TO THE ISSUE OF EVALUATION OF CARBON DIOXIDE (CO2) GAS EXCHANGE DYNAMICS DURING PROLONGED MOTOR TRANSPORT LOADS
TO THE ISSUE OF EVALUATION OF CARBON DIOXIDE (CO2) GAS EXCHANGE DYNAMICS DURING PROLONGED MOTOR TRANSPORT LOADS
Abstract
The article addresses the issues of evaluating the gas exchange of carbon dioxide (CO2) fluxes in the soil-atmospheric air system. The results of gas exchange (soil respiration) under long periods (cycles) of motor transport load in the conditions of local sites of urbanized territory are presented. As an object of research, the territory of the campus of the Peoples' Friendship University of Russia (PFUR) is presented. The research conducted on local plots showed different seasonal and daily dynamics of soil CO2 emission of the studied territory. The research of soil CO2 emission cycles identified the difference of soil respiration intensity in the period of motor transport flows activation. Evaluation of the relationship between motor transport load and the dynamics of CO2 emission fluxes proves the presence of transport as the main source of greenhouse gas generation.
1. Введение
Проблемы генерации парниковых газов, в результате длительной транспортной нагрузки, представляют наибольший интерес, в условиях роста парникового эффекта. Повсеместное увеличение транспортной нагрузки, формирует рост генерации парниковых газов, метана (СН4), закиси азота (N2O) включая увеличение концентрации диоксида углерода (СО2). Диоксид углерода из-за значительных объемов эмиссии, высокой концентрации и широких пределов времени пребывания в атмосфере (от 5 до 200 лет), считается главным парниковым газом. По данным
доля CO2 в суммарном радиационном воздействии долгоживущих парниковых газов составляет 63, метана – 18,5, а закиси азота – 6,2%. Проблемы роста эмиссий СО2, антропогенного происхождения в городских условиях представляет интерес, ввиду угрозы изменения климата и деградации среды, городов и крупных населенных пунктов. На сегодняшний день имеется большой объем исследований оценки эмиссий СО2, от автотранспортных потоков , , . Ряд последних исследований , , , затрагивает вопросы роста генерации СО2, формирования углеродного следа в естественных и урбанизированных территориях. Где подробно рассматриваются аспекты эмиссий парниковых газов, экономические, социальные вопросы роста концентраций СО2. При этом вопрос газового обмена СО2 в системе почва – атмосферный воздух, при длительных автотранспортных нагрузках, остается открытым.Как известно, эмиссия CO2 городскими почвами значительно отличается от естественных и в ряде случаев превосходит их, являясь, в том числе, одним из основных источников эмиссий, в атмосферный воздух
, . Как показывают данные , для общего почвенного дыхания и отдельных его компонентов характерны высокая динамичность во времени и пространственное разнообразие. Вопросы почвенного дыхания в глобальном круговороте углерода изучены широко. Но остается малоизученной динамика газообмена, при автотранспортных нагрузках, локальных территорий. Учитывая очень высокую неоднородность городских почв, можно ожидать еще большее увеличение пространственного и временного разнообразия эмиссии СО2 по сравнению с фоновыми аналогами.В отношении газообмена почвенного покрова и атмосферного воздуха, актуальным вопросом является взаимосвязь с транспортной нагрузкой. Транспорт стимулирует циклические процессы, эмиссий загрязнителей, что может быть определено оценкой поступления в условиях локальных участков. Целью имеющегося исследования является оценка генерации СО2, в качестве источника газообмена почва – атмосферный воздух при длительных автотранспортных нагрузках.
2. Методы и принципы исследования
Объектом исследования является территория университетского кампуса Российского Университета Дружбы Народов. Проект мониторинга за состоянием компонентов окружающей среды кампуса проводится с 2017 г. За этот период собран значительный аналитический материал, по данным эмиссий загрязнителей атмосферного воздуха, почвенного и растительного покрова
, .
