Long-term measurements gases fluxes from the wetland ecosystems (Plotnikovo field station, Bakchar Bog).pdf Введение Углекислый газ (CO2) и метан (CH4) являются парниковыми газами, которые чаще всего контролируются с использованием камерного метода. CO2 является одним из наиболее распространенных и важных газов в системе «суша - океан - атмосфера». Он имеет как природные, так и антропогенные источники. В естественном углеродном цикле CO2 играет ключевую роль в ряде биологических процессов (фотосинтез, дыхание и т.д.). Концентрация CO2 в атмосфере Земли увеличились на 40 % - с 278 млн-1 в 1750 г. до 406 млн-1 в 2017 г. [NOAA/ESRL, 2017]. CH4 также обладает сильным парниковым эффектом и играет важную роль в определении окислительной способности тропосферы и истощении стратосферного озона. Он имеет как природные, так и антропогенные источники. По-прежнему существует много регионов с источниками СН4, которые слабо изучены. К малоизученным территориям относятся и обширные районы Сибири, где наличие природных водноболотных угодий и использование ископаемого топлива приводят к значительным выбросам СН4 в атмосферу. За тот же промежуток времени, что и наблюдаемый рост содержания СО2, концентрация СН4 в атмосфере Земли увеличилась на 150 % - с 722 млрд-1 в 1750 г. до 1 859 млрд-1 в 2017 г. [NOAA/ESRL, 2017]. Концентрации CO2, CH4 и других парниковых газов увеличились в атмосфере Земли с доиндустри-альных времен из-за антропогенных выбросов, связанных со сжиганием ископаемого топлива, используемого в качестве источника энергии, и с изменениями в землепользовании. Наблюдаемые изменения в концентрации CO2 и CH4 в атмосфере являются результатом нарушения динамического баланса между антропогенными выбросами и естественными процессами, которые приводят к частичному удалению этих газов из атмосферы [Ciais et al., 2013]. Понимание причин изменения климата Земли и планирование необходимых мероприятий по предотвращению катастрофических последствий требуют долгосрочных и высокоточных измерений выбросов - стоков парниковых газов и их эволю ции. Стандартизированные измерения и расчет газовых потоков увеличивают доступность и удобство использования накопленных данных для моделирования происходящих процессов и инвентаризации углеродного бюджета территорий. Камерные измерения потоков парниковых газов полезны при определении временных и пространственных неоднородностей, например при разделении суммарных потоков СО2 на их компоненты (ды-хание/поглощение) и т.д. Использование автоматизированных систем для изучения газовых потоков на границе «почва - атмосфера» позволяет проводить точные измерения независимо от погоды и времени суток, с минимальными нарушениями поверхности почвы, и получать данные с высоким разрешением в течение продолжительных периодов времени. В данной статье обсуждаются результаты исследования сезонных газовых потоков в болотных экосистемах южно-таежной зоны Западной Сибири, полученные по данным многолетних наблюдений, а также приводится краткое описание оборудования и принципа камерных измерений. Средства и методика измерений Автоматизированные камерные системы, работающие в закрытом динамическом режиме, наряду с методом турбулентных пульсаций (eddy covariance method) рекомендованы для измерений потоков парниковых газов на границе «почва - атмосфера» на станциях мониторинга, входящих в систему ICOS (Integrated Carbon Observation System) [Pavelka et al., 2018]. Российские научные группы для измерений газовых потоков используют автоматические камеры различных конструкций. Например, широко применяются газоанализаторы LI-8100A (Licor Inc., США) со встроенной камерой небольшого объема в виде перевернутой чаши [Махныкина и др., 2016; Ivanov et al., 2017]. Другие исследователи сами разрабатывают и изготавливают камеры под конкретные задачи [Maximov et al., 2012; Молчанов, 2017]. Автоматизация непосредственно самих камер заключается в создании механизма, способного открывать и закрывать отдельную камеру по заданному временному циклу. Для этого обычно применяют либо пневматический привод, либо электромеханический. Для проветривания внутреннего объема камер также применяют два решения. Первое - поднятие