Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Кинетика газообмена в профиле сфагнового болота

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Кинетика газообмена в профиле сфагнового болота"

На правах рукописи

МАСТЕПАНОВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

КИНЕТИКА ГАЗООБМЕНА В ПРОФИЛЕ СФАГНОВОГО БОЛОТА: ОТ МЕТАНОГЕНЕЗА К ЭМИССИИ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2004

Работа выполнена

на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения

Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова и департаменте физической географии и экосистемного анализа Лундского университета

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Н.С. Паников

Научный консультант:

адъюнкт-профессор Т.Р.Кристенсен

Официальные оппоненты:

д.б.н. Поздняков А.И. к.б.н. Курганова И.В.

Ведущая организация:

Владимирский НИИ СХ (г.Суздаль)

Защита состоится 2004 года в 15 ч 30 мин в ауд. М-2 на

заседании диссертационного совета К 501.001.04 МГУ им. М.В.Ломоносова.

Адрес диссертационного совета:

119992. Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ. факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.Г. Богатырев

2004-4 27044

Актуальность проблемы. Микробный процесс образования метана в болотах, впервые открытый Вольтом еще в 1776, привлекает в настоящее время пристальное внимание исследователей различных специальностей. В последние десятилетия остро встал вопрос о регуляции метаногенеза в северных болотах в связи с глобальной ролью атмосферного метана в качестве парникового газа и причины дестабилизации теплового баланса Земли и климата в целом. Быстрый рост СН4 в атмосфере со скоростью 0.8-1%' в год заставил искать главные источники этого газа на территории Земли, в итоге накопились колоссальные сведения по динамике и пространственному варьированию эмиссии метана. В рамках ЕС программы CONGAS такого рода измерения были предприняты вдоль мегатрансекты от Гренландии до Западной Сибири. В частности, была обнаружена аномально высокая эмиссия метана из естественных болот юга Западной Сибири, открыты новые организмы метанового цикла в северных болотах. Однако уровень понимания регуляторных процессов до сих пор отстает от требований главной стратегической задачи: понимания взаимосвязей всех звеньев метановой цепи болот и прогноза динамики эмиссии метана на фоне возможных изменений климата. Вероятно, один из главных пробелов - отсутствие исследований на уровне целостного почвенно-растителыюго сообщества, которые связывали бы наблюдаемую эмиссию газов с метаболизмом почвенных микроорганизмов.

Цель работы. Исследовать взаимосвязанные процессы образования, накопления, транспорта, потребления метана в торфяном слое и его эмиссии в атмосферу.

Задачи исследования.

1. Разработать методики мониторинга эмиссии, динамики генерации и распределения метана в торфяном профиле на изолированных монолитах

2. Исследовать вклад различных видов транспорта метана в его эмиссии в зависимости от географического положения, экотопа и факторов среды

3. Исследовать транзитную динамику газообмена в результате смены условий среды -температуры и уровня воды

4. Определить количественные и временные характеристики превращений углерода метанового пути

Научная новизна. Разработаны методики автоматической регистрации распределения метана в торфяном профиле и газонасыщенности торфяного слоя в динамике, определения вертикального распределения метаногенной активности без выделения микроорганизмов и отбора почвенных образцов и дифференциации суммарной эмиссии на два потока (молекулярная диффузия + васкулярный транспорт и пузырьковый транспорт) на основе прямых экспериментальных данных. Произведено качественное и количественное описание указанных видов транспорта и их зависимостей. Определены количественные и временные характеристики превращений углерода метанового сного

мечения.

1

J

Аиробаиия. Результаты работы доложены на заседаниях кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В Ломоносова и департамента физической географии и экосистемного анализа Лундского университета.- Отдельные части исследования были также представлены на международных конференциях: осеннее заседание американского геофизического общества (АГО), Сан-Франциско, 1999; 11ыи международный конгресс по торфу, Квебек, 2000; третья международная конференция по криогенным почвам "Динамика и проблемы криозолов", Копенгаген, 2001; осеннее заседание АГО, Сан-Франциско, 2002; шестая финляндская конференция по наукам об окружающей среде, Йоенсуу, 2003.

Публикации, По результатам исследований опубликовано 4 статьи и 5 тезисов, 3 статьи сданы в печать.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, 4 глав, содержащих результаты исследований и их обсуждения, выводов и приложений. Работа, изложена на 115 страницах машинописного текста без приложений, содержит 3 таблицы и 54 рисунка.

Список использованной литературы включает 105 наименований.

Состояние проблемы.

В первой главе работы дан краткий обзор современных представлений о метановом цикле в болотных почвах - агентах и механизмах метаногенеза и метанотрофии, механизмах массообмена метана в почве и его эмиссии в атмосферу, оценки основных факторов, влияющих на эти процессы. Отдельно рассмотрены и классифицированы существующие методики измерения газовых эмиссий и концентраций газов в почве, показаны их достоинства и недостатки. Так, известные методы полевых измерений эмиссии дают низкое пространственное (микрометеорологические методы) или временное (камерные методы) разрешение, непригодное для данного исследования. Существующие методики определения газовых концентраций в почвенном профиле также связаны с низким разрешением по времени (прямой отбор и равновесные мембранные системы) или имеют серьезные проблемы в наиболее интересных нам многофазных средах (неравновесные мембранные системы)

Объекты и методы исследования.

Основным объектом исследований являлись почвенные монолиты ненарушенного сложения, отобранные из заболоченных территорий различного географического положения:

Стордален ^Ш^^п). Болото смешанного типа, расположено на севере Швеции (68°22'сш, 19°03'вд; высота 360 метров над уровнем моря).

Коппароо (Kopparas). Болото смешанного типа, расположено в юго-восточной части Швеции (577.5.' cm, 14°30' вд).

Хольмея (Holmeja). Болото смешанного типа, расположено в южной части Швеции (55°30'сш, 13°15'вд).

Кево (Kevo) Болото смешанного типа, расположено в северной части Финляндии (69°45'сш,27°18'вд)

Закенберг (Zackenberg). Болото смешанного типа, расположено в северо-восточной части Гренландии (74°30'сш, 21°00'зд)

Тулик Лейк (Toolik Lake). Болото смешанного типа, расположено на севере Аляски (68°38'сш, 149°38'зд)

Разработка комплексных методик, использованных в лабораторных экспериментах, являлась одной из задач исследования, часть методик имеет научную новизну. Авторские методики будут рассмотрены подробно в основной части работы.

Для измерения газовых потоков и концентраций использовали инфракрасные газоанализаторы (РР Systems EGM-2, INNOVA 1312, LiCor 6200), газовый хроматограф Shimadzu GC-17A, углеводородный анализатор CAI FID-300. В экспериментах с радиоактивной меткой использовали препараты фирмы Amersham Pharmacia Biotech; анализ производили с помощью сцинтилляционного спектрометра (Packard Tri-Carb 2100TR liquid scintillation analyzer). Измерительные приборы авторской конструкции подробно описаны в приложениях к диссертации. Для обработки результатов исследований применяли программы Excel (Microsoft) и SigmaPlot (SPSS); для математического моделирования - профаммы ModclMakcr (SB Technology) и MultiSolver (авторская разработка, в соавторстве). Пакет профамм для управления автоматическими экспериментальными системами (авторская разработка) подробно описан в приложении 3 к диссертации.

Глава 1. Динамика газообмена между торфяным монолитом с ненарушенным растительным покровом и атмосферой.

В первой главе дается анализ характера и особенностей метановой эмиссии на основе использования высокоточных круглосуточных измерений в строго контролируемых лабораторных условиях - в опытах на изолированных торфяных монолитах.

Разработанная схема поддержания монолита с ненарушенным растительным покровом при непрерывной вентиляции и мониторинге состава входящей и выходящей газовой смеси (рис.1) позволила вести круглосуточную регистрацию эмиссионных потоков в режиме реального времени (с частотой до 0.5 мин1) на протяжении нескольких месяцев. Это дало возможность получить истинную картину динамики метановой эмиссии (рис.2).

Многочисленные «мгновенные» пики эмиссии метана, вызванные выходом газовых пузырей, имеют стохастический характер, как по частоте выхода, так и но амплитуде.

200 •

150 |

100

50

1м

¿1

¿1

¿1

0

4 июня блоня Вмоия 10 июня 12ионя 14 июня

РисуноК'2. Пример динамики метановой эмиссии торфяного монолита..

Рисунок 3. Пример долгосрочной динамики среднесуточных значений..

