163 ОЦЕНКА ПОТОКА СН4 ИЗ ПОЧВ РОССИИ НАБОРОМ

Section 2. Carbon Cycle in Mire Ecosystems: Productivity, Carbon Stock,
Decomposition and Greenhouse Gases Emission
163
ОЦЕНКА ПОТОКА СН4 ИЗ ПОЧВ РОССИИ НАБОРОМ ПРОСТЕЙШИХ МОДЕЛЕЙ
СН4 FLUX ESTIMATION FROM RUSSIANS SOILS BASED ON A SET
OF SIMPLE MODELS
М.В. Глаголев1,2,3,4*, И.В. Филиппов3, Л.А. Кривенок1, Ш.Ш. Максютов4,5
M.V. Glagolev1,2,3,4*, I.V. Filippov3, L.A. Krivenok1, S.S. Maksyutov4,5
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Россия
Lomonosov Moscow State University, Russia
2
Институт лесоведения РАН, пос. Успенское, Московская обл., Россия
2
Institute of Forest Science RAS, Uspenskoe, Moscow region. Russia
3
Югорский государственный университет, Ханты-Мансийск, Россия
3
Yugra State University, Khanty-Mansiysk, Russia
4
Томский государственный университет, Россия
4
Tomsk State Univesity, Russia
5
National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan
*E-mail: m_glagolev@mail.ru
1
1
Введение
Принципы оценивания наборами моделей
нашли широкое распространение на современном этапе, когда возникла потребность в обобщении разнотипных методов обработки информации с целью получения интегрированных знаний.
В научной литературе настойчиво обсуждается
и разрабатывается идея о совместном использовании разнотипных моделей в наборе – как
средства наиболее полного учета априорной информации. Набор моделей, например, с позиций
средневзвешенного преобразования либо оценивания областей их компетенции аккумулирует
преимущества составляющих набор решающих
правил (Лапко, 2002, с. 5).
Целью настоящей работы было: оценить
эмиссию и поглощения метана почвами России при помощи совокупности простейших
математических моделей.
Методы исследования
Для расчета эмиссии метана из болот в региональном масштабе годовая эмиссия метана
(F, гС/год) представлялась как сумма эмиссий по
отдельным географическим областям:
F = Σ(Sk·μk·q),
здесь Sk – площадь k-ой области (кв.м), μk –
доля площади, занимаемой болотами в k-ой области, q – удельный поток метана (гС/кв.м/год).
Для расчета q мы применяли несколько моделей. Пять из них («модель Taylor et al.», «модель
Taylor-Miami», «модель Andronova-Karol», «модель Taylor-Пузаченко» и «модель Taylor-Наумов»
или сокращенно – MoTEA, MoTаМ, МАК, МоТаР
и МоТаN) были описаны ранее – см. (Глаголев с
соавт., 2013). Теперь опишем еще три:
1) «Модель Taylor-Кондратьев-Крапивин»
(MoTaKoK): К.Я. Кондратьев и В.Ф. Крапивин (2004, с. 116) привели таблицу, по которой
можно путем интерполяции вычислить значение годовой продукции (NPP, кг/кв.м/год) для
заданных значений среднегодовой температуры атмосферы (Т, °С) и годовой суммы осадков
(Р, мм). Соответственно, для удельного потока
метана будем иметь
q = f·NPP.
2) «Модель Taylor-Тарко» (MoTaТ): А.М. Тарко
(2005, с. 101) предложил аналогичную таблицу,
но содержащую несколько иные значения.
3)
«Модель
Taylor-Коновалов-Иванов»
(MoTaKI): А.А. Коновалов и С.Н. Иванов (2007, с.
69, 101) предложили модель, имеющую простое
аналитическое представление. С учетом того,
что удельный поток метана пропорционален продуктивности, получим следующее аналитическое
выражение:
q = g·[0.48·В + 0.41 - J·(0.15·B + 0.06)],
где В – радиационный баланс (ккал/кв.см/год);
J – индекс сухости, равный B/(L·P·0.1);
L = 0.6 ккал/куб.см.
К сожалению, авторы указывают, что эту модель можно применять только при В>10 ккал/
кв.см/год и J>0.33. Если эти условия не выполнялись, то мы применяли формулу
q = g·(5.1351-7.8558·J).
Кроме того, использовалось следующее правило: если по вышеприведенным формулам получалось значение q≥0, то окончательно использовали его, иначе принимали q=0.
