Выбросы метана водно-болотных угодий - Wetland methane emissions
Вклад в атмосферу около 167 тг метана в год; водно - болотные угодья являются крупнейшим природным источником из атмосферного метана в мире, и , следовательно , остаются главным предметом озабоченности в отношении изменения климата . Заболоченные характеризуются заболоченными почвами и отличительными сообществами растений и животных видов , которые развивались и адаптированы к постоянному присутствию воды . Такой высокий уровень водонасыщения создает условия, способствующие производству метана.
Большая часть метаногенеза или производства метана происходит в среде с низким содержанием кислорода . Поскольку микробы , живущие в теплой, влажной среде, потребляют кислород быстрее, чем он может диффундировать из атмосферы, заболоченные земли являются идеальной анаэробной средой для ферментации, а также активности метаногена . Однако уровни метаногенеза могут колебаться, поскольку это зависит от доступности кислорода , температуры почвы и состава почвы; более теплая, более анаэробная среда с почвой, богатой органическими веществами, позволила бы более эффективный метаногенез.
Ферментация - это процесс, используемый определенными видами микроорганизмов для расщепления основных питательных веществ . В процессе, называемом ацетокластическим метаногенезом , микроорганизмы из классификационной области архей производят метан путем ферментации ацетата и H 2 -CO 2 в метан и диоксид углерода .
H 3 C-COOH → CH 4 + CO 2
В зависимости от водно-болотных угодий и типа архей также может происходить гидрогенотрофный 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.
4Н 2 + СО 2 → СН 4 + 2Н 2 О
Классификация водно-болотных угодий
| Часть серии о |
| Углеродный цикл |
|---|
 |
Водно-болотные угодья часто классифицируются по ландшафтному положению, растительности и гидрологическому режиму. Wetland классы включают болота , болото , болото , болото , торфяник , muskegs , луговые выбоины (ландшафтую) и pocosins ; характеристики классов водно-болотных угодий могут помочь получить информацию о величине выбросов метана. Однако классы водно-болотных угодий показали высокую изменчивость выбросов метана в пространстве и во времени.
Пути выброса метана на водно-болотных угодьях
После образования метан может попасть в атмосферу тремя основными путями: молекулярная диффузия , перенос через аэренхиму растений и кипение . Первичная продуктивность способствует выбросам метана как прямо, так и косвенно, поскольку растения не только обеспечивают большую часть углерода, необходимого для процессов производства метана на заболоченных территориях, но также могут влиять на его перенос.
Диффузия
Диффузия по профилю означает движение метана вверх через почву и водоемы, чтобы достичь атмосферы. Важность распространения как пути распространения зависит от водно-болотных угодий в зависимости от типа почвы и растительности. Например, на торфяниках массовое количество мертвого, но не разлагающегося органического вещества приводит к относительно медленной диффузии метана через почву. Кроме того, поскольку метан может проходить через почву быстрее, чем вода, диффузия играет гораздо большую роль в водно-болотных угодьях с более сухой и рыхлой почвой.
Аэренхима
Аэренхима растений относится к сосудистым транспортным трубкам в тканях некоторых видов растений. Растения с аэренхимой обладают пористой тканью, которая обеспечивает прямой путь газов к корням растений и от них. Метан может перемещаться прямо из почвы в атмосферу с помощью этой транспортной системы. Прямой «шунт», создаваемый аэренхимой, позволяет метану обходить окисление кислородом, который также переносится растениями к их 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 размерах, 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 регистрировать с помощью чувствительных датчиков, называемых пьезометрами , которые могут определять 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 торфяников на севере США, чтобы определить значение кипения как источника метана. Мало того, что было определено, что кипение на самом деле является значительным источником выбросов метана на торфяниках на севере Соединенных Штатов, но также было отмечено повышение давления после значительных дождей, что позволяет предположить, что количество осадков напрямую связано с выбросами метана на водно-болотных угодьях.
Факторы контроля выбросов метана из водно-болотных угодий
Величина эмиссии метана из водно-болотных угодий обычно измеряется с использованием методов вихревой ковариации , градиента или камерного потока и зависит от нескольких факторов, включая уровень грунтовых вод , сравнительные отношения метаногенных бактерий к метанотрофным бактериям, механизмы переноса, температуру, тип субстрата , растительность. , и климат. Эти факторы работают вместе, чтобы влиять на поток метана в водно-болотных угодьях и контролировать его .
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. На это соотношение, в свою очередь, влияют другие факторы, влияющие на содержание метана в окружающей среде. Кроме того, пути эмиссии метана влияют на то, как метан попадает в атмосферу, и, таким образом, в равной степени влияют на поток метана в заболоченных землях.
Уровень грунтовых вод
Первый контролирующий фактор, который следует учитывать, - это 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 засухи . Если уровень грунтовых вод находится на поверхности или над поверхностью, 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.
Температура
Температура также является важным фактором, который следует учитывать, поскольку температура окружающей среды - и, в частности, температура почвы - влияет на скорость метаболизма производства или потребления бактериями. Кроме того, поскольку потоки метана происходят ежегодно в зависимости от сезона, предоставлены данные, свидетельствующие о том, что изменение температуры в сочетании с уровнем грунтовых вод работают вместе, вызывая и контролируя сезонные циклы.
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, заболоченные почвы с высоким содержанием ацетата или водорода и углекислого газа способствуют производству метана. Кроме того, тип жизни растений и степень разложения растений влияют на питательные вещества, доступные бактериям, а также на кислотность . Продукты выщелачивания растений, такие как фенольные соединения из сфагнума, также могут взаимодействовать с характеристиками почвы, влияя на производство и потребление метана. Постоянная доступность целлюлозы 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. Уровень pH и состав почвы необходимо сравнивать с влиянием уровня грунтовых вод и температуры.
Чистая продукция экосистемы
Чистая продукция экосистем (ЧЭП) 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 связь между выбросом метана и NEP, поскольку производство метана становится зависимым от факторов, находящихся глубоко в почве.
Изменение климата 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.
Человеческое развитие водно-болотных угодий
Люди часто осушают водно-болотные угодья во имя развития, жилья и сельского хозяйства. Осушение водно-болотных угодий снижает уровень грунтовых вод, увеличивая потребление метана метанотрофными бактериями в почве. Однако в результате осушения образуются водонасыщенные канавы, которые из-за теплой влажной среды в конечном итоге выделяют большое количество метана. 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.