- СН4 эмиссия/фотосинтез • СН4 эмиссия/дыхание

0.7 дыхание/фотосинтез

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0 .............* «г^а -*г * ♦ а *ПГк к ■А * к к

-5 0 5 10 Запаздывание, сут 25

Рисунок 4. Достоверность корреляции (II2) фотосинтеза, дыхания и эмиссии метана при различном выборе срока запаздывания.

По среднемесячным значениям эмиссии метана изолированные торфяные монолиты соответствовали естественным экосистемам в местах олбора при соответствующих условиях среды.

Сопоставляя величины среднесуточного фотосинтеза и среднесуточного общего дыхания (рис.3) получали высокую степень корреляции при запаздывании в 1 сутки (рис.4). По-видимому, это объясняется количественным превалированием быстрых аэробных процессов растений и ризосферы в общем обмене углерода. В то же время непосредственной корреляции эмиссии СН4 с величинами фотосинтеза или дыхания не обнаруживали при запаздывании до 25 суток (рис.4). Наиболее вероятное объяснение отсутствия простои зависимости эмиссии метана от основных экосистемных характеристик заключается в составном характере потока СН4 из почвы и существенном различии в закономерностях этих составляющих. На рисунке 5 показаны мгновенные соотношения (частота измерений 0.5 мин1) величии эмиссий СО2 (ночная эмиссия) и СН4. Данные охватывают три различных монолита (север, центр и юг Швеции, обозначены разными символами), более 6 месяцев, более 25000 точек. В размытом облаке точек явно различимы два кластера. Первый (аппроксимируется прямой Л) соответствует низким значениям эмиссии метана, независимым от значений эмиссии СО2; Второй (прямая Б) - эмиссия СН4, представленная более высокими значениями, коррелирует с эмиссией СО2.

В нашей интерпретации кластер Б отражает эмиссию в моменты выхода газовых пузырей, кластер Л - в их отсутствие.

Исследуя эмиссию метана из почвы в атмосферу, нельзя не учитывать принципиально различные пути транспорта СИ4 сквозь толщу самого торфяного монолита. Необходимо выделение как минимум двух составляющих: пузырькового и диффузионного транспорта (который включает собственно молекулярную диффузию и «облегченную диффузию», в т.ч. васкулярный транспорт).

Для дифференциации газовых потоков из монолита в атмосферу на диффузионную и пузырьковую составляющие разработали два алгоритма, базирующихся на обработке данных моментальных эмиссий без дополнительного воздействия на монолит. Первый метод основан на моделировании двух составляющих потока (рис.6), при этом диффузионную компоненту принимали за постоянную величину, а выход газовых пузырей считали мгновенным.

Подобный анализ эффективен при стабильных величинах диффузионного транспорта и крупных редких газовых пузырях. В ггротивном случае для вычленения двух составляющих эмиссии необходимо применение второго метода.

Второй метод основан на применении статистического анализа - частоты встречаемости различных величин эмиссии. В условиях отсутствия пузырькового транспорт (рис.7А) регистрируется нормальное распределение частот эмиссий; вершина частотного пика соответствует средней величине эмиссии. При наличии пузьтрькового транспорта (рнс.7Б) помимо первого частотного пика, соответствующего диффузионной составляющей, наблюдаются один шп несколько пиков, соответствующих выходу юзовых пузырей.

Рисунок 5. Соотношение моментальных величин эмиссий СО2 и СН4.

С02/ ррт 570

Газовый пузырь Вынос в-ва, мг С

сн. СО,

1 0.59 О.И

2 1.23 0.24

3 0.11 0.05

4 1.90 0.24

5 0.22 0.08

СК,, ррт 250

500 - -17:00

21:00 23:00

7:00

Рисунок 6. Пример подробной динамики концентраций С02 и СН4 в системе с выраженным пузырьковым транспортом.

200

100 •

160 140 120 100 80 60 40 20

0 ^ » » »■ •

Нормальное распределение Среднее 1.86 Стд. Откл. 0.22

' 0%

-Частота регистрации, 1/сут (левая шкала)

—Доля от общей эмиссии, % (правая шкала)

Эмиссия, мгС/м /ч

Рисунок 7. Частотный анализ значении моментальной эмиссии для одного монолита в различных условиях. А: пузырьковый транспорт отсутствует; Б сущест венный вклад пузырькового транспорта.

Интересно, что в случае Б пузыри, выходящие с частотой 3 раза в сутки обеспечивают 16% от общей эмиссии. Отметим также, что разница средних значений эмиссии в приведенных вариантах обеспечивается как вкладом пузырькового транспорта, так и различным уровнем диффузионной составляющей.

Таким образом, по вершине первого частотного пика можно определить средние значения диффузионной составляющей эмиссии для каждого конкретного случая. Величины пузырьковой составляющей равны разнице между общей эмиссией и этими значениями.

Описанным методом анализировали потоки метана из различных монолитов в одинаковых условиях (рис.8). Для монолитов различного географического происхождения обнаружили существенные отличия как в значениях средних величин суммарной эмиссии, так и в соотношении ее составляющих. В двух монолитах, отобранных с одного болота (Коппарос) разница в эмиссии СН4 была обусловлена пузырьковой компонентой, в то время как диффузионная практически не отличалась.

Соотношение составляющих эмиссии было различно не.только для различных монолитов, но и для одного и того же монолита в различных условиях, например, освещенности (рис.9). При этом так же, как и в случае с двумя повторностями, разница в общей эмиссии приходится на пузырьковую составляющую. Мы интерпретируем данное наблюдение следующим образом: величина диффузионной составляющей метановой эмиссии зависит от градиента концентраций растворенного метана, который более или менее постоянен и во времени, и в пространстве. Он определяется физическими свойствами торфа, уровнем почвенно-грунтовых вод, плотностью, составом и физиологическим состоянием растительного покрова, профильным распределением метаногепнон и метанотрофной активности. Пузырьковая составляющая эмиссии обусловлена образованием, ростом и перемещением по вертикали торфяного слоя газовых пузырей, содержащих высокую концентрацию метана, поэтому более вариабельна. Таким образом, различные компоненты эмиссии количественно связаны сразными формами метана в торфяной толще. Изучению этих форм посвящена следующая глава работы.

Глава 3. Почвенный профиль газов в монолите.

Как и в природных условиях, в изолированном монолите СНд и другие газы присутствуют в затопленном торфяном слое в двух видах - растворенном и газообразном (в запертых газовых пузырях).

Пример профильного распределения растворенных метана и СО2 показан на рисунке 10А. Содержание СН4 в растворе растет с глубиной, при этом наблюдается четкая корреляция с содержанием растворенного СО2.

Рисунок 8. Средние величины эмиссии с подразделением на диффузионную (нижняя часть) и пузырьковую (верхняя часть) составляющие для четырех монолитов разного географического происхождения.

12

РЧ 10

У 8

г

г 6

и

к 4-

и 2

£

т 0-

□ пузырьковая : о диффузионная

3.47

5.03

день

ночь

Рисунок 9. Пример сравнения дневных и ночных потоков с разбивкой на составляющие..Монолит Копиарос 1, данные усреднены за 1.5 месяца.

Рисунок 10. А: пример характерного профильного распределения С02 и СН4 в в почвенном монолите (Хольмея, Юж. Швеция, осоково-сфагловяя ассоциация). Б: пример профилей газонасыщснностн (отношение объема газовых пузырей к общему объему, %) и содержания метана в газовой фазе (отношение количества СН4 в газовых пузырях к его общему количеству, %).

Таблица 1. Пример соотношения эмиссии метана и его запасов в толще монолита

Эмиссия СН4:

54 мг С/сут

Запас СН4 в толще монолита:

суммарно по фазам соответствует эмиссии :ш

в растворе 135 мг С 2.5 сут

в газовой фазе 1420 мг С 26.3 сут

всего 1555 мгС 28.8 сут

В верхних слоях, где присутствует растворенный кислород, соотношение меняется за счет мстанотрофной активности (концентрация СО2 увеличивается, концентрация СН4 падает); существенное снижение концентрации СН4 и, в меньшей степени, СО2 в нижних горизонтах обусловлено конструкцией монолита: его нижняя граница, богатая срезами корней и корневищ растений дает артефактный сток (для метана как физический, за счет васкулярного транспорта, так и биологический, за счет обогащения кислородом).

Профильное распределение газовых пузырей в затопленном монолите показано на рисунке 10Б. В верхних горизонтах (0-5 см) газонасыщенность практически нулевая - из этой зоны газовые пузыри могут беспрепятственно выходить в атмосферу. Ниже, до 15см газонасыщенность увеличивается и сохраняется на уровне 30-35% во всех нижележащих горизонтах.

