Specifics of Daily Methane Emissions in the "Chernozem Soils Atmosphere" System and the Influence of Soil Moisture on the Rate of Methane Flows

На современном этапе развития цивилизации одной из актуальных экологических проблем является глобальное изменение климата, обусловленное увеличением содержания в атмосфере Земли парниковых газов. Метан является одним из наиболее значимых парниковых газов, поглощающая способность которого в 20-40 раз превышает поглощающую способность углекислого газа [1], [2].

Большая часть атмосферного метана имеет бактериальное (биогенное) происхождение и полностью контролируется потоками с земной поверхности [3]. По оценкам [4], за 47% глобальной годовой эмиссии метана ответственна его дегазация из почв, главным образом, заболоченных. При этом различные типы почв могут быть как источником эмиссии (выделения) метана в атмосферу, так и его стока (поглощения) из атмосферы, в зависимости от соотношения скоростей образования и окисления метана в почвах, соответственно метанообразующими (метаногенными) археями и метаноокисляющими (метанотрофными) бактериями [5].

В настоящее время имеются многочисленные сведения о потоке метана из почв заболоченных участков и болот тундры и тайги, величина которого варьируется от отрицательных значений, соответствующих поглощению метана почвами, до 1000 мг/м2 сутки [6], [11], [17], [18], а также из почв сухих участков тундры и тайги, где величина потока не превышает 14.4 мг/м2 сутки [7], [8]. Анализ данных работ показывает, что для почвенных потоков метана свойственна сезонная и суточная динамика, обусловленная влиянием гидротермических факторов как на активность метаногенных и метанотрофных микроорганизмов, так и на скорость диффузии газа в системе почва-тропосфера. В то же время, несмотря на то, что пахотные почвы являются важным источником парниковых газов в сельском хозяйстве [19], натурные измерения потоков метана из почв степной зоны единичны [20], [21], что не позволяет дать адекватную оценку вклада почвенного покрова в глобальную эмиссию метана. Представляет также большой интерес изучение суточной динамики потока метана пахотными почвами в тропосферу.

Исходя из выше сказанного, на черноземных почвах поставлены эксперименты по определению особенностей суточной динамики эмиссии метана в системе «почва – атмосфера», а также установлению влияния увлажненности на скорость его потоков.

Данное исследование имеет особую актуальность в связи с набирающими популярность в мире и в нашей стране проектами по созданию «карбоновых полигонов», которые представляют собой специально оборудованные участки местности, используемые для разработки и испытаний технологий дистанционного и наземного контроля эмиссии парниковых газов и других значимых для изменения климата параметров, а также для проведения исследований по изучению источников и поглотителей парниковых газов с целью разработки и испытаний технологий контроля углеродного баланса [22].

С 6 по 7 августа 2021 г. на черноземных почвах приусадебного участка, расположенного в Западном микрорайоне г. Ростова-на-Дону, на двух полигонах (№№ 1 и 2) поставлены суточные эксперименты по измерению потоков метана в системе «почва – атмосфера» (табл. 1, рис. 1). При этом периодически проводился искусственный полив полигона № 2, с целью установления влияния увлажнения почв на величину эмиссии метана из почв в атмосферу. В ходе суточных наблюдений в поверхностном 0–2 см горизонте почв полигонов определялись концентрации метана, температура, значения Eh, рН, плотности и влажности.        

Рисунок 1 - Фото ловушек (№№ 1 и 2 – первый полигон), установленных на черноземах естественной влажности (а), и ловушек (№№ 3 и 4 – второй полигон), установленных на черноземах, искусственно увлажняемых в ходе эксперимента (б)

Примечание: ловушки 1ʹ–4ʹ использованы в экспериментах для определения потоков СО2, результаты которых в настоящей работе не рассматриваются

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.58.6

Отбор проб почв и последующее определение метана в них проведены согласно аттестованной методике [23] с добавлением методических приемов, описанных в работах [20], [24]. Для отбора проб почв выполнялась почвенная прикопка, в стенках которой в горизонтах 0–2 см и 2–5 см устройством-мерником отбирали по 3 мл почв. Отобранные пробы почв с помощью устройства-мерника вносили в стандартные стеклянные флаконы полной вместимостью 42 мл, заполненные до риски дистиллированной водой с консервантом (фиксированный воздушный объем 5 мл). Флаконы приспособлены для парофазного анализа, имеют навинчивающиеся пластмассовые крышки с отверстиями для ввода иглы, резиновыми и фторопластовыми вкладышами для герметизации [23]. После герметизации пробу энергично встряхивали, доводя отобранные почвы до гомогенного состояния во избежание процессов образования и окисления метана внутри них. Одновременно с отбором проб почв в заранее взвешенные и пронумерованные бюксы отбирали навеску почв для определения массовой доли сухой почвы (с.п.), ее плотности и влажности.

Определение концентрации метана в почвах проведено на газовом хроматографе «Хроматэк-Кристалл 5000.2» с дозатором равновесного пара на пламенно-ионизационном детекторе [23].

Измерение значений pH, Eh и температуры выполнено с помощью портативного иономера «Экотест 2000» сразу после отбора проб.

Определение эмиссии метана с поверхности почвенного покрова в атмосферу заключалось в непосредственном измерении скорости его потока камерным методом с помощью стационарных накопительных камер – ловушек [20], [25], [27] (см. табл. 1). Для замера скорости потока метана использованы стандартные ловушки для накопления СН4, представляющие собой пластиковые (поликарбонат) емкости с открытым основанием и специальными отверстиями сверху для забора газовой смеси, объемом (V) воздушной фазы 3000 см3 и площадью (S) основания 539 см2 (см. рис. 1).