Рисунок 1 - Схема функционального зонирования исследуемой территории
Инструментальные замеры концентраций СО2, проводились в период весенне-летнего и осеннего периодов. Оценка газообмена в зимний период была затруднена, ввиду наличия устойчивого снежного покрова. Дополнительно были проведены суточные замеры концентраций газообмена в точках профиля территории. Профильная оценка территории кампуса, была установлена по данным расстояния миграции СО2, от автотранспортных участков. Замеры были, проведены в точках мониторинга кампуса РУДН, равномерной сети наблюдений, состоящих из 33 точек наблюдения, прилегающих к 5 транспортным участкам, с равномерным шагом в 100 метров.
Расчет эмиссий СО2, с подсчетом количества единиц автотранспорта, был проведен с использованием аттестованных методик
. В качестве исходных данных, был произведен расчет количества единиц автотранспорта разных категорий на 5 автотранспортных участках.3. Основные результаты
Полученные результаты исследования указали на неоднородность эмиссий СО2 на пяти участках, исследуемой территории. Автотранспортные участки, прилегающие к территории кампуса РУДН, характеризуются различной интенсивностью транспортного движения. Наиболее нагружены участки Ленинского проспекта, имеющие круглосуточное транспортное движение. Участок ул.Миклухо-Маклая, проходящий через территорию автотранспортной зоны кампуса, имеет высокую интенсивность преимущественно в дневные часы. Участки с меньшим объемом транспортной нагрузки ул.Саморы Машела и ул.Опарина, имеют меньший объем транспортных потоков, с количеством от 1 до 5 млн.год.
В таблице 1, представлены данные результатов расчета эмиссий ПАУ, на 5 транспортных участках, с указанием их характеристик и параметров.
Таблица 1 - Данные расчетной нагрузки ТЧ и ПАУ с учетом структуры автотранспортных потоков, на 5 участках автодорог
Характеристики и параметры, транспортных участков | Уасток1. ул.Миклухо-Маклая | Участок 2. Ленинский проспект. Южная сторона | Участок 3. Ленинский проспект. Северная сторона | Участок 4. ул.Саморы-Машелла | Участок 5. ул.Академика Опарина |
Ширина дорожного полотна, м | 14,5 | 35,1 | 35,1 | 8,5 | 8,5 |
Протяженность участков, м | 1000 | 1000 | 1180 | 430 | 1100 |
Количество АТС, млн/год | 7,9 | 28,5 | 27,1 | 1,6 | 5,1 |
Интенсивность потока АТС/час | 910 | 3590 | 3115 | 192 | 613 |
Модуль нагрузки на автотрассу, АТС м2/год | 495 | 787 | 559 | 335 | 390 |
Эмиссии СО2, крупногабаритный транспорт, т/год | 2,5 | 9,1 | 10,2 | 0,2 | 1,8 |
Сумма СО2, от крупногабаритного транспорта, т/год | - | - | - | - | 23,7 |
Эмиссии СО2, легковой транспорт, т/год | 6,6 | 24,1 | 27,6 | 0,57 | 4,79 |
Сумма СО2, от легкового транспорта т/год | - | - | - | - | 63,6 |
Вид АТС % | - | - | - | - | - |
Легковой транспорт | 85 | 90 | 90 | 95 | 81 |
Крупногабаритный включая, пассажирские автобусы до 3,5 т | 15 | 10 | 10 | 5 | 11 |
Из результатов таблицы 1, отмечено увеличение эмиссий СО2, на наиболее нагруженных транспортных участках 1, 2 и 3 ул.Миклухо-Маклая и Ленинского проспекта от 0,57 до 6,6 т/год. По имеющимся результатам, выделен закономерный рост эмиссий диоксида углерода в зависимости от количества автотранспортных средств, 5 транспортных участков. По результатам расчета эмиссий СО2, участки с наиболее интенсивным транспортным движением, характеризуются повышенным объемом выбросов в годовом эквиваленте.