верхней крышки-колпака, второе - поднятие всего колпака над основанием [Белан и др., 2017; Dyukarev et al., 2019]. Пионерами же применения автоматизированного камерного метода для исследования газовых потоков на границе «почва - атмосфера» на территории России (Западная Сибирь) следует признать группу российских и японских ученых под общим руководством проф. Г. Иноуэ (G. Inoue) [Глаголев, 2010]. Измерительный комплекс Flux-NIES с шестью автоматическими камерами разработан совместно National Institute for Environmental Studies (NIES, Цу-куба, Япония) и Институтом оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА, Томск, Россия) в конце 1990-х - начале 2000-х гг. для исследования потоков CH4 и СО2 на границе «болотная почва - атмосфера» [Nakano et al., 1998; Maksyutov et al., 1999; Краснов и др., 2013]. В настоящее время на полевом стационаре Plotnikovo Института почвоведения и агрохимии СО РАН (г. Новосибирск, Россия) на Бакчарском болоте эксплуатируются два почти идентичных комплекса. Измерения проводятся ежегодно в теплый сезон (с мая по октябрь). В качестве газоанализатора CH4 в состав измерительного оборудования включен модифицированный полупроводниковый сенсор TGS-842 (Figaro Inc., США) с чувствительным элементом на основе кристалла диоксида олова (SnO2) [Suto, Inoue, 2010]. Для измерения концентрации СО2 используется недисперсионный инфракрасный NDIR-газоанализатор LI-820 (Licor Inc., США). Подача пробы воздуха от камер к приборам газоанализа осуществляется нагнетающим насосом типа N86KN (KNF Neuberger GmbH, Германия) по системе полиэтиленовых трубок (0 4 мм) и пневмоэлектрических клапанов. Управление измерительным комплексом, сбор и сохранение информации осуществляются через дата-логгер CR1000 (Campbell Sci., США). Большое внимание при осуществлении газоана-лиза уделяется подготовке воздушной пробы: очистке от твердых аэрозольных фракций, осушению и стабилизации потока и температуры в приборах. Для этого в измерительный комплекс Flux-NIES последовательно включены: фильтры тонкой очистки, система сбора и слива конденсата, нафионовый осушитель и финальные химические порошковые осушители (Mg(ClO4)2 и P2O5). Контроль основных параметров окружающей среды осуществляется датчиком атмосферного давления RX2760 (OMEGA, США), датчиком температуры и относительной влажности атмосферного воздуха HMP45A (VAISALA, Финляндия), датчиком скорости/направления ветра 05103VM и датчиком осадков 52202H (R.M. Young Com., США), пиргеометр-, радиометром PIR (Eppley Lab., США), пира-нометрами солнечной интегральной радиации PCM-21 и фотосинтетически активной радиации PQS-1 (Kipp&zonen, Нидерланды). Дополнительные измерения температуры почвы на глубинах 5, 10, 20, 30, 40 см регистрируются отдельно термохронами iButton DS1921G (Maxim Integrated, США), а уровень болотных вод измеряется датчиками HOBO U20-001-04 (Oneset Comp., США) на 10 различных участках. Для автономного функционирования комплекса в качестве бесперебойного источника электроэнергии используется набор аккумуляторных батарей, подзарядка которых осуществляется в дневное время солнечными электропанелями или ветровой турбиной. Методика измерений основана на регистрации изменения концентрации исследуемого газа внутри кратковременно изолируемой от атмосферы камеры. Анализируемый воздух по трубкам подается на вход блока газоанализа со скоростью 3 л/мин. Далее поток воздуха из рабочей камеры разделяется на два, меньший из которых (20-30 мл/мин) поступает в газоанализаторы, а оставшаяся часть по обратной трубке возвращается в камеру, чем достигается постоянство давления воздуха внутри ее изолируемого объема [Краснов и др., 2013]. В нормальном состоянии все камеры открыты, кроме одной (рабочей), из которой производится отбор воздушной пробы. Очередность работы камер, продолжительность и время их открытия-закрытия определяются программой управления в дата-логгере. Как правило, используется режим 20-минутного экспонирования рабочей камеры с 5-минутным интервалом в закрытом состоянии. Для определения чувствительности газоанализаторов в измерительном комплексе FluxNIES дважды в сутки используется процедура калибровки по стандартным газовым смесям. Концентрации