Для расчета интенсивности поглощения метана мы применяли несколько подходов. Пять
простых моделей инвентаризации поглощения
метана почвами (по методике Born et al., по методике Dörr et al. и по трем методикам Dutaur
and Verchot) были описаны ранее – см. (Глаголев и Филиппов, 2011). Теперь опишем математическую модель Ridgwell et al. (1999) с некоторыми модификациями, взятыми из (Мезенцев и
Карнацевич, 1969, с. 20; Шеин, 2005, с. 18, 92;
Ungureanu and Statescu, 2010). Для каждого (i-го)
месяца выполняется следующий расчет:
164
West Siberian Peatlands and Carbon Cycle: Past and Present
(i) = 0.001·V(i)·Wнв, ε(i) = Ф - (i),
если ε ≤ 0 то Gsoil(i) = 0.0001, иначе Gsoil(i)
= ехр{2·ln[ε(i)] - 2·ln(Ф)/3},
если t(i) < 0 то Rt(i) = 0, иначе Rt(i) =
ехр[0.0693·t(i) - 0.000000856·t(i)·t(i)·t(i)·t(i)],
если [P(i) + SM(i)]/ETp(i) > 1 то Rsm(i) = 1,
иначе Rsm(i) = [P(i) + SM(i)]/ETp(i),
D(i) = Gsoil(i)·[1 + 0.0055·t(i)]·Do, Kd = (1 0.75·Icult)·Rsm(i)·Rt(i)·k,
u(i) = Co·D(i)·Fd·{1 - D(i)/[D(i) + Kd·Zd]}/Zd
где Co = 1.72 ppmv – атмосферная концентрация метана; Do = 0.196 кв.см/с и D(i) – коэффициенты диффузии метана, соответственно, в
воздухе (при стандартных условиях) и в верхнем
слое почвы; Етр(i) - потенциальная эвапотранспирации за месяц (мм); Fd = 616.9 мг·c/кв.м/см/
сут/ppmv – множитель для перевода получающейся величины потока в мг СН4, выделяющегося с 1 кв.м за сутки; Gsoil(i) – функция, с помощью
которой учитывается влияние структуры почвы
на диффузию газа; h = 30 см (или мощность корнееобитаемого слоя, если она менее 30 см); Icult
– доля площади земель, вовлеченных в сельскохозяйственное использование; k = 0.00087 см/с
– эмпирический параметр; P(i) - месячная сумма
осадков (мм); Rsm(i), Rt(i) - функции, с помощью
которых на скорость микробного окисления метана учитывается влияние, соответственно, влажности и температуры; SM(i) - запасы почвенной
влаги (мм) в слое h; t(i) – температура (по Цельсию); u(i) – удельный поток поглощения метана
(мг/кв.м/сут.); V(i) - относительная влажность
метрового слоя почвы на конец месяца (представляющая собой отношение запасов почвенной влаги в этом слое к Wнв); Wнв – наименьшая влагоемкость метрового почвенного слоя (в
первом приближении может быть принята равной
300 мм, но, вообще-то, зависит от текстуры почвы); Zd = 6 см – характерное значение глубины
метанотрофного слоя; Ф – порозность почвы, ε(i)
- порозность аэрации, (i) - объемная влажность
почвы (в куб.см влаги/куб. см почвы).
Принцип использования набора моделей заключался в том, что в каждой ячейке географической сетки проводились вычисления по всем
моделям и в качестве эмиссии в этой ячейке
бралось значение медианы.
Картографические
материалы
и
ГИСтехнологии, использованные для региональных
расчетов были описаны нами ранее – см. (Глаголев и Филиппов, 2011; Глаголев с соавт., 2012;
Глаголев с соавт., 2013). Точность карт болот для
Карта
PeatMap1
Peatland ecosystems of Russia
территории России определялась, во-первых,
общепринятым методом по 1000 проверочных
площадок (ПроП) при помощи алгоритма «simple
random sampling» (Stehman, 1999) и характеризовалась величиной “conditional producer’s kappa”
(Næsset, 1996). Во-вторых, определялась точность карт специально для вычисления эмиссии
метана; эта точность характеризовалась величиной относительной погрешности эмиссии
S = |(E - Em)/E|·100%,
где Е – эмиссия со всех ПроП, действительно относящихся к болотам; Em – эмиссия со
всех ПроП, которые отнесены к болотным по
проверяемой карте.
Результаты и обсуждение
В (Глаголев с соавт., 2013) нами было показано, что различия в эмиссии (50-90%), рассчитанной для болот РФ по разным картам существенно больше, чем на одной и той же карте
по разным моделям (20-30%). Поскольку и по
“conditional producer’s kappa”, и по величине S
наилучшими оказались карты PeatMap1 (Глаголев с соавт., 2013) и “Peatland ecosystems of
Russia” (Vompersky et al., 2011), то в дальнейшем
мы работали только с ними. В нижеследующей
таблице представлены результаты расчетов по
этим картам.
Полученные нами оценки эмиссии метана
из почв России, в принципе, близки к таковым,
полученным другими исследователями. Шесть
таких региональных оценок проанализировано в (Глаголев с соавт., 2013), где показано, что
первоначальные оценки (начала-середины 90-х
гг. ХХ в.) очень сильно колебались, по-видимому,
из-за недостатка экспериментальных данных.
Однако в дальнейшем они стабилизировались
на уровне 10.5-17.6 МтС/год. Кроме того, И.Л.
Кароль и А.А. Киселев (2013, с. 102) оценили
эмиссию метана от российских переувлажненных территорий, расположенных в поясе 3060 °с.ш., величиной 15.8 МтС/год. H. Dolman and
A. Shvidenko (2013) оценили поток метана с территории бывшего СССР на уровне 41.4 МтС/год.
Если, следуя (Andronova and Karol, 1993), принять, что эмиссия из болот России составляет
63.5% от эмиссии из болот на всей этой территории и, кроме того, согласно (Кондратьев и Крапивин, 2004: с. 275, 278), постулировать, что
на болота Российской Федерации приходится
35-50% метана, выделяемого с ее территории,
то получим для эмиссии из болотных почв 9.2–
13.1 МтС/ год, что опять находится в хорошем
соответствии с нашими оценками.
producer’s
Эмиссия (МтС/год)
kappa
Средняя Погрешность
0.41
10.6
1.4
0.40
12.3
6.0
Поглощение (МтС/
год)
2.0
1.8
Section 2. Carbon Cycle in Mire Ecosystems: Productivity, Carbon Stock,
Decomposition and Greenhouse Gases Emission
165
1. Глаголев М.В., Филиппов И.В. Инвентаризации поглощения метана почвами // Динамика окружающей среды и
глобальные изменения климата. - 2011. - Т. 2. № 2(4). EDCCrev0002.
2. Глаголев М.В., Филиппов И.В., Клепцова И.Е. Эмиссия и поглощение метана почвами России // Болота и
биосфера: материалы VIII Всероссийской с международным участием научной школы (10−15 сентября 2012 г.,
Томск). - Томск: Изд-во ТГПУ, 2012. - С. 32−41.
3. Глаголев М.В., Филиппов И.В., Клепцова И.Е., Максютов Ш.Ш. Оценка потока метана из почв России на основе
простейших математических моделей // Математическое моделирование в экологии / Материалы Третьей
Национальной научной конференции с международным участием, 21−25 октября 2013 г. Пущино, ИФХиБПП
РАН, 2013. - С. 75-76. URL: http://ecomodelling.ru/images/conferences/proceedings_ecomatmod_2013.pdf (дата
обращения: 15.11.2013).
4. Кароль И.Л., Киселев А.А. Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? – М.: АСТ-ПРЕСС
КНИГА, 2013. - 288 с.
5. Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф. Моделирование глобального круговорота углерода. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.
- 336 с.
6. Коновалов А.А., Иванов С.Н. Климат, фитопродуктивность и палиноспектры: связи, распределение, и методика
палеореконструкций (на примере Западной Сибири). - Новосибирск: Академ. издат. «Гео», 2007. - 130 с.
7. Лапко В.А. Непараметрические коллективы решающих правил. - Новосибирск: Наука, 2002. - 168 с.
8. Мезенцев В.С., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969.
9. Тарко А.М. Антропогенные изменения глобальных биосферных процессов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 232 с.
10. Шеин Е.В. Курс физики почв. - М.: Изд-во МГУ, 2005. - 432 с.
11. Andronova N.G., Karol I.L. The contribution of USSR sources to global methane emission // Chemosphere. - 1993.
- V. 26. - P. 111−126.
12. Dolman H., Shvidenko A. The carbon balance of Russia // Geophys. Res. Abstracts. - 2013. - V. 15. EGU2013-1888.
URL: http://adsabs.harvard.edu/abs/2013EGUGA..15.1888D
13 Næsset E. Conditional tau coefficient for assessment of producer’s accuracy of classified remotely sensed data //
ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. - 1996. - V. 51. - P. 91−98.
14. Ridgwell A.J., Marshall S.J., Gregson K. Consumption of atmospheric methane by soils: A prosess-based model //
Global Biogeochemical Cycles. - 1999. - V. 13. No. 1. - P. 59−70.
15. Stehman S.V. Basic probability sampling designs for thematic map accuracy assessment // International Journal of
Remote Sensing. - 1999. - V. 20. - P. 2423−2441.
16. Ungureanu A., Statescu F. Models for predicting the gas diffusion coefficient in undisturbed soil // Buletinul Ştiinţific
al Universităţii «POLITEHNICA» din Timişoara. Seria HIDROTEHNICA. - 2010. - Tom 55(69). Fascicola 1. - P. 168−172.
17. Vompersky S.E., Sirin A.A., Sal’nikov A.A., Tsyganova O.P., Valyaeva N.A. Estimation of Forest Cover Extent over
Peatlands and Paludified Shallow-Peat Lands in Russia // Contemporary Problems of Ecology. - 2011. - V. 4. No. 7. - Р.
734−741.