В силу малой растворимости метана в воде (3.3 мл на 100 мл воды при 20°С) большая часть суммарного С1Ь к затопленном монолите находится в виде газовых пузырей (93-95% на глубинах более 15см). Сравнение запасов метана в растворе и защемленных газовых пузырях с величиной эмиссии данного монолита (табл. 1) показывает, что только за счет имеющегося запаса может быть обеспечена месячная эмиссия СН4. Соответственно, малейшие колебания этого пула дают серьезные изменения в величинах эмиссии даже при отсутствии изменений в интенсивности метаногенеза и метаноокисления. При этом изменение градиента растворенного метана приводит к изменению диффузионной составляющей эмиссии, а изменение в количестве СН4, запертого в пузырях - к изменению пузырьковой составляющей.

Потому мониторинг профильного распределения растворенного метана и пула газовых пузырей необходим для любых количественных оценок, связанных с образованная, накоплением и транспортом метана в торфяном слое. Для этих целей потребовалась разработка высокоточных недеструктивных способов определения концентраций СН4 в растворе и газовой фазе, а также газонасыщенности по всему профилю монолита.

Для прецизионного мониторинга профильного распределения концентраций растворенного и газообразного метана разработана автоматическая система на базе мембранных пробоотборников. Использование мембранных пробоотборников для измерения концентраций растворенных газов описано в литературе и известно на протяжение более 20 лет. Однако традиционная конструкция, имеющая одну мембрану (мономембранный пробоотборник, ММП - рис. 14А), имеет ряд недостатков: чувствительность к деформации и загрязнению мембраны, разница сигналов между водным раствором и газовыми пузырями (рис. 14В). Последний феномен делает практически невозможным использование ММП в торфяной толще с высокой газонасыщенностью, т.е. в наиболее интересных для нашего исследования условиях.

30 •■*> 25 20 15 -10 • 5

о СН4 ОС02

0.00

12:00

0:00

12:00

0:00

12:00

0:00

120С

Рисунок 11. Конструкция мембранных пробоотборников. Л: мономембранный (ММН), Б: бимембранный (БМП) пробоотборники; В, Г: изменение сигнала при переносе из газовой в равновесную жидку ю фазу; Д: общий вид пробоотборника, смонтированного на стенке монолита.

1 - силиконовая мембрана; 2 - внутренняя силиконовая мембрана; 3 - внешняя силиконовая мембрана; 4 -межмембранное пространство: 5 - пластиковое колыш

Этот феномен был тщательно изучен, построена физическая и математическая модели мембранных процессов в смешанных средах. В результате была спроектирована и создана конструкция, лишенная перечисленных недостатков -бимембранный пробоотборник (БМП, рис. 14Б). Диффузионный массоперенос в БМП лимитируется внутренней «толстой» мембраной, которая граничит не с внешней средой, а с межмембранным пространством. Поэтому внутренняя мембрана не. деформируется, не повреждается, не загрязняется и не подвержена микробному обрастанию. Кроме того, эта мембрана всегда сухая и имеет контакт только с газовой фазой. Внешняя, тонкая и имеющая большую площадь мембрана, не оказывает существенного влияния на общую скорость диффузии. В результате, БМП практически не имеет разницы в регистрируемом сигнале при контакте с жидкостью и равновесным с ней газовым пузырем (рис.ИГ). При этом можно рассчитать концентрации как растворенного, так и газообразного метана на данной глубине, пользуясь двумя различными коэффициентами. Работа БМП также смоделирована математически, определены допустимые параметры и свойства конструкции.

На базе мембранных пробоотборников создана автоматическая система для регистрации концентраций метана в торфе. Система состояла из 10-12 пробоотборников, зафиксированных в монолите горизонтально с шагом 2-10 см. Благодаря автоматизации система работала круглосуточно без вмешательства оператора, позволяя получить динамику концентрационного распределения метана и ССЬ с разрешением по времени порядка 10 минут. Для всей измерительной системы в целом также была создана математическая модель, позволяющая найти оптимальный режим работы и однозначно определить динамику концентраций метана в среде по данным измерений.

Использование мембранных пробоотборников позволяет проследить детальную динамику концентраций СН4 и СО2 по профилю, как в растворенной, так и в газообразной форме. Однако для полного описания профильного содержания этих компонентов необходим контроль еще одного параметра - газонасыщенности торфа (суммарный объем газовых пузырей на разных глубинах). Для этого был разработан недеструктивный метод точного определения газонасыщенности в режиме реального времени. Он основывается на измерении гальванического тока между алюминиевым корпусом монолита и стальным пробоотборником. Этот ток пропорционален площади контакта пробоотборника с жидкой фазой, т.е. обратно пропорционален газонасыщенности данного горизонта (рисЛ 2).

Разработанные методы позволили производить комплексную оценку перераспределения почвенного метана врядеманипуляциониыхэкспериментов.

-15!

35 - Сигнал, цА.

30 25 -20 15 • 10 ♦ • * 1'

5

0 - ♦ ♦ ♦ ♦

-5 Контакт с водой, мм

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

Рисунок 12. Калибровка метода определения газонасыщенности но величине гальванического тока: зависимость сигнала от погружения пробоотборника в воду;

Глава 4. Манипуляционные эксперименты с монолитами:

Эксперимент по влиянию температуры на миссию метана проводился па трех различных монолитах в течение 100 суток (рис.13). Температуру монолитов понижали ступенчато с шагом ~3 градуса и временем стабилизации 2-3 недели. В качестве результатов рассматривали устоявшиеся при соответствующей температуре величины эмиссии. Результаты показывают, что зависимость обшей эмиссии от температуры обусловлена в первую очередь пузырьковой составляющей. Диффузионная эмиссия с увеличением температуры может как увеличиваться (вследствие увеличения концентрационного градиента), так и уменьшаться (вследствие снижения растворимости метана в воде), или иметь более сложную зависимость. Одно из объяснений разницы ночных и дневных значений эмиссии также основывается на разнице в температуре верхних слоев торфа.

Влияние температуры на концентрационные профили растворенного метана показано на рисунке 14. При понижении температуры повышается растворимость кислорода в воде, и он проникает глубже по монолиту. При этом метаногениая активность в средних слоях тормозится. Одновременно увеличение растворимости метана способствует его диффузионному оттоку.

Для изучения влияния уровня почвенно-гр уптовых вод на эмиссию метана

проводили два типа экспериментов. Первый направлен на изучение воздействия кратковременного изменения УПГВ.

Эксперимент проводили путем сливания почвенного раствора, продувки азотом и зхшвапия вновь. При этом основная часть растворенного метана удалялась, а метан газовых пузырей выдавливался в атмосферу.

После обратного заливания воды метаногенная активность восстанавливалась по всему профилю. По графикам роста концентраций растворенного метана (рис.15Л) можно локализовать основные метаногенные горизонты. В данном случае они были расположены на глубине около 19 и 31 см. Весьма вероятно, что нижний метаногенный горизонт, как и нижний метанотрофный, являлся артефактом конструкции монолита.

В то же время характерный профиль газонасыщенности с высоким содержанием защемленных газовых пузырей восстанавливхпея еще быстрее (рис. 15В), практически за 1-2 суток. При этом в микрозонах локализации метаногенных микроорганизмов метан по-видимости сразу же переходил в газовые пузыри, а затем растворялся в окружающей жидкости.

Горизонты максимальной газонасыщенности в анаэробной части профиля соответствовали горизонтам наибольшей метаногенной активности; под действием архимедовой силы газовые пузыри распространялись вверх, поэтому максимум газонасыщенности в горизонте 31 см смещался вверх на горизонт 27см. Метод быстрой смены почвенного раствора с его дегазацией может выть рекомендован для исследования профгпьного распределения метаногенной активности in vivo.

Второй тип экспериментов был направлен на определение влияния долговременного изменения уровня почвенно-грунтовых вод на образование и эмиссию метана. В данном эксперименте уровень воды в монолите понижали с О до 10 см, а через 2 недели вновь повышали до исходного уровня. После повышения УПГВ концентрация метана в верхних горизонтах росла за счет диффузии, однако прежний газовый профиль не восстанавливался (рис. 16). В начальный момент времени в концентрационном профиле наблюдались два концентрационных пика, соответствующие двум горизонтам мстаногенной активности (см. выше). При возникновении аэробных условий в верхней части монолита первый метаногенный горизонт дезактивировался и верхний концентрационный пик исчезал, в то время как нижний активизировался. После обратного поднятия УПГВ и возвращения анаэробных условий в верхнюю часть профиля признаков реактивации метаногенеза не наблюдалось, по меньшей мере, в течение 2х недель.

Общая эмиссия

% пузырьковой эмиссии

7 12 17

8 Диффузионная эмиссия

-д

22

7 Пузырьковая эмиссия

22

22

Температура, °С

Рисунок 13. Влияние температуры на общую эмиссию и ее составляющие.

5

2 10 и

2 15

I 20

£ 25

30 35

0

о 19°С 16°С * 13.5°С 10.5°С -•—8°С

о.....

4 СЬЦ, мг/л

Рисунок 14. Концентрационные профили растворенного метана при разных температурах (монолит Хольмея).

-Осут 0 :

-1 сут

-2 сут 5 •

- Зсут

4 сут 10 -

-5 сут

-б сут 15 ;

-7 сут

8 сут 20 •

25

30 :

35 •

2 СН4, мгС/л 4

0%

10% 20% 30% 40% 50%

Рисунок 15. Профильное распределение растворенного СН4 и газонасыщенности торфа после дегазации профиля.

27авг 17а вг 7 а кг 23июл

18ик>л

0 0.5 1 1.5

Рисунок 16. Профили концентраций метана при длительном изменении УГВ (усреднение по 5 сут).

Глава 5.14С-импульсное мечение монолита.

Манипуляционные эксперименты - один из методов исследования процессов, происходящих в торфяном монолите. Другой метод, не связанный с преднамеренным нарушением хода этих процессов - метод импульсного радиоактивного мечения. Он помогает найти истинные скорости процессов метановой цепочки.

Мечение "С-С02. Метку вносили в газовое пространство камеры в виде газообразного СО2, меченого по атому углерода (изотоп 14С). Этот углерод фиксируется зелеными растениями в процессе фотосинтеза, а затем обнаруживается в составе СН4. Значительная часть поглощенного углерода также эмитируется в виде С(Х Схема установки для регистрации динамики |4С-СО. и |4С-СН4 эмиссии изображена на рисунке 17.

Часть газа, выходящего из газовой камеры монолита (см. рис.1) пропускали через раствор щелочи (при этом происходило поглощение СО2), затем чере? каталитический выжигатель (при этом происходило окисление СН4 до СО:), и снова через щелочь (в которой улавливался углерод из состава метана). Растворы щелочи меняли 1-6 раз в сутки и в них определяли содержание 14С. Для точного измерения объема прошедшего через поглотительную систему воздуха использовали цифровой расходомер (ЦРМ, авторская конструкция). Примеры динамики I4C-C0i и 14С-СН4 эмиссии после импульсного мечения |4СО? показаны на рисунке 18. Максимум 14СО2 эмиссии приходился на первые сутки после мечепия (что является независимым подтверждением «быстрого» аэробного цикла углерода - см. выше), затем эмиссия падала по логарифмической кривой. Временной максимум метановой эмиссии составлял порядка 40 суток с момента мечения.

Такой долгий метаболический путь от фиксации углерода до эмиссии метана объясняет отсутствие прямой корреляции этой эмиссии с величинами фотосинтеза и прочими параметрами экосистемы (см. выше).

Как известно, два основных типа метаногенеза - водородный и ацетокластический. В первом случае субстратами являются СОЛ и 1Ь, во втором -ацетат. Ацетат входит в пул растворимых органических веществ торфяной жидкости, содержание метки в котором определяли прямым отбором проб жидкой фазы.

Пример динамики |4С в растворе в составе растворенного СО2, растворимого органического вещества (РОВ) и растворенного метана на одной глубине (9 см) показан на рисунке 19. Он дает возможность оценить скорости процессов метановой цепочки без задержки, вызванной транспортом. Первый пик |4С выходил в составе растворенного СОЛ на 8 сутки (в отличие от «быстрого» аэробного, это - «медленный» анасробный СО2), затем следовал более пологий

Рисунок 17. Схема установки для регистрации динамики МС-С02 и МС-СН4

ЭМИССИИ.

2.5%

14С02

14СН4

0.005%

0.004% о -р

сс V ц "

о —

0.003% 3 05

5 2 и ¡5

0.002% | |

га-£ ?

0.001% >> а

0.0% - '•.....-............-...... ' -'-у. 0.000%

0 10 20 30 40

Время с момента "СОг мечения (сут)

Рисунок 18. Пример динамики ''С-СОг и МС-СН4 эмиссии после импульсного мечения.

пик 14С в составе РОВ - 25 сутки, и, наконец, еще более пологий пик - метан, 3540 сутки. На основе этого мы можем сделать предположение о преобладании в данном монолите при данных условиях ацетокластического метаногенеза, и определить характерные скорости превращении метановой цепочки: примерно 25 суток до ацетата и примерно 10-15 суток от ацетата до метана.

В следующем: эксперименте мечению подвергали три монолита, отобранные в непосредственной близости друг от друга (Кево), но на разных формах микрорельефа: высокая кочка, низкая кочка и мочажина. Динамика эмиссии |4СН4 концентрации 14С в РОВ для двух из них показана на рисунке 20. Отличие наблюдается как в абсолютных значениях (причем соотношения |4СН4 эмиссии и |4С-РОВ на удивление близки), так и во временах выхода максимумов меченого углерода в составе РОВ и метана. Для низкой кочки пик |4С-РОВ выходит на 25-30 сутки, 14СН4 -- на 35-40 сутки; для высокой кочки - на 2-3 и 10-11 сутки, соответственно. При этом временной разрыв в пиках концентраций |4С в РОВ и растворенном метане в обоих монолитах составлял около 10 суток. Можно предположить, что причиной столь разных скоростей образования меченого ацетата является существенное различие в его механизме. Возможно, что при наличии мощной аэробной зоны (высокая кочка), ацетат образуется, в результате неполного окисления органических веществ, в то время как при ее отсутствии основным путем образования ацетата является брожение. Стадия образования метана из ацетата при этом одинакова.

На основе 14СО2 мечений можно предположить, что в исследованных биоценозах образование метана идет преимущественно по ацетокластическому пути. При это.м характерные времена для этапа собственно метаногенеза составляют порядка 10суток, а образование ацетата из первичных продуктов фотосинтеза занимает в разныхусловиях от 2 до 30 суток.

Для более детального изучения процессов ацетокластического метаногенеза в целостном монолите применяли импульсное мечение |4С-ацетатом. Мечей не иС - ацетатом. Мечение ацетатом проводили путем внесения 14С-ацетата горизонтальными трассами на глубине 6 см. При этом общая концентрация ацетата в растворе метки была равной естественной его концентрации в конкретном монолите на этой глубине на момент внесения.

Внесенный ацетат в течение нескольких часов равномерно распространялся по профилю (в соответствии с естественными концентрациями) а затем потреблялся, при этом наблюдалась эмиссия меченых СОг и СН4 (рис. 21). Соотношение выделяющихся СО2 и СН4 было близко к.эквимолярному. Так как мечение проводили смесью 50% 14СН3СООН и 50% СЩ14СООН, по уравнению реакции СЩСООН = СН4 + СО? должно было образовываться как раз эквимолярное соотношение. Однако известно, что могут быть и другие процессы.

Время с момента "С02 мечения (сут) Рисунок 19. Пример динамики |4С в растворе после импульсного мечения.

Рисунок 20. Пример динамики |4С-РОВ и ''С-СН* эмиссии для двух

монолитов.

влияющие на это соотношение:

водородный метаногенез: СОг + 41Ь = СН4 + 2НгО (-СО?, +СН4) метанотрофное окисление: СН4 + 202 = СО; + 2Н:0 (+С02, -СН4)

• - окисление ацетата: СН3СООН + 30, = 2С02 + 2Н:0 (+С0:)

• фотосинтез (вторичное улавливание|4СО;;) • (-СО?)

В результате этих процессов реальная эмиссия uCOi была немного выше эмиссии 14СН4 (разница от 0 до 17%).

Данный эксперимент не может быть использован для доказательства протекания метаногенеза исключительно по ацетокластическому пути, но он как минимум доказывает наличие такого метаногенеза в соответствующих условиях и подтверждает его основную роль.

Второй момент - временные характеристики этого процесса. Максимум эмиссии метана в данном эксперименте пришелся на 7-8 сутки, что примерно соответствует характерным временам, выявленным в экспериментах с мечением |4СО2- При этом необходимо заметить, что монолит для ацетатного мечения был отобран в Гренландии, а монолиты для СО2 мечения - в северной Финляндии и Аляске...

8 о РОВ. 3см- 60

, о о РОВ, 9 см

Í . А '

О 5 10 15 20 25 30

Время с момента мечения (д)

Рисунок 21. Пример динамики |4С в РОВ после импульсного мечения.

Выводы.

1. Эмиссия метана из изолированных торфяных монолитов с ненарушенным растительным покровом аналогична натуральной в местах отбора при соответствующем температурном режиме и может быть детально изучена на основе прямых измерений.