СО2 и СН4 в трех баллонах (в нейтральной среде чистого синтетического воздуха в атмосферных пропорциях) подобраны таким образом, чтобы в первом случае они заведомо превышают наибольшие концентрации этих газов, достижимые в рабочих (закрытых) автоматических камерах, во втором сопоставимы с атмосферными фоновыми значениями, а в третьем являются очень низкими. По изменению сигналов газоанализаторов dC(t), в зависимости от известных концентраций в газовых смесях, определяется текущее значение коэффициента калибровки прибора S(t) (млн-1/мВ), которое в идеале должно быть постоянным. Однако анализ циклов калибровки (в течение всего периода измерений) показал, что полученные значения S(t) для используемых газоанализаторов «плавают» и зависят от внешних погодных условий, поэтому возможна дополнительная их коррекция. Для NDIR СО2-газоанализаторов найдена значимая корреляция сигнала с атмосферным давлением P (гПа). На измерения СН4 в большей степени влияют изменения температуры окружающей среды T (°C) и связанные с ней флуктуации потока воздушной пробы через анализируемый объем. Для уменьшения вариативности S(t) результаты всех измерений были скорректированы с использованием найденных зависимостей по следующим формулам: Scofi,) = ^CcoJ(dCco2(tk ) + Kco2 x (Po - P(tk ))), SchM) 'C'JC.'.yy) + Kch4 x(To-T(tk))), ( ) где tk время калибровки, ACCO2 и ACcH4 максимальные разности концентраций в стандартных газовых смесях (млн-1), dCCO2(tk) и dCCH4(tk) - соответствующие им разности сигналов газоанализаторов (мВ), KCO2 (мВ/гПа) и KCH4 (мВ/°С) эмпирические коэффициенты, P0 = 1 000 гПа и T0 = 0 °C исходные давление и температура окружающей среды. Для наиболее точного определения величины газовых потоков при обработке изменения выходных сигналов газоанализаторов dC(t)/dt (мВ х с-1) в режиме закрытой камеры используется метод наименьших квадратов с определением линейности процесса по коэффициенту парной корреляции R. Ширина окна фильтрации данных определяется по максимальному значению R2, что соответствует наибольшим значениям фиксируемых эмиссии/стока исследуемых газов на границе «почва - атмосфера». Так как использовалось 20-секундное усреднение данных измерений сигналов приборов газоанализа, размер окон фильтрации составляет от 2 до 4 мин (или 6-12 точек отсчета) из-за разности в длине воздушных трактов для отдельных камер комплекса. Для удобства дальнейшего анализа данных в измерении газовых потоков принято переходить к весовым характеристикам (мг х м-2 х ч-1), которые вычисляются по известной формуле [Ivanov et al., 2017]: F(t) = Sn(t) х dC(t)/dt х 100 х х P/(273,15 + T) х M/8312,6 х V/S х 3 600, (2) где Sn(t) - коэффициенты калибровки прибора - см. выше формулу (1), Р - атмосферное давление (гПа), Т - средняя температура воздуха во время экспозиции камеры (°C), М - молярная масса газа (г х моль-1), 8312,6 - универсальная газовая постоянная (Дж х кмоль-1 х К-1), V и S - объем и площадь основания применяемых камер (м3 и м2 соответственно), 3600 - число секунд в часе. Место проведения измерений Измерительная площадка, обозначенная литерой «О», находится примерно в 16 км от поселка Плотни-ково Бакчарского района Томской области [Maksyutov et al., 1999; Краснов и др., 2013]. Координаты площадки 56°49' с.ш., 82°51' в.д. На рис. 1 представлены спутниковый снимок и схема расположения автоматических камер на измерительной площадке. Удельные потоки метана определяются при помощи автоматического метода закрывающихся динамических камер (non-steady-state through-flow systems) согласно рекомендациям ICOS [Pavelka et al., 2018]: шесть одинаковых камер из прозрачного оргстекла (0,9 х 0,9 х 0,5 м3) с пневматическим приводом верхних крышек установлены на грядовомочажинном комплексе олиготрофного болота. Они расставлены на различных участках болотного микрорельефа таким образом, чтобы тип подстилающей поверхности на каждом из них соответствовал характерной растительной ассоциации. Профиль измерительного участка расположен от сосново-кустарничково-сфагновой гряды к зарастающему озеру. Камера 1 расположена на северном краю гряды и соответствует сосново-кустарниковосфагновому фитоценозу. В составе растительного покрова