В исследовании
приведены сведения увеличения эмиссий СО2 от профилей транспортной нагрузки. Для детализации оценки влияния выбросов автомобильного транспорта на прилегающие территории использовался метод профилирования, указывающий на возможности рассеивания выбросов в придорожной зоне. Выбор профилей производился с учетом интенсивности движения, расположения светофоров, остановок, а также структуры прилегающей территории.По данным собственных результатов, рост потоков диоксида углерода, от основных транспортных участков, характеризовался увеличением профиля нагрузки, на расстоянии 100–200 м, (рисунок 2-3).
Рисунок 2 - Изменение концентрации диоксида углерода от ул. Миклухо-Маклая через административную зону
Рисунок 3 - Изменение концентрации диоксида углерода по профилю от Ленинского проспекта до Юго-Западного лесопарка
Усредненная оценка концентраций СО2, в точках 3 условных зон характерна преимущественно для автотранспортной зоны. Сопоставление результатов, генерации СО2 в почвенном покрове и атмосферном воздухе характеризуется ростом от 796 до 1935 мг/м3 в атмосферном воздухе от 1306 до 2387 мг/м2 в почвенном покрове. При среднесуточной (ПДКсс) 3мг/м3 и максимально разовой (ПДКмр) 5 мг/м3. Сопоставление данных генераций СО2, в почве фоновой территории лесопарк и социально административной зоны, указывает на меньший объем эмиссий СО2. Так, по данным , , в условиях естественных систем, потоки диоксида углерода фоновых территорий не превышают значений от 756 до 1100 г/м2. В исследованиях , ; приведены сведения о росте эмиссий СО2, в селитебных и промышленных зонах.
Рисунок 4 - Краткосрочная сезонная динамика почвенного дыхания и влажности почвы
Рисунок 5 - Краткосрочная сезонная динамика почвенного дыхания и температуры почвы
Рисунок 6 - Сезонная изменчивость потоков почвенной эмиссии СО2 в фоновой и транспортных точках на участках наблюдений
Рисунок 7 - Суточная изменчивость потоков почвенной эмиссии СО2 в фоновой и транспортных точках на участках наблюдений
В таблице 2 приведены сведения корреляционной связи потоков эмиссий диоксида углерода с гидротермическими значениями исследуемой территории.
Таблица 2 - Корреляционные связи в точках разной степени автотранспортной нагрузки
СО2 атмосфера | СО2 почва | |||||
температура | лесопарк | соц. адм. часть | автотрасса | лесопарк | соц. адм. часть | автотрасса |
лето | -0,27 | -0,43 | 0,48 | 0,66 | -0,51 | 0,38 |
весна | 0,44 | -0,02 | 0,40 | -0,27 | -0,05 | 0,50 |
осень | 0,31 | 0,15 | 0,17 | 0,49 | -0,29 | 0,31 |
влажность | СО2 атмосфера | СО2 почва | ||||
лето | 0,22 | 0,85 | -0,05 | -0,45 | -0,13 | -0,17 |
весна | 0,60 | -0,26 | -0,07 | 0,60 | 0,43 | -0,41 |
осень | -0,02 | -0,07 | 0,06 | -0,12 | -0,08 | -0,51 |
Результаты корреляции указывают на слабую положительную связь температуры и эмиссий СО2 в теплые периоды времени года. Наиболее положительная связь отмечена с влажностью атмосферного воздуха для административных и парковых зон 0,85 и 0,60 соответственно. Связь с эмиссий с влажностью и температурой 3 зон территории, имела более достоверные значения в зоне автотрассы и лесопарковой зонах, в весенне-летний период. При росте температуры и влажности приземного атмосферного воздуха и почвенного покрова отмечен рост концентраций СО2 в 3 зонах территории. В летний период времени отмечен увеличенный прирост СО2 в почвенном покрове автотранспортной зоны. Весенний и осенний периоды указывают на уменьшение генерации СО2 в почвенном покрове 3 зон исследуемой территории. Следует отметить изучение почвенного газообмена на рубеже 90-х годов прошлого века
