Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 505, № 1, стр. 114-119

Проблема эмиссии метана в Арктике при потеплении климата относится к приоритетным в связи с потенциальным вовлечением метана, законсервированного в мерзлых породах, в глобальный оборот углерода ([7, 9] и др.). Выбросы метана, который имеет по меньшей мере 28-кратный потенциал глобального потепления (GWP) относительно CO₂ (100 лет) [7], при огромных площадях Арктической и Субарктической тундры, – это одна из серьезных причин увеличения парникового эффекта и изменения климата. Изучение условий накопления и переноса метана имеет не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку выбросы метана могут быть причиной образования воронок газовых выбросов и пожаров. Протаивание многолетнемерзлых пород, содержащих значительное количество метана [11], при потеплении климата неизбежно приведет к возрастанию эмиссии метана в атмосферу.

Многочисленные наблюдения в Арктике показывают, что повышение летних температур вызывает значительное увеличение эмиссии метана [6, 10]. Содержание метана в атмосфере определяется тремя факторами: продуцированием метана в почвах и грунтах сезонно-талого слоя, скоростью эмиссии и скоростью преобразования (окисления) метана в поверхностном слое почвы и атмосфере [5]. При повышении температуры воздуха можно ожидать, что содержание метана в почвах и грунтах сезонно-талого слоя (СТС) и, соответственно, эмиссия этого газа увеличатся.

Поэтому может быть выдвинута гипотеза, что при прочих равных условиях должно наблюдаться соответствие содержания метана в сезонно-талом слое и летней температуры воздуха и грунтов. Это принято в качестве рабочей гипотезы. Как следствие, вслед за широтным градиентом летних температур должен существовать градиент в содержании метана в грунтах СТС.

Метан в почвах и грунтах СТС имеет преимущественно биогенное происхождение и вырабатывается в результате деятельности метаногенных архей в анаэробных условиях [11]. Повышение содержания метана в СТС при возрастании температуры грунтов объясняется ускоренным метаболизмом метаногенных архей и изменением их видового состава по мере повышения температуры среды [8].

Существует два основных механизма движения метана в грунтах СТС – пузырьковый и диффузионный ([1] и др.). Очевидно, пузырьковый механизм реализуется при исключительно высоких влажностях грунтов, близких к водонасыщению. При неполном водонасыщении вклад диффузионного переноса метана от глубоких горизонтов грунтов к поверхности становится более существенным. Вероятно, что при пузырьковом механизме переноса в силу высоких скоростей переноса не будет наблюдаться закономерного изменения изотопного состава метана, или эти различия будут невелики, напротив, в случае диффузионного переноса должно наблюдаться ярко выраженное распределение изотопного состава по глубине. Возможен еще перенос метана растениями, но этот процесс и его вклад в общий перенос пока еще недостаточно изучены.

Изучение содержания, изотопного состава и эмиссии метана выполнялось на двух ключевых участках – в зоне типичной тундры в районе полярной станции Марре-Сале (Западный Ямал) и в зоне кустарниковой южной тундры в устье р. Печора.

Климатические условия определены по суточным данным метеостанций Марре-Сале и мыс Константиновский как ближайших к участкам работ. Повышение среднегодовой температуры в среднем по региону с 1970 по 2020 г. составило около 2.8°C, что близко к “жесткому” сценарию климатических изменений [7].

Ключевой участок Марре-Сале расположен на Западном Ямале в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород с среднегодовыми температурами пород –4.5…–2.4°C. Исследования проводятся на расчлененной поверхности третьей морской террасы с абсолютными отметками 15–30 м и участке речной поймы с отметками около 1–3 м. В ландшафтной структуре доминантными являются дренированные полигональные тундры, увлажненные полигональные тундры, озерные котловины и пойменные болота. Остальные тундровые ландшафты имеют подчиненное значение. Отметим, что полным водонасыщением грунтов характеризуются только болота.

В устье р. Печора наблюдения проводятся в районе мыса Болванский и на о. Кашин. Мыс Болванский относится к зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород с среднегодовыми температурами –0.2…–1.2°C, представляет собой типичную кустарниковую южную тундру на полого-холмистой поверхности третьей морской террасы с абсолютными отметками 25–35 м. В ландшафтном строении доминируют увлажненные пятнисто-медальонные кустарничковые тундры. К нижним частям склонов холмов приурочены травяно-моховые ивняки. В озерных котловинах развиты комплексные осоково-мохово-лишайниковые болота.

Наблюдения на о. Кашин проводятся на поверхности первой морской террасы с абсолютными отметками 2–10 м. Район относится к зоне островного развития многолетнемерзлых пород с среднегодовыми температурами пород –0.2°C. В ландшафтной структуре преобладают увлажненные кустарниковые тундры, торфяники и дренированные кустарниковые тундры.

Наблюдения за эмиссией метана в доминантных ландшафтах проводились, начиная с 2017 г., в первой декаде августа общепринятым методом “стационарных камер”. Мы использовали прозрачные камеры размером 25 × 25 × 25 см, заглубленные в грунт на 3–5 см, что учитывалось при расчете эмиссии. Всего выполнено 26 четырехчасовых эксперимента при температуре поверхности тундр от 5.7 до 20.0°C. Параллельно проводился отбор проб грунтов ненарушенного сложения из керна мелких скважин и стенок шурфов.

Дегазация грунтовых образцов проводилась непосредственно после отбора известным методом “head space”. Методика отбора и дегазации описана ранее [11]. Образцы газа доставлялись в лабораторию ФГБУ ВНИИОкеангеология, где определение состава газов проводилось методом газовой хроматографии на установке с пламенно-ионизационным детектором “SHIMADZU” GC 2014 (производство Японии). Всего изучен газовый состав, включая содержание метана, для 280 образцов талых грунтов СТС в районе Марре-Сале и 31 образец грунта с устья р. Печора.

Измерение δ¹³С метана проводилось с помощью газового хроматографа “Thermo Fisher Scientific”, США и масс-спектрометра Delta Plus, “Thermo Electron Corporation”, Германия, с использованием стандарта, калиброванного по VPDB. Точность определений ±0.1‰. [4]. Выполнено 39 измерений δ¹³С метана.

Наблюдения за эмиссией метана проводились с 2017 по 2021 г. и позволили проследить влияние температуры поверхности на величину потоков метана в разных ландшафтных условиях. На рис. 1 приведены результаты измерений в контрастных по степени увлажнения ландшафтах типичной тундры. Наблюдениями охвачен температурный диапазон от 5.7 до 20°С. Здесь и далее на всех рисунках приведен коэффициент детерминации R².

Рис. 1.

Зависимость удельных потоков метана от температуры подстилающей поверхности для доминантных ландшафтов типичной тундры. В легенде номера площадок: 1 – дренированная тундра, 2а – увлажненная полигональная тундра, 4 – полоса стока, 36 – пойменное болото. Линии трендов: сплошная линия – болото (36), штриховая линия – водосборное понижение (4), штрихпунктирная линия – увлажненная полигональная тундра (2а), линия тренда для дренированной тундры (1) совпадает с горизонтальной осью.

Как следует из рис. 1, при температуре около 5–7°С, которая соответствует климатической норме (1961–1990 гг.), удельные потоки метана даже с поверхности болот не превышают 0.5 мг CH₄ м^–2 ч^–1, в дренированных ландшафтах поток метана при этой температуре близок к нулю. Повышение температуры до 20°С приводит к возрастанию удельных потоков в болотах до 9.1 мг CH₄ м^–2 ч^–1, в полосах стока – до 4 мг CH₄ м^–2 ч^–1, полигональных тундрах до 2.8 мг CH₄ м^–2 ч^–1. Дренированные ландшафты характеризуются околонулевыми потоками метана даже при высокой температуре поверхности.

Содержание метана пород СТС в Марре-Сале очень сильно меняется в зависимости от ландшафтных условий. Наибольшее содержание метана в СТС отмечено в пойменных болотах, здесь содержание метана составило 1.11 ± 0.95 мг CH₄/кг при максимальном значении 3.19 мг CH₄/кг. На основной поверхности третьей морской террасы наибольшее содержание метана отмечается для водосборных понижений и логов. Содержание метана здесь составило 1.13 ± 0.76 мг CH₄/кг при максимальном значении 2.75 мг CH₄/кг. Также сравнительно высокие значения содержания метана в СТС отмечены в увлажненной полигональной тундре – до 0.3 мг CH₄/кг. В дренированных ландшафтах содержание метана составляет менее 0.1 мг CH₄/кг.

В районе Печоры также максимальные содержания метана наблюдаются в болотах, до 3.2 мг CH₄/кг. В дренированных ландшафтах содержание метана такое же низкое, как и в Марре-Сале.

