Выбросы метана водно-болотных угодий - Wetland methane emissions

Вклад около 167 тг метан к атмосфера в год[1]; водно-болотные угодья являются крупнейший природный источник из атмосферный метан в мире, и поэтому остаются одной из основных проблем в отношении изменение климата.[2][3][4] Водно-болотные угодья характеризуются заболоченный почвы и самобытные сообщества растение и животное разновидность который имеет развился и адаптированный к постоянному присутствию воды. Такой высокий уровень водонасыщения создает условия, способствующие производству метана.

Наиболее метаногенез, или производство метана, происходит в бедный кислородом среды. Поскольку микробы живущие в теплой и влажной среде потребляют кислород быстрее, чем могут размытый заболоченные земли являются идеальной анаэробной средой для ферментация а также метаноген Мероприятия. Однако уровни метаногенеза могут колебаться, поскольку это зависит от наличия кислород, температура почвы и состав почвы; более теплая, более анаэробная среда с почвой, богатой органическими веществами, позволила бы более эффективный метаногенез.[5]

Ферментация - это процесс, используемый некоторыми видами микроорганизмы сломать существенное питательные вещества. В процессе, называемом ацетокластическим метаногенез, микроорганизмы из классификации домен археи производят метан путем ферментации ацетата и H2-CO2 в метан и углекислый газ.

ЧАС3C-COOH → CH4 + CO2

В зависимости от водно-болотных угодий и типа архей, гидрогенотрофный также может происходить метаногенез, другой процесс, в результате которого образуется метан. Этот процесс происходит в результате того, что археи окисляют водород углекислым газом с образованием метана и воды.

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2О

Естественное развитие водно-болотных угодий

Часть серии о
Цикл углерода
Формы органического вещества. Webp
Метан

Множество разных видов водно-болотные угодья существуют, все они характеризуются уникальным сочетанием растений и водных условий. Чтобы перечислить несколько, болота, болота, болота, болота, торфяники, мускеги, прерия выбоина (рельеф),[6] и покосины все являются примерами различных видов водно-болотных угодий. Поскольку каждый тип водно-болотных угодий уникален, те же характеристики, которые используются для классификации каждого водно-болотного угодья, можно также использовать для характеристики количества метана, выделяемого этим конкретным водно-болотным угодьем. Любая заболоченная среда с умеренным уровнем разложения создает анаэробные условия, необходимые для метаногенеза, но количество воды и разложение будут влиять на величину выбросов метана в конкретной среде. Например, более низкий уровень грунтовых вод может привести к более низким уровням выбросов метана, потому что многие метанотрофный бактерии требуют ядовитый условия для окисления метана до диоксида углерода и воды. Однако более высокий уровень грунтовых вод приводит к более высоким уровням выбросов метана, потому что здесь меньше пригодных для жизни мест для жизни метанотрофных бактерий, и, таким образом, метан может легче диффундировать в атмосферу без разрушения.

Часто естественное экологическое развитие водно-болотных угодий включает превращение одного вида водно-болотных угодий в один или несколько других видов водно-болотных угодий. Таким образом, со временем заболоченное место естественным образом изменит количество метана, выделяемого из почвы.

Например, торфяники - это водно-болотные угодья, содержащие большое количество торф, или частично загнившая растительная жизнь. Когда торфяники только начинают развиваться, они часто начинаются как болота, заболоченные земли, характеризующиеся богатой минералами почвой. Эти затопленные водно-болотные угодья с более высоким уровнем грунтовых вод, естественно, будут иметь более высокие выбросы метана. В конце концов, болота превращаются в болота, кислые заболоченные земли с скоплениями торфа и более низкие уровни грунтовых вод. При более низком уровне грунтовых вод выбросы метана легче поглощаются метанотрофными или потребляющими метан бактериями и никогда не попадают в атмосферу. Со временем торфяники развиваются и в итоге образуются скопления воды, что снова увеличивает выбросы метана.

Пути выброса метана на заболоченных территориях

После образования метан может попасть в атмосферу тремя основными путями: молекулярным. распространение, транспортировка через завод аэренхима, и кипение. Первичная продуктивность способствует выбросам метана как прямо, так и косвенно, потому что растения не только обеспечивают большую часть углерода, необходимого для процессов производства метана на водно-болотных угодьях, но также могут влиять на его перенос.

Диффузия

Диффузия через профиль относится к движению метана вверх через почву и водоемы, чтобы достичь атмосферы. Важность диффузии как пути зависит от водно-болотных угодий в зависимости от типа почвы и растительности.[7] Например, на торфяниках массовое количество мертвого, но не разлагающегося органического вещества приводит к относительно медленной диффузии метана через почву.[8] Кроме того, поскольку метан может проходить через почву быстрее, чем вода, диффузия играет гораздо большую роль в водно-болотных угодьях с более сухой и более рыхлой почвой.

Аэренхима

растение аэренхима
Опосредованный растениями поток метана через аэренхиму растений, показанный здесь, может составлять 30-100% от общего потока метана из водно-болотных угодий с зарождающейся растительностью.[9].

Растение аэренхима относится к сосудистым транспортным трубкам в тканях некоторых видов растений. Растения с аэренхимой обладают пористой тканью, которая обеспечивает прямой перенос газов к корням растений и от них. Метан может перемещаться прямо из почвы в атмосферу с помощью этой транспортной системы.[8] Прямой «шунт», создаваемый аэренхимой, позволяет метану обходить окисление кислородом, который также переносится растениями к корням.

Кипение

Кипение относится к внезапному выбросу пузырьков метана в воздух. Эти пузыри возникают в результате накопления метана в почве с течением времени, образуя карманы метанового газа. По мере того, как эти карманы захваченного метана увеличиваются в размере, уровень почвы также будет медленно подниматься. Это явление продолжается до тех пор, пока не нарастает такое сильное давление, что пузырь «лопается», транспортируя метан через почву так быстро, что он не успевает быть поглощенным метанотрофными организмами в почве. После этого выброса газа уровень почвы снова падает.

Закипание на заболоченных территориях можно зарегистрировать с помощью чувствительных датчиков, называемых пьезометры, который может обнаружить наличие карманов давления в почве. Гидравлические головки также используются для обнаружения незначительного подъема и опускания почвы в результате повышения и сброса давления. С использованием пьезометров и гидравлических головок было проведено исследование в северной Соединенные Штаты торфяников для определения значимости кипения как источника метана. Мало того, что было определено, что кипение на самом деле является значительным источником выбросов метана на торфяниках северной части Соединенных Штатов, но также было отмечено повышение давления после значительных осадков, что позволяет предположить, что количество осадков напрямую связано с выбросами метана на заболоченных территориях.[10]

Факторы контроля выбросов метана из водно-болотных угодий

Величина метан эмиссия из водно-болотное угодье обычно измеряются с использованием ковариация вихря, градиент или камера поток техники и зависит от нескольких факторов, в том числе уровень грунтовых вод, сравнительные соотношения метаногенный бактерии метанотрофный бактерии, механизмы переноса, температура, субстрат тип, растительность и климат. Эти факторы работают вместе, чтобы воздействовать на метан и контролировать его. поток в заболоченных местах.

В целом, основным фактором, определяющим чистый поток метана в атмосферу, является отношение количества метана, производимого метаногенными бактериями, который достигает поверхности, к количеству метана, который окисляется метанотрофными бактериями до того, как достигнет атмосферы.[11] На это соотношение, в свою очередь, влияют другие факторы, влияющие на содержание метана в окружающей среде. Кроме того, пути выброса метана влияют на то, как метан попадает в атмосферу, и, таким образом, в равной степени влияют на поток метана в водно-болотных угодьях.

