↑

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМИССИИ МЕТАНА ИЗБОЛОТ В АТМОСФЕРУ

М.В. Глаголев

Институт микробиологии РАН, Москва

Метан является важным «парниковым» газом в климатической системе и сильно влияет на фотохимию атмосферы [3]. Значительный источник метана — анаэробное разложение в болотах.

Около 60% эмиссии обусловлено богатыми торфом болотами, находящимися в полосе от 50 до 70° с. ш. [11]. Задачи уменьшения неопределенностей в оценках текущей эмиссии метана и предсказания ее изменения в будущем требуют (для расчета потока СН4, исходя из данных об окружающей среде) построения математической модели [3]. Существующие модели не в полной мере решают эти задачи в силу ряда причин: 1) Эмпирические модели, например [6,7,9,14], связывающие интенсивность эмиссии метана напрямую с температурой, уровнем грунтовых вод и др. факторами внешней среды, успешно работают тогда, когда значения входных переменных близки к тем значениям, при которых коэффициенты модели были идентифицированы. Однако в задачах предсказания эмиссии, приходится значительно отклонятся от вышеуказанных значений, но в этом случае расхождение модельного расчета и последующего эксперимента становится, как правило, катастрофически большим. 2) Модели, основанные на подробном описании фундаментальных закономерностей метаногенеза, как биолого-химических (например, трофические модели [1,2,10]). так и биолого-физических [15], настолько сложны, что их коэффициенты возможно идентифицировать для каждой экосистемы лишь при помощи большого числа дорогостоящих лабораторных экспериментов. Таким образом эти модели не могут быть в настоящее время рекомендованы для предсказания эмиссии в глобальном масштабе. 3) Модели промежуточного типа (основанные на грубом описании закономерностей метаногенеза и в значительной степени эмпирические), например [4,5], будучи идентифицированы по одним экосистемам и (в целях прогноза) применены к другим экосистемам, дают пока не очень точные результаты, хотя и не столь абсурдные.

как чисто эмпирические модели. Целью работы была доработка и проверка одной модели эмиссии СН4 [8], на основании двух наборов экспериментальных данных, не использовавшихся при создании модели (один из этих наборов был вообще получен уже после создания модели).

Исследования проводились в июле-августе 1995-98 гг. в районе стационара «Плотниково» Института почвоведения и агрохимии СО РАН (Бакчар- ский р-на Томской обл.: 56°5Г с.ш., 82°53' в.д.) на Бакчарском болоте. Методы измерения потока метана, биомассы растений, температуры почвы приведены в [13]. Математическая модель была детально описана ранее [8].

Расчеты по модели для эмиссии метана из Бакчарского болота хорошо соответствовали экспериментальным данным во временном масштабе нескольких лет (измеренный с погрешностью 20% средний поток метана варьировал от 4 до 19 г/м2/сезон в зависимости от температуры, уровня грунтовых вод и типа растительной ассоциации, а рассчитанный по модели — от 3 до 14 г/м2/сезон), а также в сезонном масштабе времени для летних месяцев (относительная погрешность около 20%). Особый интерес представляло предсказание эмиссии в июле-августе 1998 г., т.к. модель была создана в 1997 г. и данные 1998 г. изначально в ней не могли быть учтены. Сравнение теоретического предсказания и результатов полевых экспериментов выявило незначительную погрешность около 10%. В меньшем (суточном) масштабе времени предсказания модели и эксперимента не совпадали.

Попытка предсказания динамики осеннего уменьшения эмиссии не увенчалась успехом: модель предсказывает значительно более быстрое падение скорости эмиссии СБЦ, чем наблюдается в природе. Одно из возможных объяснений: осенью температура верхнего слоя почвы значительно падает и это сильно снижает потребление СН4 метанокисляющими микроорганизмами, в то время как в глубине почвы температура падает не столь значительно, поэтому производство СН4 метанобразующими бактериями, уменьшается не сильно. Таким образом нарушается пропорция между образованием и потреблением метана, в то время как в модели она принята постоянной.