2. Общая эмиссия является суммой двух принципиально различных компонентов: диффузионного и пузырькового. Эти компоненты имеют разную природу и разные закономерности и могут быть дифференцированы на основе анализа эмиссионной динамики.

3. Разработан автоматический метод слежения за профильным распределением концентраций почвенных газов, основанный на использовании мембранных пробоотборников- Установлено, что различные компоненты эмиссии количественно связаны с разными формами метана в торфяной толще, в частности, молекулярная диффузия определяется градиентом растворенного газа, а пузырьковый транспорт - профильным распределением защемленных газовых пузырей.

4. Разработан автоматический метод регистрации динамики газонасыщенности в торфяном монолите. Установлено, что при температуре 18°С содержание метана в торфяном монолите в виде защемленных пузырей сопоставимо с его месячной эмиссией.

5. Профильное распределение защемленных газовых пузырей является функцией метаногенной активности и температуры. Размеры пузырей в момент выхода на поверхность и их газовый состав могут быть определены на основе концентрационных всплесков в газовом объеме камеры.

6. С увеличением температуры имеет место экспоненциальный рост скорости метаногенерации и ускорение транспорта в атмосферу, более сильно выраженное в отношении пузырькового транспорта, прежде всего из-за изменения растворимости и скорости диффузии газов.

7. Разработан метод изучения вертикального распределения источников газа (слоев метаногенерации) путем кратковременной дегазации профиля, не вызывающей подавления метаногенеза.

8. Длительное понижение уровня воды вызывает дезактивацию верхних метаногенных горизонтов; на восстановление их активности после возвращения анаэробных условий требуется значительное время.

9. Основным типом метаногенеза в исследованных почвах является ацетокластический метаногенез; характерное время превращения ацетата в метан при температуре 20°С составляет порядка 10 суток; характерные времена метаболического пути от первичных продуктов фотосинтеза до ацетата сильно различаются в зависимости от форм микрорельефа и могут составлять от двух до 30 суток.

Список работ, опубликованных но теме диссертации

Журныльные статьи

1. Паников Н.С.. Глаголев М.В., Кравченко И.К.. Мастепанов М.А., Косых H.N., Миронымева-Токарева Н.П., Наумов А.В.. Иноуе Г. и Макс ютов Ш. Эмиссия метана из верховых болот Западной Сибири в зависимости от характера растительного покрова. Ж.Экол. Химии, 6(1):59-67, 1997.

2. Christensen Т. R., Ekberg A., Strom, L., Mastepanov, M.. Panikov, N.. Oquist, M., Svensson, В. Н., Nykanen, H., Martikainen. P.J. & Oskarsson, H. Factors controlling large scale variations in methane emissions from wetlands, Geophvs. Res. Lett., 30(7), 1414,2003.

3. Christensen, T.R., Panikov, N., Mastepanov, M, Joabsson, A., Stewart, A., Oquist, M.. Sommerkorn, M., Reynaud, S. & Svensson, B. Biotic controls on CO2 and (114 exchange in wetlands- a closed environment study. Biogeochemistty 64:337-354. 2003. "

4. Strom, L., Ekberg, A., Mastepanov, M. & Christensen, T.R. The effect of vascular plants on carbon turnover and methane emissions from a tundra wetland. Global Change Biology, 9:1185-1192, 2003.

Материалы конференций

5. Christensen T.R.. Panikov N.. Joabsson A., Oquist M., Svensson B. Mastepanov M. Documenting carbon flow from photosynthesis to formation and emission of atmospheric СН4 in wetlands using I4C labeling. Proceedings AGU Fall Meeting, San Francisco, B22C-07, pp. 335, 1999.

6. Mastepanov M.A., Panikov N.S., Christensen T.R Continuous recording of dissolved gas concentration in a peat profile: field and laboratory testing. Sustaining our peatlands: proceedings of the 11th International Peat Congress, Quebec, 2000

7. Panikov N.S., Mastepanov M.A. Cold-Season Emission of CO: and CH4 from Soils to Atmosphere and Microbial Activity in the Frozen Ground. Proceedings: Third International Conference on Cryogenic Soils "Dynamics and Challenges of Cryosols" Copenhagen, 2001.

8. Crill P.M., Christensen T.R., Mastepanov M., Svensson В., Strom L., Johanson Т., Friborg T. Springtime transition in CO2 and total hydrocarbon exchange of a subarctic mire. Proceedings AGU Fall Meeting, San Fransisco, 83(47), B52A-0737, 2002.

9. Saamio S, Aim J, Christensen TR, Mastepanov M, Merbach W, Silvola J, Stewart A, Strom L, Wittenmayer L. 2003. Exudation - important or not? In Honkanen JO, Koponen PS (eds), Sixth Finnish conference of environmental sciences, Joensuu May 8-9 2003, Current perspectives in environmental science and technology, pp. 32-34. Joensuu University Press, 2003.

i.1826

РНБ Русский фонд

2004-4 27044

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Мастепанов, Михаил Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ЧАСТЫ. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Метановый цикл в болотных почвах

1.1.1. Микробиологические агенты метанообразования и метанопотребления

1.1.2. Механизмы массообмена и эмиссии метана

1.1.3. Факторы, влияющие на эмиссию метана из болотных почв

1.1.3.1. Температура

1.1.3.2. Уровень почвенно-грунтовых вод

1.1.3.3. Растительность

1.1.3.4. Почвенные факторы

1.2. Методы изучения газовых эмиссий

1.3. Методы определения концентраций газов в почве

1.3.1. Прямой отбор

1.3.2. Мембранный отбор

1.3.2.1. Равновесные системы

1.3.2.2. Неравновесные системы

ЧАСТЬ 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.2.1. Изолированный торфяной монолит

2.2.1.1. Отбор монолитов

2.2.1.2. Методика поддержания

2.2.1.3. Измерения газового состава атмосферы монолита

2.2.1.4. Измерения в почвенном профиле

2.2.2. Метод мембранных пробоотборников

2.2.2.1. Конструкции пробоотборников 35 Мономембранный пробоотборник 35 Бимембранный пробоотборник

2.2.2.2. Автоматическая измерительная система

2.2.2.3. Методики калибровки и использования системы

2.2.3. Определение газонасыщенности методом гальванических токов

2.2.4. Изменение УГВ

2.2.5. Изменение температуры

2.2.6. Импульсное мечение

2.2.6.1. Внесение метки 42 Мечение С02 42 Мечение ацетатом

2.2.6.2. Измерения в газовой фазе

2.2.6.3. Измерение в жидкой фазе методом ручного пробоотбора

2.2.6.4. Измерение в жидкой фазе методом мембранных пробоотборников

ЧАСТЬ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Глава 1. Динамика газообмена между торфяным монолитом с ненарушенным растительным покровом и атмосферой

3.1.1. Потоки между поверхностью торфа и атмосферой.

3.1.2. Роль газовых пузырей в эмиссии метана.

Глава 2. Почвенный профиль газов в монолите.

3.2.1. Профильное распределение растворенного метана.

3.2.2. Профильное распределение газовых пузырей.

3.2.3. Система для автоматической регистрации концентраций растворенных газов.

3.2.3.1. Характеристики трансмембранного газообмена.

3.2.3.2. Время установления равновесия.

3.2.3.3. Параметры мембраны и пробоотборника.

3.2.3.4. Характеристики измерительной системы.

3.2.3.5. Сложные случаи. 72 Переходные процессы. 72 Газовые пузыри 75 Микробное обрастание и загрязнение поверхности.

3.2.3.6. Бимембранный пробоотборник.

3.2.3.7. Известные ограничения и проблемы.

3.2.4. Определение газонасыщенности торфа методом гальванических токов.

Глава 3. Манипуляционные эксперименты с монолитами.

3.3.1. Влияние температуры.

3.3.2. Влияние изменения уровня грунтовых вод.

Глава 4. |4С-импульсное мечение монолита.

3.4.1. Мечение ,4С - С02.