Уровень грунтовых вод

Первый контролирующий фактор, который следует учитывать, - это уровень уровень грунтовых вод. Расположение бассейна и водного зеркала не только определяет области, где может происходить образование или окисление метана, но также определяет, как быстро метан может диффундировать в воздух. Путешествуя через воду, молекулы метана сталкиваются с быстро движущимися молекулами воды, и поэтому требуется больше времени, чтобы достичь поверхности. Однако путешествовать по почве намного проще, и в результате легче проникает в атмосферу. Эта теория движения подтверждается наблюдениями, проведенными на водно-болотных угодьях, где значительные потоки метана произошли после падения уровня грунтовых вод из-за засуха.[11] Если уровень грунтовых вод находится на поверхности или над ней, то перенос метана начинает происходить в основном за счет кипения и транспорта, опосредованного сосудистыми или находящимися под давлением растениями, с высокими уровнями выбросов в течение дня от растений, которые используют принудительную вентиляцию.[11]

Температура

Температура также является важным фактором, который следует учитывать, поскольку температура окружающей среды - и температура почвы в частности - влияет на скорость метаболизма, производимого или потребляемого бактериями. Кроме того, поскольку потоки метана происходят ежегодно в зависимости от сезона, имеются данные, свидетельствующие о том, что изменение температуры в сочетании с уровнем грунтовых вод работают вместе, вызывая и контролируя сезонные циклы.[12].

Состав субстрата

Состав почвы и доступность субстрата изменяют питательные вещества, доступные для метаногенных и метанотрофных бактерий, и, таким образом, напрямую влияют на скорость производства и потребления метана. Например, почвы водно-болотных угодий с высоким уровнем ацетат или водород и диоксид углерода способствуют образованию метана. Кроме того, тип жизни растений и степень разложения растений влияют на питательные вещества, доступные бактериям, а также кислотность. Растение выщелачивание такие как фенольные соединения из Сфагнум также может взаимодействовать с характеристиками почвы, влияя на производство и потребление метана.[13]. Постоянное наличие целлюлоза и pH почвы около 6,0 были определены для обеспечения оптимальных условий для производства и потребления метана; однако качество подложки может зависеть от других факторов.[11] Уровень pH и состав почвы необходимо сравнивать с влиянием уровня грунтовых вод и температуры.

Чистая продукция экосистемы

Чистая продукция экосистемы (NEP) и изменения климата - это всеохватывающие факторы, которые, как было показано, имеют прямую связь с выбросами метана из водно-болотных угодий. Было показано, что на водно-болотных угодьях с высоким уровнем грунтовых вод NEP увеличивается и уменьшается с выбросами метана, скорее всего, из-за того, что и NEP, и выбросы метана изменяются в зависимости от наличия субстрата и состава почвы. На водно-болотных угодьях с более низким уровнем грунтовых вод движение кислорода в почву и из нее может увеличивать окисление метана и ингибирование метаногенеза, сводя на нет взаимосвязь между выбросом метана и NEP, поскольку производство метана становится зависимым от факторов, лежащих глубоко в почве.

Изменяющийся климат влияет на многие факторы внутри экосистемы, включая уровень грунтовых вод, температуру и состав растений на водно-болотных угодьях - все факторы, влияющие на выбросы метана. Однако изменение климата также может повлиять на количество углекислого газа в окружающей атмосфере, что, в свою очередь, уменьшит добавление метана в атмосферу, о чем свидетельствует уменьшение потока метана на 80% в областях с удвоенным уровнем углекислого газа.[11]

Человеческое развитие водно-болотных угодий

Люди часто осушают водно-болотные угодья во имя развития, жилья и сельского хозяйства. Осушая заболоченные земли, уровень грунтовых вод понижается, что увеличивает потребление метана метанотрофными бактериями в почве.[11] Однако в результате осушения образуются водонасыщенные канавы, которые из-за теплой влажной среды в конечном итоге выделяют большое количество метана.[11] Таким образом, реальное влияние на выбросы метана сильно зависит от нескольких факторов. Если стоки не расположены достаточно далеко друг от друга, то образуются насыщенные канавы, создавая миниатюрные водно-болотные угодья. Кроме того, если уровень грунтовых вод достаточно сильно понизится, заболоченное место может фактически превратиться из источника метана в сток, который потребляет метан. Наконец, фактический состав первоначального водно-болотного угодья меняет то, как на окружающую среду влияет осушение и развитие человека.

Рекомендации

  1. ^ «Глобальный бюджет по метану». Глобальный углеродный проект. Получено 4 декабря 2018.
  2. ^ Houghton, J. T., et al. (Ред.) (2001) Прогнозы будущего изменения климата, Изменение климата 2001: Научная основа, Вклад Рабочей группы I в Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата, 881 стр.
  3. ^ Бриджем, С. Д., Кадилло-Кирос, Х., Келлер, Дж. К. и Чжуанг, К. (2013), Выбросы метана из водно-болотных угодий: биогеохимические, микробные и модельные перспективы от локального до глобального масштаба. Glob Change Biol, 19: 1325–1346. Дои:10.1111 / gcb.12131
  4. ^ Комин-Платт, Эдвард (2018). «Баланс углерода для целевых показателей 1,5 и 2 ° C снижен за счет естественных водно-болотных угодий и вечной мерзлоты» (PDF). Природа. 11 (8): 568–573. Bibcode:2018НатГе..11..568C. Дои:10.1038 / s41561-018-0174-9. S2CID  134078252.
  5. ^ Кристенсен, Т.Р., А. Экберг, Л. Стром, М. Мастепанов, Н. Паников, М. Оквист, Б. Х. Свенсон, Х. Никанен, П. Дж. Мартикайнен и Х. Оскарссон (2003), Факторы, контролирующие крупномасштабные вариации выбросов метана из водно-болотных угодий, Geophys. Res. Lett., 30, 1414, г. Дои:10.1029 / 2002GL016848.
  6. ^ Танген Брайан А., Финоккиаро Раймонд Г., Глисон Роберт А. (2015). «Влияние землепользования на потоки парниковых газов и свойства почвы водно-болотных угодий в районе прерий-выбоин в Северной Америке». Наука об окружающей среде в целом. 533: 391–409. Bibcode:2015ScTEn.533..391T. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2015.06.148. PMID  26172606.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Тан Дж., Чжуан К., Уайт, Дж. Р., Шеннон, Р. Д. (2008). «Оценка роли различных путей эмиссии метана на водно-болотных угодьях с помощью биогеохимической модели». Тезисы осеннего собрания AGU. 2008: B33B – 0424. Bibcode:2008AGUFM.B33B0424T.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  8. ^ а б Кувенберг, Джон. Грайфсвальдский университет. «Выбросы метана из торфяных почв». http://www.imcg.net/media/download_gallery/climate/couwenberg_2009b.pdf
  9. ^ Бриджем, Скотт Д.; Кадильо-Кироз, Хинсби; Келлер, Джейсон К .; Чжуан, Цяньлай (11 февраля 2013 г.). «Выбросы метана из водно-болотных угодий: биогеохимические, микробиологические и моделирование перспективы от локального до глобального масштаба». Биология глобальных изменений. 19 (5): 1325–1346. Bibcode:2013GCBio..19.1325B. Дои:10.1111 / gcb.12131. ISSN  1354-1013. PMID  23505021.
  10. ^ Глейзер П.Х., Дж.П. Шантон, П. Морин, Д.О. Розенберри, Д. Сигель, О. Рууд, Л.И. Часар, А. Рив. 2004. «Поверхностные деформации как индикаторы потоков глубокого вскипания на большом северном торфянике».
  11. ^ а б c d е ж грамм Бубье, Джилл Л. и Мур, Тим Р. «Экологическая перспектива выбросов метана из северных водно-болотных угодий».
  12. ^ Турецкий, Мерритт Р .; Котовска, Агнешка; Бубье, Джилл; Dise, Нэнси Б.; Крилл, Патрик; Хорнибрук, Эд Р. С.; Минккинен, Кари; Мур, Тим Р .; Майерс-Смит, Исла Х. (28 апреля 2014 г.). «Синтез выбросов метана из 71 северных, умеренных и субтропических водно-болотных угодий». Биология глобальных изменений. 20 (7): 2183–2197. Bibcode:2014GCBio..20.2183T. Дои:10.1111 / gcb.12580. ISSN  1354-1013. PMID  24777536.
  13. ^ Медведев, Кассандра А .; Бриджем, Скотт Д.; Пфайфер-Мейстер, Лорел; Келлер, Джейсон К. (2015). «Может ли химический состав фильтрата сфагнума объяснить различия в анаэробном разложении торфяников?». Биология и биохимия почвы. 86: 34–41. Дои:10.1016 / j.soilbio.2015.03.016. ISSN  0038-0717.