, , . Проводимые исследования затрагивали генерацию СО2 в почвенном покрове в условиях естественных и антропогенно-измененных экосистемах и биомах , , . В исследованиях авторов , , рассматриваются связи генерации и газообмена СО2 в контексте с ростом парникового эффекта и изменениями климата. Указанные исследования позволяют выстроить подробную картину проблемы роста концентрации СО2 в различных участках мира. При этом дальнейшее развитие связи с прямым техногенным источником, позволит определить опосредованные последствия транспортной нагрузки в контексте формирования парникового эффекта.Дополнительным параметром оценки цикличности эмиссий СО2 от автотранспортной нагрузки выступает оценка суточной динамики газообмена. Суточная динамика позволяет выделить наиболее вероятные изменения концентраций, связанные с периодами транспортной нагрузки. Для оценки влияния урбанизации на почвенную эмиссию СО2 необходимо понимание отличий пространственного разнообразия и временной динамики общего дыхания корневого и микробного компонентов городских почв от таковых для ненарушенных фоновых аналогов.
Результаты концентрации диоксида углерода в почвенном покрове и атмосферном воздухе, в привязке к временному периоду нагрузки указывали на рост концентрации в точке 26, автодороги ул.Миклухо-Маклая. Увеличение концентрации СО2 приходится на дневные часы, в период с 13:00 до 15:00, что соотносится с результатами расчета транспортной нагрузки, приведенной в работе
. Точки 8 и 14, удаленные от основных транспортных магистралей и расположенные в лесопарковой зоне, указывают на менее интенсивный прирост. В этом отношении можно говорить о наличии различий в условиях естественных и техногенных территорий. Корреляционный анализ связи газообмена в системе почва-атмосферный воздух, указывает на сходство прироста между точками, расположенными близко к автотранспортной зоне, 0,76 до 0,92. Благодаря применению оценки процессов газообмена в фоновых точках и точках с различной степенью автотранспортной нагрузки, удалось выделить закономерность влияния автотранспортных потоков. Наиболее нагруженные временные интервалы, с наибольшим приростом транспорта характеризовались одновременным ростом эмиссий СО2.В имеющимся случае увеличению роста концентрации, могут способствовать изменение структуры почв, расширение площади асфальт дорожного покрытия, приводящего к фактору запечатанности, почвенного покрова. Полученные данные пространственной и сезонной динамики, указывают на увеличение эмиссий СО2, преимущественно в районе наибольших автотранспортных нагрузок. Все вышесказанное доказывает связь эмиссий диоксида углерода, при длительных циклах автотранспортных выбросов.
4. Заключение
Проведенный анализ оценки газообмена СО2, между почвой и атмосферным воздухом, доказывает вклад транспортной нагрузки, в качестве основного источника парниковых газов, на примере генерации диоксида углерода. Использование инструментальных замеров, в соотношении с расчетно-методическим анализом данных эмиссий, подтверждает вклад генерации СО2, от отработанных газов автотранспорта. Применение высококачественного топлива марок Euro5-6, не снижает уровня эмиссий диоксида углерода. Использование профильной оценки генерации СО2, в привязке к транспортным участкам разной степени интенсивности движения, доказывает вклад источников автотранспортной нагрузки в потоковые эмиссии диоксида углерода. Сравнение суточных циклов генерации СО2 со временем наибольшего прироста транспортных средств также подтверждает наличие основного вклада автотранспорта в загрязнение исследуемой территории. Имеющаяся тенденция роста эмиссий парниковых газов на примере диоксида углерода в условиях локальных участков делает необходимым последующую комплексную оценку в условиях урбанизированной среды.