3.4.2. Мечение 14С - ацетатом

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Кинетика газообмена в профиле сфагнового болота"

Парниковый эффект и парниковые газы стали весьма актуальной темой научных исследований, политических деклараций и общественного обсуждения в последние десятилетия. На протяжении тысячелетий Земля и Солнце поддерживали критический температурный и энергетический режим, позволивший жизни на планете развиться до современного состояния. Основным источником энергии для лито- и атмосферы Земли (а таким образом и для ее биосферы) является поток лучистой энергии от Солнца. 30% этой энергии отражается верхними слоями атмосферы обратно в космос, остальная же часть поглощается компонентами атмосферы и земной поверхностью. Последняя за счет поглощенной энергии нагревается, и сама становится источником вторичного инфракрасного (теплового) излучения. Спектр этого излучения отличается от солнечного существенным сдвигом в длинноволновую область, за счет которого вторичное поглощение тепловых лучей при прохождении через атмосферу отличается от первичного поглощения лучей солнечного спектра. В ситуации, когда вторичное тепловое излучение Земли поглощается ее атмосферой сильнее, чем солнечное, Земля как термодинамическая система увеличивает свою внутреннюю энергию за счет разницы между поглощенной и отданной энергией. Разогревается атмосфера, следовательно, растет температура земной поверхности, а значит, усиливается и интенсивность ее инфракрасного излучения. При определенной температуре поверхности система приходит в равновесие.

Явление повышения температуры Земной поверхности за счет вторичного поглощения теплового излучения получило название парникового эффекта {greenhouse effect) так как одним из первых примеров, демонстрирующих его действие, приводилось повышение температуры в парниках и теплицах с естественным освещением. Этот пример весьма неудачен, так как роль поглощенного излучения в парниках неизмеримо меньше, нежели эффект от физической изоляции внутреннего воздуха стенками парника. Однако, несмотря на неудачность термина, он прижился как в научной среде, так и в средствах массовой информации. Будучи весьма незначительным в парниках, парниковый эффект играет весьма значимую роль в земной атмосфере.

Какие газы атмосферы способны выполнять функцию парниковой пленки? Формальный ответ на этот вопрос следует из самой сути парникового эффекта. К парниковым газам следует относить все те газообразные компоненты атмосферы, интенсивность поглощения которых в солнечном спектре ниже, чем в "Земном", инфракрасном. Среди основных природных парниковых газов можно назвать пары воды (НгО), диоксид углерода (С02), метан (СН4), озон (Оз) и диоксид азота (NO2).

Присутствие в атмосфере Земли парниковых газов - важное условие для процветания жизни; благодаря им средняя температура над поверхностью планеты поддерживается на уровне +15°С, тогда как согласно расчетам [Shneider, 1989], в их отсутствие эта температура опустилась бы до -18°С. Более того, потенциальный эффект парниковых газов еще выше, он должен был бы вызвать разогрев поверхности до +77°С, если бы не существовало еще одного важного атмосферного регуляторного механизма -испарения и конденсации атмосферной воды.

Несмотря на то, что методы измерения концентраций парниковых (да и всех других) газов появились менее ста лет назад, ученым все же удалось изучить динамику колебаний этих газов в атмосфере на протяжении последних столетий и даже тысячелетий [Semiletov, 1993; Raynaud, 1993; Machida et al., 1994]. Это оказалось возможным благодаря остроумной методике моделирования состава атмосферы на основе анализа микропузырьков газа, законсервированных в ледовых ловушках Арктики и Антарктики.

Эти данные свидетельствуют: во-первых, колебания температуры атмосферы действительно коррелируют с изменениями концентраций парниковых газов; во-вторых, эти концентрации в геологическом масштабе времени подвержены достаточно сильным колебаниям без выраженных тенденций к росту или снижению. Совершенно иную картину можно увидеть, если взглянуть на изменения концентраций тех же газов за последние 250 лет. На этом временном отрезке видны не колебания, а явный экспоненциальный рост концентраций СО2, СН4 и N02. Именно этот рост послужил причиной тому, что интерес к проблеме парникового эффекта вышел за рамки узких научных кругов и стал всерьез обсуждаться общественностью и правительствами многих стран мира.

Важнейшее значение метана в парниковом эффекте следует из его существенного количества в атмосфере (третье по величине после Н2О и СО2) вкупе с наибольшим для первой четверки приростом в индустриальный * период (151%, при 31% для С02 и 17% для N20 - [1РСС, 2001]). Более того, парниковые свойства метана уникальны за счет его способности максимально адсорбировать световую энергию с длиной волны 7.7 нм, которую не поглощает ни один из известных парниковых газов [Tyler, 1991; Монин и Шишков, 2000]. Образно говоря, метан закрывает форточку, через которую проветривается планета.

Помимо собственных парниковых свойств, СН4 влияет на климат и ^ косвенно: продуктами фотохимических реакций окисления метана в тропо- и стратосфере Земли являются озон (Оз), водяной пар (Н20) и моноокись углерода (СО), также относящиеся к парниковым газам. Более того, СО окисляется в дальнейшем до С02, и расчеты [Cicerone and Oremland, 1988] показывают, что С02, образовавшийся в результате этой реакции, составляет 6% годовой эмиссии этого газа из антропогенных источников. Рассматривая эти факты и базируясь на соотношении величин адсорбции и времени жизни СН4 в атмосфере, были выведены формулы [Kiehl and Dickinson, 1987], которые показали, что метан является в 25-30 раз более эффективным парниковым газом, чем СОг.

Заболоченные территории как крупнейший источник атмосферного метана являются наиболее интересным компонентом глобального баланса этого газа. Абсолютные значения эмиссии метана из болот, приводимые различными авторами, слегка разнятся (237 Тг СНд/г -[Hein et al., 1997], 145 - [Houweling et al., 1999], 115 - [Fung et al., 1991], и другие, цит. no [IPCC, 2001]), однако по сравнению с прочими важнейшими источниками (рисовники, жвачные животные, антропогенные источники), болота твердо держат первое место. И если увеличение площадей, занятых под рисовые плантации и увеличение поголовья скота напрямую связаны с деятельностью человека и оценки, прогнозы и сценарии эмиссии метана из этих источников более или менее определенные, то ситуация с заболоченными почвами существенно сложнее: для оценки изменения эмиссионной активности болот при различных сценариях изменения климата и воздействия человека необходимо определение основных закономерностей эмиссии метана из болотных почв и основных факторов, влияющих на эту эмиссию. f*

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Мастепанов, Михаил Алексеевич

выводы

1. Эмиссия метана из изолированных торфяных монолитов с ненарушенным растительным покровом аналогична натуральной в местах отбора при соответствующем температурном режиме и может быть детально изучена на основе прямых измерений.

2. Общая эмиссия является суммой двух принципиально различных компонентов: диффузионного и пузырькового. Эти компоненты имеют разную природу и разные закономерности и могут быть дифференцированы на основе анализа эмиссионной динамики.

3. Разработан автоматический метод слежения за профильным распределением концентраций почвенных газов, основанный на использовании мембранных пробоотборников. Установлено, что различные компоненты эмиссии количественно связаны с разными формами метана в торфяной толще, в частности, молекулярная диффузия определяется градиентом растворенного газа, а пузырьковый транспорт - профильным распределением защемленных газовых пузырей.

4. Разработан автоматический метод регистрации динамики газонасыщенности в торфяном монолите. Установлено, что при температуре 18°С содержание метана в торфяном монолите в виде защемленных пузырей сопоставимо с его месячной эмиссией.

5. Профильное распределение защемленных газовых пузырей является функцией метаногенной активности и температуры. Размеры пузырей в момент выхода на поверхность и их газовый состав могут быть определены на основе концентрационных всплесков в газовом объеме камеры.

6. С увеличением температуры имеет место экспоненциальный рост скорости метаногенерации и ускорение транспорта в атмосферу, более сильно выраженное в отношении пузырькового транспорта, прежде всего из-за изменения растворимости и скорости диффузии газов. Разработан метод изучения вертикального распределения источников газа (слоев метаногенерации) путем кратковременной дегазации профиля, не вызывающей подавления метаногенеза. Длительное понижение уровня воды вызывает дезактивацию верхних метаногенных горизонтов; на восстановление их активности после возвращения анаэробных условий требуется значительное время. Основным типом метаногенеза в исследованных почвах является ацетокластический метаногенез; характерное время превращения ацетата в метан при температуре 20°С составляет порядка 10 суток; характерные времена метаболического пути от первичных продуктов фотосинтеза до ацетата сильно различаются в зависимости от форм микрорельефа и могут составлять от двух до 30 суток.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мастепанов, Михаил Алексеевич, Москва

1. Заварзин, Г.А. (1995) Микробный цикл метана в холодных условиях. Природа 6,3-14.

2. Монин, А.С. and Шишков, Ю.А. (2000) Климат как проблема физики. Успехи физических наук 170, 419-445.

3. Орлов Д.С., Минько О.И., Аммосова Я.М., Каспаров С.В., Глаголев М.В. (1987) Методы исследования газовой функции почв// Современные физические и химические исследования почв. М., Изд-во МГУ, с. 118-156.

4. Смагин А.В., Смагина М.В., Вомперский С.Э., Глухова Т.В. (2000) Генерирование и выделение парниковых газов в болотах. Почвоведение 9, 1097-1105

5. Химическая энциклопедия (1988-1998) Москва: Советская энциклопедия / Большая Российская энциклопедия.

6. Шлегель, Г. (1972) Общая микробиология, Москва: Мир.

7. Adamsen, A. and King, G. (1993) Methane Consumption in Temperate and Subarctic Forest Soils: Rates, Vertical Zonation, and Responses to Water and Nitrogen. Applied and Environmental Microbiology 59 (2):485-490.

8. Arah, J.R.M. and Stephen, K.D. (1998) A model of the processes leading to methane emission from peatland. Atmospheric Environment 32 (19):3257-3264.

9. Bartlett, K.B. and Harriss, R.C. (1993) Review and assessment of methane emissions from wetlands. Chemosphere 26, 261-320.

10. Beckmann, M. and Lloyd, D. (2001) Mass spectrometric monitoring of gases (CO2, CH4, O2) in a mesotrophic peat core from Kopparas Mire, Sweden. Global Change Biology 7, 171 -180.

11. Bellisario, L.M., Bubier, J.L., Moore, T.R. and Chanton, J.P. (1999) Controls on CH4 emissions from a northern peatland. Global Biogeochemical Cycles 13, 81-91.

12. Benstead, J. and Lloyd, D. (1996) Spatial and Temporal Variations of Dissolved Gases (CH4, CO2, and 02) in Peat Cores. Microbial Ecology 31, 5766.

13. Benstead, J. and King, G.M. (1997) Response of methanotrophic activity in forest soil to methane availability. FEMS Microbiology Ecology 23 (4):333-340.

14. Benstead, J. and Lloyd, D. (1994) Direct mass spectrometric measurement of , gases in peat cores. FEMS Microbiology Ecology 13, 233-240.

15. Bergman, I., Svensson, B.H. and Nilsson, M. (1998) Regulation of methaneproduction in a Swedish acid mire by pH, temperature and substrate. Soil

16. Biology and Biochemistry 30 (6):729-741. t

17. Beswick, K.M., Simpson, T.W., Fowler, D., Choularton, T.W., Gallagher, M.W., Hargreaves, K.J., Sutton, M.A. and Kaye, A. (1998) Methane emissions on large scales. Atmospheric Environment 32 (19):3283-3291.

18. Billings, W.D., Luken, J.O., Mortensen, D.A. and Peterson, K.M. (1982) Arctic tundra: a source or sink for atmospheric carbon dioxide in a changing environment. Oecologia 53, 7-11.

19. Chidthaisong, A. and Watanabe, I. (1997) Methane formation and emission from flooded rice soil incorporated with 13C-labeled rice straw. Soil Biology and Biochemistry 29 (8): 1173-1181.

20. Christensen, T.R., Panikov, N., Mastepanov, M., Joabsson, A., Stewart, A., Oquist, M., Sommerkorn, M., Reynaud, S. and Svensson Bo (2003) Biotic controls on CO2 and CH4 exchange in wetlands a closed environment study. Biogeochemistry 64, 337-354.

21. Cicerone, R.J. and Oremland, R.S. (1988) Biogeochemical aspects of atmospheric methane. Global Biogeochemical Cycles 2,299-327.

22. Claricoates, J. (1990) Gas production during peat decay. University of London. Doctoral thesis.

23. Clymo, R.S. and Reddaway, E.J.F. (1971) Productivity of Sphagnum (bog-moss) and peat accumuation. Hidrobiologia 12, 181-192.

24. Conrad, R. (1989) Control of CH4 production in terrestrial ecosystems. In: Andreae, M.O. and Schimel, D.S., (Eds.) Exchange of trace gases between terrestrial ecosystems and the atmosphere, pp. 39-58. Wiley U.K.

25. Cowie, G. and Lloyd, D. (1999) Membrane inlet ion trap mass spectrometry for the direct measurement of dissolved gases in ecological samples. Journal of Microbiological Methods 35 (1): 1 -12.

26. Crill, P.M., Bartlett, K.B., Harriss, R.C., Gorham, E., Verry, E.S., Sebacher, D.I., Madzar, L. and Sanner, W. (1988) CH4 flux from Minnesota peatlands. Global Biogeochemical Cycles 2, 371-384.

27. Crill, P.M., Martikainen, P.J., Nykanen, H. and Silvola, J. (1994) Temperature and N fertilization effects on methane oxidation in a drained peatland soil. Soil Biology and Biochemistry 26, 1331-1339.

28. Daulat, W.E. and Clymo, R.S. (1998) Effects of temperature and watertable onthe efflux of methane from peatland surface cores. Atmospheric Environment 32 (19):3207-3218.

29. Degn, H. (1992) Membrane inlet mass spectrometry in pure and applied microbiology. Journal of Microbiological Methods 15 (3): 185-197.

30. Dinel, H., Mathur, S.P., Brown, A. and Levesque, M. (1988) A Field Study ofthe Effect of Depth on Methane Production in Peatland Waters: Equipment andif

31. Preliminary Results. The Journal of Ecology 76 (4): 1083-1091.

32. Dise, N.B., Gorham, E. and Verry, E.S. (1993) Environmental factors controlling CH4 emissions from peatlands in northern Minnesota. Journal of Geophysical Research 98, 583-594.

33. Dunfield, P., Knowles, R., Dumont, R. and Moore, T.R. (1993) Methane production and consumption in temperate and subarctic peat soils: Response to temperature and pH. Soil Biology and Biochemistry 25, 321-326.

34. Frenzel, P. and Rudolph, J. (1998) Methane emission from a wetland plant: the role of CH4 oxidation in Eriophorum. Plant and Soil 202,27-32.

35. Friborg, Т., Christensen, T.R. and Soegaard, H. (1997) Rapid response of greenhouse gas emission to early spring thaw in a subarctic mire as shown by micrometeorological techniques. Geophysical Research Letters 24, 3061-3064.

36. Fung, I., John, J., Lerner, J., Matthews, E., Prather, M., Steele, L.P. and Fraser, P.J. (1991) Three-dimensional model synthesis of the global methane cycle.

37. Journal of Geophysical Research 96, 13033-13065.

38. Glascock, R.F. (1954) Isotopic Gas Analysis for Biochemists, New York: Academic Press.

39. Hargreaves, К,J. and Fowler, D. (1998) Quantifying the effects of water table and soil temperature on the emission of methane from peat wetland at the field scale. Atmospheric Environment 32 (19):3275-3282.

40. Hein, R., Crutzen, P.J. and Heinmann, M. (1997) An inverse modeling approach to investigate the global atmospheric methane cycle. Global Biogeochemical Cycles 11,43-76.

41. Hesslein, R.H. (1976) An in Situ Sampler for Close Interval Pore Water Studies. Limnology and Oceanography 21 (6):912-914.

42. Holzapfel-Pschorn, A., Conrad, R. and Seiler, W. (1986) Effects of vegetationon the emission of methane from submerged paddy soils. Plant and Soil 92 223-233.

43. Houweling, S., Kaminski, Т., Dentener, F., Lelieveld, J. and Heimann, M. (1999) Inverse modeling of methane sources and sinks using the adjoint of a global transport model. Journal of Geophysical Research 104, 26137-26160.

44. IPCC (2001) Climate Change 2001. The Scientific Basis. Cambridge:Щ

45. Cambridge University Press.

46. Joabsson, A. and Christensen, T.R. (2001) Methane emissions from wetlands and their relationship with vascular plants: an Arctic example. Global Change Biology 7,919-932.

47. Joabsson, A., Christensen, T.R. and Wallen, B. (1999) Vascular plant controls on methane emissions from northern peatforming wetlands. Trends in Ecology & Evolution 14 (10):385-388.

48. Kiehl, J.T. and Dickinson, R.E. (1987) A study of the radiative effects of enhanced atmospheric C02 and CH4 on early Earth surface temperatures . Journal of Geophysical Research 92, 2991-2998.

49. King, G.M. (1994) Associations of methanotrophs with the roots and rhizomes of aquatic vegetation. Applied and Environmental Microbiology 60 (9):3220-3227.

50. King, G.M. (1996) In Situ Analyses of Methane Oxidation Associated with the Roots and Rhizomes of a Bur Reed, Sparganium eurycarpum, in a Maine Wetland. Applied and Environmental Microbiology 62 (12):4548-4555.

51. King, J.Y., Reeburgh, W.S. and Regli, S.K. (1998) Methane emission andtransport by arctic sedges in Alaska: Results of a vegetation removal experiment. Journal of Geophysical Research 103 (D22):29083-29092.

52. Kormann, R., Muller, H. and Werle, P. (2001) Eddy flux measurements of methane over the fen "Murnauer Moos", 11°1 ГЕ, 47°39'N, using a fast tunable diode laser spectrometer. Atmospheric Environment 35, 2533-2544.

53. Kramer, H. and Conrad, R. (1993) Measurement of dissolved H2Щconcentrations in methanogenic environments with a gas diffusion probe. FEMS Microbiology Ecology 12, 149-158.

54. Lauritsen, F.R. (1990) A new membrane inlet for on-line monitoring of dissolved, volatile organic compounds with mass spectrometry. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 95 (3):259-268.

55. Liesack, W., Schnell, S. and Revsbech, N.P. (2000) Microbiology of flooded rice paddies. FEMS Microbiology Reviews 24 (5):625-645.

56. Lloyd, D., Bohatka, S. and Szilagyi, J. (1985) Quadrupole mass spectrometry in the monitoring and control of fermentations. Biosensors 1, 179-212.

57. Lloyd, D., Thomas, K.L., Benstead, J., Davies, K.L., Lloyd, S.H., Arah, J.R.M. and Stephen, K.D. (1998) Methanogenesis and C02 exchange in an ombrotrophic peat bog. Atmospheric Environment 32 (19):3229-3238.

58. Lloyd, D., Thomas, K.L., Cowie, G., Tammam, J.D. and Williams, A.G. (2002) Direct interface of chemistry to microbiological systems: membrane inlet mass spectrometry. Journal of Microbiological Methods 48 (2-3):289-302.

59. MacDonald, J.A., Fowler, D., Hargreaves, K.J., Skiba, U., Leith, I.D. and Murray, M.B. (1998) Methane emission rates from a northern wetland; response to temperature, water table and transport. Atmospheric Environment 32 (19):3219-3227.

60. Maimer, N. (1962) Studies on mire vegetation in the archaean area of southwestern Gotaland (South Sweden). Opera Botanica 7, 1-322.

61. McAullife, С. (1971) GC determination of solutes by multiple phase equilibration. Chemical Technology 1, 46-51.

62. Mcinerney, M.J. and Bryant, M.P. (1985) Основные принципы анаэробной ферментации с образованием метана. In: Биомасса как источник энергии, pp. 247-265. Москва: Мир

63. Moore, T.R. and Dalva (1993) The influence of temperature and water table position on CO2 and CH4 emissions from laboratory columns of peatland soils. Journal of Soil Science 44, 651-664.

64. Moore, T.R. and Knowles, R. (1990) CH4 emissions from fen, bog and swamp peatlands in Quebec. Biogeochemistry 11, 45-61.

65. Morrissey, L.A. and Livingston, G.P. (1992) Methane emissions from Alaska arctic tundra: an assessment of local spatial variability. Journal of Geophysical Research 97,16661-16670.

66. Morrissey, L.A., Zobel, D.B. and Livingston, G.P. (1993) Significance of stomatal control on methane release from carex-dominated wetlands. Chemosphere 26 (l-4):339-355.

67. Nykanen, H., Heikkinen, J.E.P., Pirinen, L., Tiilikainen, K. and Martikainen, P.J. (2003) Annual CO2 exchange and CH4 fluxes on a subarctic palsa mire during climatically different years. Global Biogeochemical Cycles 17, 10181029.

68. Oremland, R.S. and Culbertson, C.W. (1992) Importance of methane-oxidizing bacteria in the methane budget as revealed by the use of a specific inhibitor. Nature 356 421-423.

69. Pandey, P. and Chauhan, R.S. (2001) Membranes for gas separation. Progress in Polymer Science 26 (6):853-893.

70. Rothfuss, F., Bijnen, F.G.C., Conrad, R., Harren, F.J.M. and Reuss, J. (1996) Combination of photoacoustic detector with gas diffusion probes for the measurement of methane concentration gradients in submerged paddy soil. Chemosphere 33 (12):2487-2504.

71. Rothfuss, F. and Conrad, R. (1994) Development of a gas diffusion probe for the determination of methane concentrations and diffusion characteristics in flooded paddy soil. FEMS Microbiology Ecology 14, 307-318.

72. Rothfuss, F. and Conrad, R. (1998) Effect of Gas Bubbles on the Diffusive Flux of Methane in Anoxic Paddy Soil. Limnology and Oceanography 43 (7):1511-1518.

73. Saarnio, S., Saarinen, T.I.M.O., Vasander, H. and Silvola, J. (2000) A moderate increase in the annual CH4 efflux by raised CO2 or NH4NO3 supply in a boreal oligotrophic mire. Global Change Biology 6, 137-144.

74. Sass, R.L., Fisher, F.M. and Wang, Y.B. (1992) Methane emission from rice fields: the effect of floodwater management. Global Biogeochemical Cycles 6, 249-262.

75. Shannon, R.D., White, J.R., Lawson, J.E. and Gilmour, B.S. (1996) Methane Efflux from Emergent Vegetation in Peatlands. Journal of Ecology 84 (2):239-246.

76. Shaver, G.R., Johnson, L.C., Cades, D.H., Murray, G., Laundre, J.A., Rastetter, E.B., Nadelhoffer, K.J. and Giblin, A.E. (1998) Biomass and C02 flux in wet sedge tundras: responses to nutrients, temperature, and light. Ecological Monographs 68, 75-97.

77. Shneider, S.H. (1989) The changing climate. Scientific American 260, 70-79.

78. Sonesson, M. (1980) Ecology of a subarctic mire. Ecological Bulletins 30, Stockholm: Swedish Natural Science Research Council.

79. Svensson, B.H. (1973) Methane production in tundra peat. In: Sonesson, M., (Ed.) Progress report 1972. IBP Swedish Tundra Biome Tech. Rep., 14: 154166.

80. Svensson, B.H. (1980) Energy flow through the subarctic mire at Stordalen. Ecological Bulletins 30, 282-302.

81. Svensson, B.H. (1984) Different temperature optima for CH4 formation when enrichments from acid peat are supplemented with acetate or hidrogen. Applied and Environmental Microbiology 48, 389-394.

82. Thomas, K.L., Benstead, J., Davies, K.L. and Lloyd, D. (1996) Role of wetland plants in the diurnal control of CH4 and CO2 fluxes in peat. Soil Biology and Biochemistry 28, 17-23.

83. Thomas, K.L., Price, D. and Lloyd, D. (1995) A comparison of different methods for the measurement of dissolved gas gradients in waterlogged peat cores. Journal of Microbiological Methods 24, 191-198.

84. Torn, M.S. and Chapin, I.F.S. (1993) Environmental and biotic controls over methane flux from Arctic tundra. Chemosphere 26 (l-4):357-368.

85. Tyler, S.C. (1991) The global methane budget. In: Microbial production and consumption of greenhouse gases: methane, nitrogen oxides, and halomethanes, pp. 17-38. Wasington, D.C.: American Society for Microbiology

86. Valentine, D.W., Holland, E.A. and Schimel, D.S. (1994) Ecosystem and physiological controls over methane production in northern wetlands. Journal of Geophysical Research 99 , 1563-1571.

87. Verma, S.B., Ullman, F.G., Billesbach, D., Clement, R.J., Kim, J. and Verry, E.S. (1992) Eddy correlation measurements of methane flux in a northern peatland ecosystem. Boundary-Layer Meteorology 58, 289-304.

88. Vourlitis, G.L., Oechel, W.C., Hastings, S.J. and Jenkins, M.A. (1993) The effect of soil moisture and thaw depth on CH4 flux from wet coastal tundra ecosystems on the north slope of Alaska. Chemosphere 26, 329-337.

89. Waldron, S., Hall, A.J. and Fallick, A.E. (1999) Enigmatic stable isotope dynamics of deep peat methane . Global Biogeochemical Cycles 13 (1):93-100.

90. Watson, A., Stephen, K.D., Nedwell, D.B. and Arah, J.R.M. (1997) Oxidation of methane in peat: kinetics of CH4 and 02 removal and the role of plant roots. Soil Biology and Biochemistry 29, 1257-1267.

91. Whalen, S.C. and Reeburgh, W.S. (1988) A methane flux time series for tundra ^ environments. Global Biogeochemical Cycles 2, 399-409.

92. Whiting, G.J. and Chanton, J.P. (1992) Plant-dependent CH4 emissions in a subarctic Canadian fen. Global Biogeochemical Cycles 6, 225-231.

93. Wilhelm, E., Battino, R. and Wilcock, R.J. (1977) Low-pressure solubility of gases in liquid water. Chemical Reviews 11 (2):219-262.

94. Williams, R.T. and Crawford (1984) CH4 production in Minnesota peatlands. ^ Applied and Environmental Microbiology 47, 1266-1271.