присутствуют низкорослые сосны (Pinus sylvestris f. willkommii) высотой 50 см, проективное покрытие (п. п.) 30 %. Травяно-кустарничковый ярус представлен багульником (Ledum palustre L.), п. п. 30 %, и кочками пушицы (Eriophorum vaginatum L.), п. п. 40 %, встречается клюква (Oxycoccus microcarpus Turcz.), п. п. не более 5 %. Моховой покров сплошной состоит в основном из Sphagnum fuscum Klinggr. и Sph. angustifolium C. Jens. Камера 2 расположена также на краю гряды (на южной ее стороне и ближе к краю мочажины по направлении к озеру) и характеризуется как сосново-пушицево-сфагновый фитоценоз. Участие сосны в растительном покрове снижается до 10 %, в травянокустарничковом ярусе преобладает пушица (п. п. 40 %), увеличивается доля клюквы (10 %), встречаются единичные растения андромеды (Andromeda polifolia L.) и багульника. Моховой покров сплошной, представлен Sphagnum fuscum. Камеры 3 и 4 расположены на осоково-сфагновой мочажине. Микрорельеф мочажины слабо выражен, разница высот составляет не более 10 см. На участке камеры 3 в травяно-кустарничковом ярусе встречаются низкорослые растения андромеды (высота 5 см, п. п. 5 %), кочки пушицы (п. п. 5 %), осока (Carex limosa L.), п. п. 5 %, клюква (п. п. 5 %), росянка (Droserarotun difolia L.). Проективное покрытие сфагнового мха 100 %, в моховом покрове встречаются Sph. angustifolium, Sph. Compactum Lam & DC, Sph. Lindbergii Schimp. По мере приближения к озеру увеличивается обводненность мочажины. В растительном покрове участка камеры 4 несколько увеличивается участие андромеды (п. п. 10 %), появляются ринхоспора (Rhynchspora alba (L.) Vahl), осока (Carex pauciflora Liggtf), п. п. травяного яруса достигает 50 %. Моховой покров состоит из Sph. compactum, Sph. Pappi-losum Lindb (п. п. 100 %). Растительный покров камеры 5, расположенной ближе всего к озеру, характеризуется как сфагновая топь. В растительном покрове не более 10 % занимают Carex pauciflora и андромеда. Сплошной моховой покров (п. п. 100 %) состоит из Sph. pappi-losum. На границе мочажины и озера обильно растет вахта (Menyantes trifoliate L.). Камера 6 расположена непосредственно на озере. Результаты измерений и их анализ На рис. 2 представлены результирующие газовые потоки на границе «болотная почва - атмосфера», полученные на измерительной площадке «О» в ходе весенне-летне-осенних кампаний 2016-2020 гг. Анализ данных показывает, что наиболее продуктивное поглощение СО2 в болотных растительных ассоциациях наблюдается для камер 1 и 2, находящихся на облесенной гряде и соседствующей мочажине, тогда как на моховом покрытии открытой мочажины сток СО2 падает (камеры 3-5). Сезонное поглощение СО2 из атмосферы значительно варьируется год от года как для отдельных растительных ассоциаций, так и для экосистемы в целом. Например, суммарные показатели стока СО2 на болотную поверхность в 2018 г. значительно превышают его величины, наблюдавшиеся в измерительных сезонах 2016 и 2020 гг. для всех наземных камер комплекса (рис. 2, а). Причины такого разброса в поглощении атмосферного углерода болотной поверхностью кроются в погодных условиях конкретного года наблюдений. В таблице приводятся среднесезонные показатели уровня болотных вод (WL) и температуры почвы на глубине 130 см (T130 cm) по данным датчика HOBO U20-001-04 (Oneset Comp., США), установленного на измерительной площадке «О». Подробный межсезонный корреляционный анализ выявил высокую значимую корреляцию поведения болотных вод в 2018 и 2019 гг., когда наблюдался наиболее эффективный сток СО2 в исследуемой экосистеме. Однако для средних показателей потоков углеродного обмена критерий сезонных колебаний WL не столь надежен. Например, при схожих пониженных значениях стока СО2 в 2016 и 2020 гг. корреляции в поведении болотных вод не наблюдалось. Вместе с тем в эти годы отмечен наименьший среднесезонный уровень WL: -0,166 и -0,182 м соответ-свенно (см. таблицу). Зафиксированное межгодовое поведение потоков метана в исследуемой болотной экосистеме показывает достаточно стабильные величины эмиссии СН4 (рис. 2, b), причем суммарная продуктивность метаногенеза на мочажине (камеры 2-5) оказалась выше, чем в облесенной части гряды (камера 1). Отдельно