На рис. 2 приведено типичное распределение содержания метана в почвах и породах СТС ландшафтов болот для Марре-Сале и устья р. Печора. В качестве первого приближения приведены линейные тренды. Аналогичные распределения содержания метана наблюдаются во всех типах ландшафтов, включая и дренированные.

Рис. 2.

Типичные распределения содержания метана по глубине в СТС. Сплошные кружочки и линия – Марре-Сале, прозрачные кружочки и прерывистая линия – устье р. Печора.

Как видно из рис. 2, для обоих случаев характерно высокоградиентное распределение содержания метана по глубине. От поверхности к основанию СТС содержание метана возрастает на два порядка. Это позволяет предположить существенный вклад диффузионного механизма в вертикальный перенос метана. A. Brouchkov и M. Fukuda оценивают величину коэффициента диффузии метана для талых супесчаных грунтов Центральной Якутии в 10^–5–10^–6 см²/с [1]. Схожая точка зрения на роль диффузионного механизма в перенос метана в арктических ландшафтах разной дренированности высказана M. Brummell и соавт. [2]. По их мнению, вклад диффузионного механизма в транспорт метана тем выше, чем более дренированы грунты. Сравнительно невысокие коэффициенты корреляции на рис. 2 объясняются высокой изменчивостью содержания метана в грунтовых разрезах. Обращает на себя внимание, что данные по Печоре в целом демонстрируют более высокое содержание метана по сравнению с Марре-Сале. Вероятно, это связано с более высокими температурами почв и грунтов в районе Печоры.

Полученные данные по метану в разных условиях позволяют оценить влияние температуры на его содержание в СТС. На рис. 3 приведено содержание метана в доминантных ландшафтах типичной и южной тундры в зависимости от суммы положительных температур воздуха на момент опробования, которая в данном случае выступает мерой тепла, поступающего в грунт. Каждая точка на графике представляет собой средневзвешенное (с учетом неравномерности сетки опробования) значение из 4–10 проб.

Рис. 3.

Соотношение между содержанием метана в СТС и суммой положительных температур в доминантных ландшафтах. Сплошная прямая линия – тренд для ландшафтов болот, прерывистая линия – общий региональный тренд. Индексом М-С обозначены площадки отбора проб в Марре-Сале, индексом П – в районе устья Печоры.

Южные и типичные тундры обладают разными наборами зональных ландшафтов, поэтому прямое сравнение будет не совсем корректным. Однако возможно сравнение по азональным ландшафтам, которые присутствуют в обеих биоклиматических зонах. Такими азональными ландшафтами являются болота и торфяники. Изучение содержания метана в торфяниках не проводилось из-за их незначительной площади в пределах исследуемых биоклиматических зон. Для болот (рис. 3) существует явная положительная связь между суммой положительных температур воздуха и содержанием метана в грунтах СТС, что подтверждает выдвинутую гипотезу о повышении содержания метана в СТС при потеплении климата. Коэффициент детерминации составляет 0.75, а общий тренд для региона, рассчитанный для всей совокупности данных, составляет всего 0.22, однако это объясняется не столько низким влиянием положительных температур, сколько высокой естественной изменчивостью содержания метана в грунтах от ландшафта к ландшафту.

Изотопный состав углерода метана закономерно меняется по глубине. В качестве примера на рис. 4 приведено изменение δ¹³С метана по глубине для ландшафтов болот.

Рис. 4.

Изменение изотопного состава углерода метана по глубине в ландшафтах болот. Условные обозначения те же, что на рис. 2.

Как следует из рис. 4, наблюдается хорошо выраженная сепарация метана по изотопному составу в толще пород СТС. В верхних горизонтах СТС метан характеризуется более тяжелым изотопным составом углерода по сравнению с более низкими горизонтами. При этом, несмотря на недостаток данных, метан в районе Печоры обладает более тяжелым изотопным составом по сравнению с Марре-Сале. Похожие распределения изотопного состава были получены и для ландшафтов с неводонасыщенными породами.

Сепарация метана по глубине объясняется утяжелением изотопного состава при переносе метана к поверхности, сопровождаемым микробным окислением. Известно, что при потреблении метана метанотрофными бактериями в окислительной среде, так же как микробным сообществом архей и бактерий (АОМ) в анаэробных условиях, преимущественно используется “легкий” ¹²СН₄ метан [3, 12]. Углерод органического вещества биомассы, так же, как и углерод СО₂ и карбонатов наследуют “легкий” изотоп. При этом в остаточном метане увеличивается содержание “тяжелого” изотопа (¹³С–СН₄).