Перед измерением ловушку устанавливали на поверхность почвы, врезая в почву до заданной метки, при этом крышку ловушки оставляли открытой на 10–15 минут для удаления метана, который может «выдавливаться» из почвы при врезании ловушки. Затем отверстие камеры закрывали крышкой, через которую шприцем через определенный интервал времени отбирали 2 мл пробы газовой смеси и вводили в стандартные стеклянные флаконы для парофазного анализа.

Во всех случаях сразу после установки ловушек, в каждой из них отбирались холостые пробы. При этом каждый отбор проб выполнен в нескольких повторностях (параллельные пробы). Определение концентрации метана в газовой смеси стандартного флакона проводили с помощью парофазного анализа по методике [28]. Поток метана рассчитывали по скорости изменения концентрации метана в воздушной фазе камеры (по коэффициенту линейной регрессии). Параллельно с замером потоков газа рядом с ловушками отбирались пробы почв для определения концентраций метана и других физико-химических показателей (см. выше).

На первом полигоне ловушки №№ 1 и 2 были установлены на достаточно сухие почвы, влажность которых составляла 9.8%.

На втором полигоне ловушки №№ 3 и 4 были установлены на предварительно увлажненные почвы, полив которых осуществлялся дважды:

1) в 17:00 (20 литров на 1 м2) – за 30 и 150 минут, соответственно, до установки стационарных камер-ловушек №№ 3 и 4 в накопительный режим;

2) в 5:00 (10 литров на 1 м2).

После полива влажность почв второго полигона составила 24.5%.

Экспозиция ловушек №№ 1 и 3 в накопительном режиме осуществлялась непрерывно в течение 24 часов (1440 минут) с 17:30 (6 августа) до 17:30 (7 августа). Экспозиция ловушек №№ 2 и 4 в накопительном режиме проводилась с перерывом: в темное время суток (от заката до восхода Солнца) – с 19:30 до 5:00 (570 минут), после чего ловушка была разгерметизирована и снова установлена в накопительном режиме для замера потоков в светлое время суток (от восхода до заката Солнца) – с 5:00 до 19:30 (870 минут).

Отбор проб для определения потоков метана в темный период проводился в 24:00 и 5:00, а в светлое время суток – в 12:00 и 19:30. Во всех случаях сразу после установки ловушек, в каждой из них отбирались холостые пробы. При этом отбор проб выполнялся в нескольких повторностях (параллельные пробы) (см. табл. 1).

Анализ суточной динамики потока метана показывает (рис. 2), что максимальные его скорости как на сухих, так и увлажненных почвах фиксировались в светлое время суток с 5:00 до 12:00: на сухих почвах наибольший поток метана составлял 0.081 мг/м2 час, на увлажненных почвах – 0.090 мг/м2 час. В темное время суток максимальная скорость потока метана наблюдалась на увлажненных почвах – 0.082 мг/м2 в период с 19:30 до 24:00 час, в то время как на сухих почвах на протяжении всей экспозиции скорость потока газа не менялась и составляла 0.065 мг/м2 час. Отчетливо наблюдается увеличение потоков метана после увлажнения почв, что характерно как для темного, так и светлого времени суток. Так, искусственное увлажнение привело к увеличению потоков метана в 1.3 раза (или на 0.017 мг/м2 час) – в темное время суток, и в 1.1 раза (на 0.009 мг/м2) – в светлое время суток. Это согласуется с выводами [10], [17] о положительном влиянии влажности почв на рост потоков метана в атмосферу. В целом значения измеренных потоков метана из почв входят в диапазон варьирования, полученный ранее для почв Ростовской области [20].

Рисунок 2 - Гистограмма распределения скорости потоков метана в атмосферу с сухих и искусственно увлажненных черноземов Ростовской области (06-07.08.2021 г.)

DOI:10.23670/IRJ.2022.124.58.3

Наблюдается тенденция снижения скорости потока метана по мере увеличения времени нахождения ловушек в накопительном режиме, что может быть связано с изменением физико-химических условий (главным образом, Eh) в поверхностном горизонте почв, находящихся под накопительными камерами-ловушками. Особенно значительное снижение потоков наблюдается в ловушках №№ 1 и 3, находившихся в непрерывном накопительном режиме в течение суток. Можно сделать вывод, что длительное нахождение камер-ловушек в накопительном режиме искажает результаты оценки скорости эмиссии метана с поверхности почв в атмосферу в сторону снижения ее величины, что нужно учитывать при планировании экспериментов. Оптимальное время непрерывного нахождения ловушек в накопительном режиме (экспозиция) для оценки потоков метана с поверхности почв в атмосферу, исходя из результатов эксперимента и предшествующего опыта авторов, должно составлять от 5 до 7 часов.

Анализ суточной динамики эмиссии метана с поверхности почв в атмосферу показывает, что максимальные скорости его потока фиксируются в светлое время суток. Отчетливо наблюдается увеличение в 1.1–1.3 раза потоков метана после увлажнения почв. Сделан вывод, что оптимальное время непрерывного нахождения ловушек в накопительном режиме (экспозиция) для оценки потоков метана с поверхности почв в атмосферу должно составлять от 5 до 7 часов.