стоит отметить процессы газообмена, наблюдаемые в камере 6, плавающей в небольшом вну-триболотном озере (см. рис. 3, а). Здесь постоянно фиксируются высокие значения эмиссии СО2 и СН4 (рис. 2). a b Рис. 1. Космический снимок местности (a) и схема расположения автоматизированного комплекса Flux-NIES (b) для измерительной площадки «О» на Бакчарском болоте Fig. 1. Satellite image of the area (a) and the layout of the automated system Flux-NIES (b) on the Bakchar bog site "O ", (□) installation points of the measuring chambers by number and location of the water level logger (WL) 200 -200 u. 10 5 г.2016 г.2017 г.2018 г.2019 г.2020 100 -100 -I------kWi Камера 1 I.....; Камера 2 _Камера 3 I tКамера 4 Камера 5 Камера 6 -------------------------------------------1------------------------------------------------------1------------------------------------------------------1------------------------------------------------------1-------------------------------------------- г.2016 г.2017 г.2018 г.2019 г.2020 a b Рис. 2. Среднесезонные (июнь-сентябрь) потоки: a - СО2; b - СН4 на границе «почва - атмосфера» на Бакчарском болоте (измерительная площадка «О») в 2016-2020 гг. (•) средние суточные значения; (-) медианные суточные значения; ( |) области среднеквадратических отклонений Fig. 2. Average seasonal (June-September) fluxes СО2 and СН4 at the wetland soil - atmosphere boundary on the Bakchar bog in 2016-2020 (• ) average daily value; (-) median daily value; (| ) area of standard deviation Корреляционный анализ данных ежегодных измерений уровня болотных вод (июнь-сентябрь) и среднесезонные значения по увлажнению торфяной залежи на Бакчарском болоте в 2014-2020 гг. (измерительная площадка «О», дата-логгер HOBO U20-001-04) Рис. 3. Вид плавающей камеры (a) и распределение измеренных на озерной поверхности потоков СО2 (шкала слева) и СН4 (шкала справа) по характеру процессов газообмена (b) Correlation data analysis and seasonal average values for реяСк^ moistening in 2014-2020 (Batohar bog, site "O") Год 2015 2016 2017 2018 2019 2020 WL, м сред.±СКО WL, м min WL, м max T!30 см ср., °C 2014 0,570 0,369 0,872 0,688 0,698 0,809 -0,125±0,083 -0,252 0,054 +6,21 2015 1 -0,26 0,286 0,199 -0,06 0,440 -0,120±0,059 -0,261 -0,002 +6,88 2016 1 0,519 0,481 0,752 0,368 -0,166±0,068 -0,298 -0,052 +6,42 2017 1 0,690 0,771 0,749 -0,141±0,062 -0,263 -0,018 +6,92 2018 1 0,803 0,696 -0,038±0,042 -0,114 0,075 +5,96 2019 1 0,689 -0,132±0,083 -0,264 -0,004 +6,40 2020 1 -0,182±0,071 -0,331 -0,048 +6,97 Fig. 3. Imagination of the floating ehamber (a) and distribution by type of the gases exehange at the water - atmosphere boundary for СО2 and СН4 (left and right seale, respeetively) (b) Механизм газообмена на границе «болотное озеро - атмосфера» характеризуется сосуществованием поверхностной эмиссии и процесса «бурления» -выхода на поверхность газовых пузырьков. На рисунке 3, b приводится соотношение величин потоков СО2 и СН4 с озерной поверхности для указанных типов газообмена. Разделение процессов проведено статистически на основании среднесезонных показателей эмиссии СН4 и ее среднеквадратических отклонений по границе Fch4 + 0,758. Обнаружено, что выход метана в пузырьковой фракции значительно превышает процесс эмиссии СН4 с водной поверхности (в 5 раз), в то время как увеличение выхода в пузырьках легко растворимого водой СО2 составило менее 2 раз (рис. 3, b). Заключение Результаты измерений позволяют определить вклад болотных экосистем в углеродный бюджет территории. Интегральные значения потоков СО2 за все время измерений показывают, что поверхности западносибирских болот в теплый период года являются мощным «поглотителем» атмосферного углерода. При этом величины эмиссии СН4 из различных участков болотных почв зависят от типа растительности, уровня увлажнения и прогрева торфяной залежи. Отмечено существование значительной постоянной эмиссии СО2 и СН4 с поверхности болотных озер. Многолетнее использование автоматизированного камерного метода показало эффективность его применения для исследований поведения газовых потоков на болотной поверхности во временном и пространственном масштабах.

Скачать электронную версию публикации