Способ определения суммарной потери углерода и интегральной эмиссии диоксида углерода при осушении болот Российский патент 2023 года по МПК G01N33/24 

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к мелиорации болот, экологии и агромелиоративному природопользованию, и может быть применено для оценки уровня деградации торфяно-болотных почв и разработки мероприятий повышения экологической устойчивости мелиорируемых агроландшафтов.

К важным показателям экологической устойчивости осушаемых болотных агроландшафтов относятся продолжительность жизни торфяных почв, минерализация органического вещества торфа и эмиссия диоксида углерода. После осушения болото превращается из пула стока в источник эмиссии диоксида углерода.

Известен способ установления величины изменения мощности слоя торфа на мелиорируемых землях (RU 2452950 С1, 10.06.2012, бюл. №16), включающий измерения в разрезах актуальной мощности торфа и размера уплотненного слоя оболочек диатомовых водорослей, на основании которых определяется по предлагаемой формуле уменьшение мощности торфа. Рассматриваемый способ не позволяет определить другие важные для заявленного изобретения характеристики осушаемого торфа, включая потери углерода.

Известен камерный адсорбционный способ определения эмиссии диоксида углерода Штатное В.И. (К методике определения биологической активности почвы//Доклады ВАСХНИЛ. - 1952. - Вып. 6. - С. 27-33), который включает камеру для улавливания потока газа с поверхности почвы и определение концентрации СО₂ методом адсорбции. К недостаткам способа относится его низкая точность, связанная с созданием «щелочного насоса», что приводит к завышению результатов.

Известен также камерный статический метод (Измерение газообмена на границе почва/атмосфера /М.В. Глаголев, А.Ф. Сабреков, В.С. Казанцев. - Томск: Изд-во Томского государственного педагогического университета, 2010. - 96 с.), позволяющий измерять эмиссию газа в ограниченном объеме камеры в течение фиксированного времени и повышать точность измерения. К недостаткам способа относится возникновение градиента концентрации между воздухом внутри и вне камеры, происходит диффузионный обмен между изолятором и надпочвенным воздухом.

Одним из известных методов оценки выделения углерода при дыхании болотных почв является камерно-динамический метод (Pumpanen, J., Longdoz, В., Kutsch, W.L. Field measurements of soil respiration: principles and constraints, potentials and limitations of different methods / Soil Carbon Dynamics. An Integrated Methodology. Kutsch W.L., Bahn M., Heinemeyer A. (Eds.). Cambridge Univ. Press, 2012. P. 16-32.) с определением концентрации СО₂ в пробе воздуха с помощью инфракрасного газоанализатора. Сущность такого измерения связана с непрерывной циркуляцией воздуха между камерой и анализатором, которая позволяет за короткий промежуток времени (от нескольких секунд до минут) оценить динамику СО₂ в воздухе камеры. Способ не лишен общих недостатков для камерных систем, связанных с нарушением поверхности почвы и корневой системы при установке камер, влияющим на точность результатов.

Известен способ (RU 2660380 С1, 06.07.2018 Бюл. №19) мониторинга эмиссии диоксида углерода в полевом опыте с помощью портативного почвенного респирометра, который представляет собой герметичный пластиковый контейнер внутри с инфракрасным мини газоанализатором. Представительный почвенный образец для анализа размещается также внутри контейнера. К недостаткам способа относится нарушение градиентных условий между слоями почвы при извлечении образца.

К общим недостаткам прямых измерений концентрации диоксида углерода в надпочвенном слое воздуха относится локальный (точечный) характер измерения в пространстве и во времени, не полный учет условий трансформации торфа при осушении, что затрудняет экстраполяцию данных измерений и определение суммарных потерь углерода при изменяющихся во времени размерах деградации торфяно-болотной почвы, более интенсивных в первые годы осушения. Для определения эмиссии углекислого газа камерным способом требуется дорогостоящее оборудование и большие затраты труда высококвалифицированного персонала в процессе мониторинга.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу относится способ оценки потерь массы торфа в процессе осушения (Пыленок П.И. К оценке экологической устойчивости осушаемых болотных агроландшафтов//Высокие технологии добычи, глубокой переработки и использования болотно-озерных отложений /Тез. докл. Международн. научно-практ. конф. - Томск, 2003, с. 156-158 с.), принятый за прототип, который заключается в том, что в начале периода осушения производят стандартные для мелиоративных изысканий измерение мощности торфяной залежи бурением скважин, закладку реперных пластин на прогнозируемой подошве трансформируемого слоя торфа, отбор образцов торфа ненарушенной структуры методом режущего кольца на репрезентативных реперных точках, определение плотности и концентрации углерода в торфяной залежи, водопроницаемости и других водно-физических и агрохимических свойств в трансформируемом слое торфа (на глубину не менее 1 м). Все эти операции осуществляют с временным интервалом 5 и более лет с последующим проведением сравнительного анализа данных начального и последующего моментов времени, на основании которого определяют потери массы торфа при осушении по формулам:

Для осредненных по глубине характеристик расчет ведется по формуле (1), при использовании данных послойных измерений по формуле (2):

где П - потери массы торфа, т/га; h₀, h_t - мощность торфа от поверхности до минерального дна до осушения и спустя t лет после осушения и использования, м; γ₀, γ_t - плотность неосушенного торфа и через t лет после осушения, т/м³; i, j - число тестируемых слоев до осушения и после.

В тех случаях, когда наблюдения проводятся только в верхнем слое (z<h), необходимо учитывать разную степень деформации на поверхности и подошве трансформируемого (расчетного) слоя, оценку потерь массы торфа можно сделать по зависимости (3)

где z₀ - трансформируемый (расчетный) слой неосушенного торфа, м; Δ₀ - понижение поверхности торфа в результате осадки и сработай, м; Δ_z - то же на нижней границе расчетного слоя (подошва), м; - плотность торфа в слое z₀, т/м³; - плотность торфа в трансформированном слое t_z, т/м.

Способ-прототип позволяет определить потери массы торфа при осушении болот, но не определяет суммарные потери углерода и интегральную эмиссию диоксида углерода в процессе осушения. Кроме того, к недостаткам прототипа относятся отсутствие плановой и высотной привязки реперных точек и недоучет такого фактора, как зольность торфа, что приводит к определенной некорректности сравнения массы торфа в разные периоды времени из-за различного содержания в нем органического вещества.

Устранить указанные недостатки позволяет предлагаемый способ определения суммарной потери углерода и интегральной эмиссии диоксида углерода при осушении болот, включающий проведение мониторинга изменения мощности залежи торфа и его свойств при осушении болот, осуществляемого стандартными для мелиоративных изысканий измерениями мощности торфяной залежи: бурение скважин, закладку реперных пластин на прогнозируемой подошве трансформируемого слоя торфа, отбор образцов торфа ненарушенной структуры методом режущего кольца на репрезентативных реперных точках, определение плотности торфяной залежи и концентрации углерода в ней, зольности и других водно-физических и агрохимических свойств в трансформируемом слое торфа (на глубину не менее 1 м) с временным интервалом 5 и более лет с последующим проведением сравнительного анализа данных начального и последующего моментов времени, на основании которого определяют потери массы торфа при осушении, в котором согласно предполагаемому изобретению осуществляют плановую и высотную привязки реперных точек, потери массы торфа при осушении определяют по формуле:

где П - потеря массы торфа, т/га;

Δ₀ и Δ_z - усадка дневной поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа, м;

γ₀ - плотность неосушенного торфа, т/м³,

суммарные потери углерода при осушении определяют по формуле:

где К_C - долевой коэффициент концентрации углерода в органическом веществе торфа, д. ед.; D_as - степень зольности торфа, д. ед.,

а интегральную эмиссию диоксида углерода определяют исходя из химической формулы диоксида углерода по формуле:

Сущность предполагаемого изобретения заключается в том, что оно позволяет при меньших материальных затратах получить более точные данные о суммарных во времени потерях углерода осушаемых торфяно-болотных почв и интегральной эмиссии диоксида углерода, которые позволят более обоснованно устанавливать экологические риски, оптимизировать мелиоративный режим и технологии сельскохозяйственного использования торфяно-болотных почв.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, где на фиг 1 представлена расчетная схема трансформации слоя торфа при осушении, где h₀ - мощность торфа на всю глубину до осушения; z₀ и z_t - исходная мощность трансформируемого (расчетного) слоя и его мощность через t лет после осушения; Δ₀ и Δ_z - усадка дневной поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:

В начале периода осушения производят измерения мощности торфяной залежи, для чего бурят скважины, закладывают реперные пластины на прогнозируемой подошве трансформируемого (расчетного) слоя торфа (на глубине не менее 1 м.) для возможности инструментальной оценки изменения понижения поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа по прошествии определенного времени. Отбирают образцы торфа ненарушенной структуры методом режущего кольца на репрезентативных реперных точках. При этом осуществляют плановую и высотную привязку реперных точек для более точного отбора образцов торфа и определения его качеств по прошествии времени. Затем определяют плотность торфяной залежи и концентрацию углерода в ней, зольность и другие водно-физические и агрохимические характеристики торфа в трансформируемом слое на момент времени Через 5 или более лет после нивелирования реперных точек осуществляются те же действия для определения понижения поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа.

Потерю массы торфа определяют по мощности сработай торфа с учетом неравномерности понижения поверхности и подошвы трансформируемого слоя (см. фиг. 1) по формуле:

где: Δ₀ и Δ_z - усадка дневной поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа, м, γ₀ - плотность неосушенного торфа, т/м³.

Суммарные потери углерода при осушении определяют по формуле:

где К_C - долевой коэффициент концентрации углерода в органическом веществе торфа, д. ед.; D_as - степень зольности торфа, д. ед.

Интегральную эмиссию диоксида углерода определяют исходя из химической формулы диоксида углерода по формуле:

Предлагаемый способ определения суммарной потери углерода и интегральной эмиссии диоксида углерода при осушении болот поясняется данными натурных исследований и результатами расчетов.

По данным многолетних исследований на объекте «Кальское» (Маслов Б.С, Зоткин В.П., Пыленок П.И. Агроэкологическая оценка способов осушения//Вестник РАСХН, 1996, №1, с. 48-51; Маслов Б.С.последствия осушения болотных ландшафтов) поверхность метрового слоя торфяной почвы понижается более чем в 2 раза быстрее своей подошвы. Так, за 31 год поверхность торфяной почвы понизилась: на 83 см (глубокое осушение), 53 см (среднее) и 35 см (мелкое осушение). За этот же период подошва метрового слоя понизилась на 38, 23 и 17 см соответственно (см. фиг. 1). Другими словами слой торфа уменьшился соответственно на (83-38=45 см) при глубоком осушении, на (53-23=30 см) при среднем осушении и на (35-17=18 см) при мелком осушении. Потерю массы торфа определяли умножением этих значений на плотность торфа.

Используя эти данные и формулы (4,5,6)), производили расчеты (см. табл. 1) потерь углерода для участков различной интенсивности осушения болота «Кальское»:

П=10⁴(Δ₀-Δ_z)γ₀

П_C=К_СП=0,58 П, т/га

где К_C - долевой коэффициент концентрации углерода в органическом веществе (принят равным 0,58 по данным Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения / С.Н. Тюремнов. М.: Недра, 3-е изд. 1976. 221 с.).

Эмиссию диоксида углерода определяли по формуле:

с учетом потерь углерода и формулы диоксида углерода, каждый атом которого присоединяет два атома кислорода.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет при сокращении материальных и трудовых затрат получить более точные данные о суммарных во времени потерях углерода осушаемых торфяно-болотных почв и интегральной эмиссии диоксида углерода, которые позволят более обоснованно устанавливать экологические риски, оптимизировать мелиоративный режим и технологии сельскохозяйственного использования торфяно-болотных почв.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к мелиорации болот, экологии и агромелиоративному природопользованию. Способ определения суммарной потери углерода и интегральной эмиссии диоксида углерода при осушении болот включает проведение мониторинга изменения мощности залежи торфа и его свойств при осушении болот, осуществляемого стандартными для мелиоративных изысканий измерениями мощности торфяной залежи: бурение скважин, закладку реперных пластин на прогнозируемой подошве трансформируемого слоя торфа, отбор образцов торфа ненарушенной структуры методом режущего кольца на репрезентативных реперных точках, определение плотности торфяной залежи и концентрации углерода в ней, зольности и других водно-физических и агрохимических характеристик трансформируемого слоя торфа на глубину не менее 1 м с временным интервалом 5 и более лет с последующим проведением сравнительного анализа данных начального и последующего моментов времени, на основании которого определяют потери массы торфа при осушении, отличающийся тем, что осуществляют плановую и высотную привязки реперных точек, потери массы торфа при осушении определяют по формуле: П=10⁴(Δ₀-Δ₂)γ₀, где П - потеря массы торфа, т/га, Δ₀ и Δ_z - усадка дневной поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа, м; γ₀ - плотность неосушенного торфа, т/м³; суммарные потери углерода при осушении определяют по формуле: П_C=К_СП(1-D_as), т/га, где К_C - долевой коэффициент концентрации углерода в органическом веществе торфа, д. ед.; D_as - степень зольности торфа, д. ед., а интегральную эмиссию диоксида углерода определяют исходя из химической формулы диоксида углерода по формуле: Э_СО2=3,67П_С, т/га. Технический результат – при меньших материальных затратах получение более точных данных о суммарных во времени потерях углерода осушаемых торфяно-болотных почв и интегральной эмиссии диоксида углерода, которые позволят более обоснованно устанавливать экологические риски, оптимизировать мелиоративный режим и технологии сельскохозяйственного использования торфяно-болотных почв. 1 ил., 1 табл.

где К_C - долевой коэффициент концентрации углерода в органическом веществе торфа, д. ед.; D_as - степень зольности торфа, д. ед.,

а интегральную эмиссию диоксида углерода определяют исходя из химической формулы диоксида углерода по формуле:

Предлагаемый способ позволяет при сокращении материальных и трудовых затрат получить более точные данные о суммарных во времени потерях углерода осушаемых торфяно-болотных почв и интегральной эмиссии диоксида углерода, которые позволят более обоснованно устанавливать экологические риски, оптимизировать мелиоративный режим и технологии сельскохозяйственного использования торфяно-болотных почв.

Способ определения суммарной потери углерода и интегральной эмиссии диоксида углерода при осушении болот, включающий проведение мониторинга изменения мощности залежи торфа и его свойств при осушении болот, осуществляемого стандартными для мелиоративных изысканий измерениями мощности торфяной залежи: бурение скважин, закладку реперных пластин на прогнозируемой подошве трансформируемого слоя торфа, отбор образцов торфа ненарушенной структуры методом режущего кольца на репрезентативных реперных точках, определение плотности торфяной залежи и концентрации углерода в ней, зольности и других водно-физических и агрохимических характеристик трансформируемого слоя торфа на глубину не менее 1 м с временным интервалом 5 и более лет с последующим проведением сравнительного анализа данных начального и последующего моментов времени, на основании которого определяют потери массы торфа при осушении, отличающийся тем, что осуществляют плановую и высотную привязки реперных точек, потери массы торфа при осушении определяют по формуле:

где П - потеря массы торфа, т/га,

Δ₀ и Δ_z - усадка дневной поверхности и подошвы трансформируемого слоя торфа, м;

γ₀ - плотность неосушенного торфа, т/м³;

суммарные потери углерода при осушении определяют по формуле:

где К_C - долевой коэффициент концентрации углерода в органическом веществе торфа, д. ед.; D_as - степень зольности торфа, д. ед.,

а интегральную эмиссию диоксида углерода определяют исходя из химической формулы диоксида углерода по формуле: