевский и др., 1979в). Исследуемое ПХГ создано в 1960 г. (первая закачка и отбор газа осуществлены в 1961 г.) для компенсации повышенного газопотребления в Москве и Московской области в зимний период и обеспечивает до 20% от всего объема газа, потребляемого в этом регионе. Технологическая характеристика объекта приводится согласно работе (Бухгалтер и др., 2002).
Работая в циклическом режиме, ПХГ в летнее время закачивает газ из газотранспортной системы, хранит его, а зимой выдает в магистральный газопровод. Природный газ поступает по газопроводу Пермь - Нижний Новгород - Центр с месторождений севера Тюменской области. Усредненный состав газа, %: метан 98,942; этан - 0,084; пропан - 0,060; бутан - 0,019; азот — 0,881. Площадь горного отвода 19,2 км2, объем подземного пространства 2,5 млрд м3. На территории ПХГ имеется сеть эксплуатационных (более 100), поглотительных (2), наблюдательных и контрольных скважин (100).
Хранилище газа располагается в песчаниках и песках нижнещигровского горизонта, вскрываемого на глубинах 890-920 м. Покрышкой пласта-коллектора служит пачка глин с алевритистыми прослоями мощностью 11-25 м.
Технология закачки и отбора газа не предусматривает постоянных выбросов вредных веществ (природный газ (метан), одорант и продукты сгорания природного газа - СО, N02, SO2, бенз(а)пирен) в атмосферу. Газ может выделяться в атмосферу через неплотности в запорной и регулирующей арматуре газораспределительных пунктов (ГРП-1,2), на компрессорных станциях (КС), скважинах (неорганизованные выбросы); в результате проведения технологических операций (организованные выбросы). Влияние работы газохранилища на загрязнение атмосферного воздуха ощутимо в период закачки газа (май-сентябрь), в остальное время загрязнение незначительно, концентрации вредных веществ (NOx, СО, СЬЦ) близки к фоновым.
Специфическим видом воздействия любого ПХГ на окружающую среду является процесс разгерметизации хранилищ, приводящий к утечкам газа из пласта-коллектора. Причины утечек могут носить геологический (геологические окна, опесчанивание глин, растворение газа, адсорбция, миграция по напластованию и др.) и технический (миграция по затрубному пространству скважин за счет их плохой цементации или образованию трещин в цементном камне) характер. Установлено, что потери природного газа в атмосферу для различных хранилищ находятся в интервале 0,7-3% от активного объема (по Бухгалтеру и др., 2002).
Еще в 1960-1970-х годах результаты газобактериальных съемок, проведенных на площади исследуемого ПХГ, показали, что в поверхностных водотоках, почвах и верхних водоносных горизонтах вблизи эксплуатационных скважин в своде, а также на периферии структуры обнаруживаются участки с аномальной интенсивностью развития углеводородокисляющих бактерий. Это обстоятельство различными исследователями связывалось с влиянием миграции газа из пласта-коллектора к поверхности. Гидрогеохимические работы, продолжающиеся в настоящее время, однозначно фиксируют образование газовой шапки в протвинско-окском водоносном горизонте и повышенный уровень газонасыщения, в том числе углеводородами, во всех водоносных горизонтах, используемых в районе ПХГ в целях хозяйственно-питьевого водоснабжения. Результаты приповерхностной газовой съемки показывают, что миграция газа достигает верхнего слоя почвы и атмосферного воздуха (Бухгалтер и др., 2002; Кузьмин, Никонов, 2001).
Анализ разработки ПХГ показал, что на протяжении всего периода его эксплуатации, начиная с 1966 г., имел место существенный разбаланс газа в пласте. В конце 1970 г. он оценивался в 815-930 млн. м3, а к концу 1994 г. достиг 1460-1560 млн. м3. Отмечаются плохо контролируемое растекание газа и его уходы за гидродинамические затворы ловушки. Разбаланс больших объемов газа, по мнению Ю.О.Кузьмина и А.И. Никонова (2001), связан не с технологическими недостатками эксплуатации, а с проявлением геодинамических процессов. Геодинамически активные зоны имеют северовосточное и северо-западное простирание.
На исследуемом ПХГ существуют зоны вертикальной и горизонтальной трещиноватости. Субгоризонтальные зоны повышенной трещиноватости расположены выше искусственной залежи и имеют толщину от 15-50 м до 150-200 м. Интенсивная эксплуатация ПХГ, циклические воздействия, связанные с закачкой и отбором газа, приводят к разупрочнению и активизации зон трещиноватости, к формированию благоприятных условий для осуществления субвертикальной миграции газонасыщенного флюида вплоть до приповерхностной части геологической среды. Это подтверждается аномальными содержаниями как растворенного, так и свободного метана в водоносных горизонтах выше пласта-коллектора в зонах повышенной трещиноватости (разломов) (Кузьмин, Никонов, 2001; Никонов, 2003).
Один из способов локализации подземных утечек газа на площади подземных газохранилищ — это проведение газовой и бактериальной съемок. Спустя менее года после закачки углеводородного газа в пласт-коллектор (а при наличии тектонических нарушений даже быстрее) в покровной толще пород и в верхних водоносных горизонтах появляются разрозненные газопроявления, которые впоследствии образуют аномальные зоны, обогащенные углеводородными газами (Могилевский и др., 1979в).
Образование, депонирование, содержание, окисление и эмиссия метана в атмосферу в почвах фоновых территорий в летний период
Коэффициент дифференциации по илу (КД) 1,4 - 5,4. Плотность почв минимальна в гумусовых горизонтах (1,20-1,47 г/см ) и увеличивается в иллювиальных (1,60-1,82 г/см). Общая пористость почв, напротив, максимальна в серогумусовых горизонтах (41-52%) и минимальна в текстурных (29-36%). Удельная поверхность в органо-минеральных горизонтах варьирует от 43,4 до 65,8, иногда до 84,6 м /г, в элювиальных - 8,4-43,5, в иллювиальных горизонтах супесчано-суглинистого состава - 49,6-137,0, песчаного - 10,5-27,1 м /г. Реакция почв часто кислая (рНн2о 4,5-5,7) или слабокислая (рНн2о 6,0-6,4), редко нейтральная в средней и нижней части профиля. Содержание гумуса уменьшается от 3,9-5,7% в гумусовом горизонте до 0,02-1,1% в элювиальной части профиля и слабо увеличивается или не увеличивается в иллювиальной (0,1-0,9%) (приложение І). В составе гумуса преобладают фульвокислоты. Поглощающий комплекс ненасыщен основаниями (Почвы Московской области..., 2002).
Агродерново-подзолистые почвы формируются при земледельческом освоении дерново-подзолистых и отличаются наличием гомогенного агрогумусового горизонта (Р) серых и буровато-серых тонов, мощностью 21-36, редко до 40 см, со слабовыраженной глыбисто- или комковато-порошистой структурой. Агрогумусовый горизонт сменяется оставшейся незапаханной частью элювиального горизонта или переходного к текстурному горизонту.
Плотность агрогумусовых горизонтов несколько выше (1,41-1,63 г/см3), а общая пористость ниже (36-44%), чем у естественных. В иллювиальной части профиля эти показатели близки к величинам дерново-подзолистых почв (1,52-1,86 г/см и 26-40%). Удельная поверхность агрогумусовых горизонтов 38,2-62,8 м /г, элювиальных- 12,0-48,1 м /г, иллювиальных супесчано-суглинистого состава- 30,0-120,0, песчаного - 14-32 м /г. Реакция среды варьирует от кислой (рНн2о 4,9) до нейтральной (рНн2о 7,7). При этом наименьшая кислотность характерна для агрогумусовых горизонтов (рНн2о 6,0-7,6) и увеличивается вниз по профилю, иногда снова снижаясь в нижней части. Степень насыщенности основаниями поглощающего комплекса колеблется от 60 до 90%. Содержание гумуса в верхних агрогенно-преобразованных горизонтах, как правило, ниже, чем в гумусовом горизонте дерново-подзолистых почв и составляет 1,4-2,3%, редко повышается до 2,7-3,0%. В элювиальной части профиля содержание гумуса снижается до 0,2-0,7%, в иллювиальной - 0,1-0,8%, в редких случаях повышается до 1,8-2,9% (приложение I).
(Агро)дерново-подзолистые глееватые почвы приурочены к плоским слабодренированным равнинам. Для них характерен временный (более длительный, чем для типичных) застой поверхностных вод (верховодки) или относительно высокий уровень залегания мягких грунтовых вод. Периодическое переувлажнение глееватых почв вызывает образование в них ржаво-охристых примазок, сизых оглеенных пятен, разводов, занимающих меньше 50% площади вертикального среза. Признаки оглеения сочетаются с отчетливой оподзоленностью почв. Свойства почв близки к типичному подтипу, но наблюдается некоторое повышение влажности и снижение ОВ-потенциала.
(Агро)дерново-подзолисто-глеевые почвы на исследованной территории приурочены к пологим и крутым склонам холмов и гряд. Довольно устойчивое сезонное переувлажнение почвенного профиля мягкими водами является причиной образования в нем на глубине 60-80 см сильно оглеенного горизонта. (Агро)гумусовый горизонт (Р) AY окрашен в серые часто со стальным отливом тона, имеет комковатую структуру. Его мощность колеблется от 20 до 33 см. Осветленный элювиальный горизонт (ELg) мощностью 11-20 см имеет палево-белесоватый и белесоватый цвет с ржавыми пятнами, содержит железисто-марганцевые конкреции или примазки, характеризуется плитчатой или порошисто-плитчатой структурой. Переход к текстурной части затечно-языковатый (BELg). Окраска текстурного горизонта неоднородная (BTg, BTG), имеет вид бурых, охристо-бурых, сизых и ржавых пятен и разводов. На поверхности структурных отдельностей видны коричневые и сизые пленки, черные примазки, встречаются железо-марганцевые конкреции. Ниже находится глыбистый или призматический еще более оглеенный темно-сизый с охристыми пятнами горизонт (BCG) (приложение IX).
КД по илу 3,6-4,9. Плотность почв увеличивается от агрогумусового горизонта (1,37-1,46, иногда 1,64 г/см ) к элювиальной и иллювиальной части профиля (1,62-1,90 г/см3). Общая пористость почв 34-45% в верхних горизонтах и 24-30% - в нижних. Удельная поверхность гумусовых горизонтов 38,3-69,5 м /г, уменьшается в элювиальных до 9,7-26,4 м /г и повышается в оглеенных горизонтах до 69,3-134,2 м /г. Реакция среды в агропочвах слабокислая-нейтральная (рНн2о 6,4-7,5), в нижних горизонтах кислая (рНн2о 4,9-5,2). Содержание гумуса варьирует от 1,2 до 2,3% в агрогумусовых горизонтах и снижается до 0,2-0,5% в иллювиальных (приложение I).
Торфянисто-подзолисто-глеевые почвы приурочены к вершинам слабоврезанных ложбин стока, т.е. находятся в позициях, способствующих большему гидроморфизму верхней части профиля, что и приводит к образованию торфяного горизонта. Формируются под смешанными елово-березовыми, березово-осиновыми лесами с мохово-травяным покровом. Профиль торфянисто-подзолисто-глеевых почв характеризуется наличием торфяного горизонта (Т) коричнево-черного цвета слабой и средней степени разложенности, мощностью от 10 до 17 см; элювиального горизонта (ELg) со значительными следами оглеения; оглеенного иллювиального (BTg, BTG) и ярко выраженного глеевого горизонта (G, сизого с ржавыми пятнами). Между торфяным и элювиальным горизонтами нередко встречается прокрашенный гумусом творожисто-порошистый или глыбистый горизонт (AEL). Почвенно-грунтовые мягкие воды находятся на глубине 80-100 см. Оглеение в этих почвах прослеживается по всему профилю. В элювиальном горизонте оно проявляется в виде белесо-сизоватого тона окраски и рыжих пятен ожелезнения, а в текстурном горизонте - в виде полос, сизых, буровато-сизых и охристо-бурых, ржавых пятен по ходам корней, трещинам (приложение IX).
Влияние техногенно-аллохтонного метана на микробную биомассу и окислительно-восстановительный потенциал почв
В автоморфных почвах уменьшение содержания органического вещества и автохтонного метана способствуют снижению активности бактериального окисления метана и фонового содержания метана по сравнению с полугидроморфными разностями (табл. 7, рис. 13). Проявление метанобразования здесь незначительно (Med 0,007-0,005). Исключения составляют некоторые гумусовые горизонты, испытывающие интенсивное поверхностное увлажнение (рис. 14). При этом продуцирование метана в них проходит в агрегатах, внутри которых (диаметром 10 мм в летний период и 20 мм - в зимний), согласно представлениям о широком диапазоне экологических условий в пористой среде автоморфных почв, могут создаваться анаэробные условия (по Ландиной, 1986; Манучарова и др., 2001). В агрегатах почв микрофлора закономерно расположена в зависимости от потребности в Ог: анаэробы занимают центр агрегата, а аэробы - периферическую область. Соотношение анаэробных и аэробных микрозон регулируется в первую очередь влажностью почвы и наличием доступного микроорганизмам субстрата (Smith, 1980).
Для автоморфных почв характерно регрессивно-аккумулятивное распределение активности бактериального образования и окисления по почвенному профилю (рис. 14) (значимые корреляционные связи установлены в почвах с повышенным метаногенезом в верхних горизонтах — г = 0,78-0,82, р 0,05). Бактериальное окисление уменьшается в почвах более легкого гранулометрического состава, сформированных на песчаных древнеаллювиальных отложениях, по сравнению с супесчано-суглинистыми водно-ледниково-озерными. В песчаных дерново-подзолах псевдофибровых с низкой удельной поверхностью активность окисления снижается в 1,5 раза по сравнению с супесчаными дерново-подзолистыми почвами. Содержание метана в почвах низкое - 1-2 ppm. Заметно увеличение фонового содержания метана в почвах сформированных на древнеаллювиальных отложениях (табл. 6, рис. 14). Повышение фонового содержания метана в этих почвах, по-видимому, связано с невысокой удельной поверхностью песчаных почв, сформированных на древнеаллювиальных отложениях. Невысокая удельная поверхность почвенных частиц способствует десорбции молекулярно-сорбированного метана и увеличивает содержание свободного метана в почвах. Эмиссия метана в атмосферу, как правило, не проявляется (рис. 15), так как циклы метанобразования-метанокисления замкнутые.
Активность бактериального окисления метана в почвах фоновых территорий слабо варьирует в зависимости от гидротермических условий разных лет, не обнаруживая статистических различий.
Таким образом, активность бактериального окисления метана на фоновой территории обусловлена его микробиологическим образованием в почвах и зависит от окислительно-восстановительных условий. Она максимальна в верхних гумусовых и торфянистых горизонтах и снижается в нижних, что соответствует распределению активности метаногенеза по профилю фоновых почв. В ряду почв активность бактериального окисления метана увеличивается от автоморфных дерново-подзолистых почв и дерново-подзолов псевдофибровых к полугидроморфным дерново(торфянисто)-подзолисто-глеевым и минимальна в торфяно-глеевых почвах с восстановительными условиями. Автохтонное бактериальное образование метана увеличивается от дерново-подзолистых к дерново(торфянисто)-подзолисто-глеевым и торфяно-глеевым почвам. Накопление метана в зоне свободного газообмена, фоновое содержание свободного автохтонного метана и его эмиссия в атмосферу в изучаемых почвах зависят от соотношения микробиологического продуцирования и окисления метана, а также особенностей транспорта, поглощения, удерживания (депонирования) метана в почве. Емкости диффузионных и сорбционных барьеров определяют активность бактериального окисления метана. Эмиссия метана в атмосферу связана с дисбалансом его микробиологического образования и окисления и поэтому проявляется главным образом с торфяно-глеевых почв, реже с торфянисто-подзолисто-глеевых и дерново-подзолисто-глеевых. Дерново-подзолистые почвы служат стоком для атмосферного метана.
Сравнение с предыдущими исследованиями. Определенные величины потоков метана с автоморфных почв не превышают полученные ранее для дерново-подзолистых и серых лесных почв (табл. 2), эмиссия метана с эутрофных торфяно-глеевых почв согласуется с данными для низинных болот. Полученные в работе активности бактериального окисления метана в фоновых дерново-подзолистых почвах (среднее значение 7,9 нг/г в час, варьирование по горизонтам 1,1-29,5 нг/г в час) согласуются с литературными данными. В лабораторных экспериментах Голдмана с соавторами потребление метана в лесных почвах варьировало в пределах 1,55-0,20 дг СН4/Г в сут (при начальной концентрации метана 100 цл/л), что составляет 64,6-8,3 нг СН4/г в час (Goldman et al., 1995). Активность окисления метана в почвах смешанных лесов, определенная после инкубации в атмосфере с 5% СІ-Ц, на 3-7 см составляла 5-6 нмоль/г почвы в сутки (3,3-4 нг/г в час), на 7-12 см - 14 нмоль/г почвы в сутки (9,3 нг/г в час) (Amaral et al., 1998).