Если это предположение правильно, то весной, после возможного выброса (во время таяния снега) накопившегося за всю зиму метана, что было показано, например, в [16], следует ожидать значительно более низких величин эмиссии. чем осенью (при тех же средней температуре и уровне грунтовых вод).

Применение модели к 5 типам болотных экосистем на юго-западном берегу залива Джемс (Онтарио, Канада) давало удовлетворительное соответствие экспериментальным данным из работы [12] (измеренный поток СН4 варьировал от 0,05 до 16,61 г/м2/сезон в зависимости от факторов среды, а рассчитанный по модели — от 0,67 до 15 г/м2/сезон), хотя следует признать, что для большинства экосистем модель слегка завышала результаты.

[1] Васильев В.Б. и др. 1994. Имитационная модель метаногенного сообщества. // Журн. общ. биологии. 1994. Т. 55. № 1. С. 211-237. [2] Калюжный С.В. и др. Биогаз: проблемы и решения // Биотехнология. Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ, 1988. Т. 21. С. 1-180. [3] Cao М. et al. Modeling methane emissions from rice paddies. Global

Biogeoch. Cycles, 1995. 9. P.183-195. [4] Cao M. et al. Global carbon exchange and methane emissions from natural wetlands: Application of a process-based model // J. Geoph. Res. 1996. 101. 14399-14414. [5] Christensen T.R. et al. Methane flux from northern wetlands and tundra. An ecosystem source modelling approach // Tellus, 1996. 48B. 652-651. [6] Dise N.B. et al. Environmental factors controlling methane emissions from peatlands in Northern Minnesota // J. Geoph. Res. 1993. 98. 10583-10594. [7] Frolking S., Crill P. Climate controls on temporal variability of methane flux from a poor fen in southeastern New Hampshire: measurement and modeling // Global Biogeoch. Cycles. 1994. 8. 385-397. [8] Glagolev M. et al. Modeling of methane emission to atmosphere in West Siberian wetland (Bakchar Bog, Tomsk Area) // Proc. Sixth Symp. on Joint Siberian Permafrost Studies. Tsukuba: lt;dsebu». 1998. 175-190. [9] Granberg G. et al. Sources of spatial variation in methane emission from mires in northern Sweden: A mechanistic approach in statistical modeling // Global Biogeoch. Cycles, 1997. 11. 135- 150. [10] James R.T. Sensitivity analysis of a simulation model of methane flux from the Florida Everglades // Ecological Modelling, 1993. 68. 119-146. [11] Matthews E., Fung I. Methane emission from natural wetlands: global distribution, area, and environmental characteristics of sources // Global Biogeoch. Cycles, 1987, 1. 61-86. [12] Moore T.R. et al. Methane emissions from wetlands, southern Hudson Bay lowland // J. Geoph. Res. 1994. 99. 1455-1467. [13] Panikov N.S. et al. Variability of methane emission from west- siberian wetlands as related to vegetation type // Ecol. Chemistry. 1997. 6(1). P. 59-67. [14] Shurpali H.J. et al. Seasonal distribution of methane flux in a Minnesota peatland measured by Eddy correlation//J. Geoph. Research. 1993. 98. 20649-20655. [15] Walter B.P. et al. A process-based model to derive methane emissions from natural wetlands // Geoph. Res. Letters. 1996. 23. 3731-3734. [16] Windsor J. et al. Episodic fluxes of methane from subarctic fens // Can. J. Soil Science. 1992. 72. 441-452.

<< | >>

↑

Источник: С.Э. Вомперский. Болота и заболоченные леса в свете задач устойчивого природопользования. Материалы совещания. 1999

Еще по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭМИССИИ МЕТАНА ИЗБОЛОТ В АТМОСФЕРУ:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -