Способ определения годового количества эмитированного углерода почвами лесостепной зоны Российский патент 2024 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к рациональному природопользованию и охране окружающей среды. Оно может быть использовано предприятиями при составлении регулярной экологической отчетности в части выбросов и поглощения парниковых газов.

Глобальные климатические изменения во многом обусловлены особенностями современной хозяйственной деятельности. Стационарные производства из различных отраслей экономики, автотранспорт, сельское хозяйство выбрасывают огромное количество парниковых газов в атмосферу, что приводит к формированию парникового эффекта, который детерминирует рост среднегодовой температуры приземной атмосферы. Диагностируемые учеными и практиками климатические изменения довольно стремительны. Набранные темпы заставляют оперативно адаптировать мировую экономику под новые климатические реалии, что не всегда представляется возможным. Согласно прогнозным сценариям изменений климата к 2100 году, рост средней температуры на Земле достигнет 4°С. Глобальная стратегическая задача - снижение темпов климатических изменений. Международным сообществом разработан и принят ряд документов, регулирующих и регламентирующих учет выбросов и поглощения парниковых газов. В Российской Федерации на законодательном уровне принята стратегия снижения климатических изменений (Указ Президента РФ от 4 ноября 2020 г. №666 “О сокращении выбросов парниковых газов”), разработаны и приняты нормативная документация и методики расчета выбросов и поглощения парниковых газов хозяйствующими субъектами (Приказ Минприроды России от 27.05.2022 №371 "Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов"). В виду повышенной пространственной неоднородности ландшафтов и высокой вариабельности условий окружающей среды существует необходимость разработки частных методик оценки потоков парниковых газов и баланса углерода для различных биоклиматических и почвенно-климатических зон. Это позволит наиболее точно оценивать не только объемы выбросов парниковых газов предприятиями, но и устанавливать секвестрационный потенциал биоты и почв.

Известен способ определения почвенной эмиссии СО₂ и количества эмитируемого углерода почвами путем сезонного и многолетнего мониторинга показателя эмиссии СО₂ с поверхности почвы (Глаголев М.В., Сабреков А.Ф., Казанцев В.С. Измерение газообмена на границе почва/атмосфера. - Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 2010. - 96 с; Саржанов Д.А., Васенев В.И., Сотникова Ю.Л., Тембо А., Васенев И.И., Валентини Р. Краткосрочная динамика и пространственная неоднородность эмисии СО₂ почвами естественных и городских экосистем Центрально-черноземного региона // Почвоведение. 2015. №4. С. 469-478), являющийся аналоговым. Недостатком этого способа является его значительная продолжительность во времени и трудоемкость. Для оценки среднегодовой почвенной эмиссии СО₂ необходимо проводить замеры показателя в течение минимум одного вегетационного сезона с минимальной периодичностью 1-2 раза в месяц, либо с подекадной периодичностью.

Обнародована методика расчета потерь углерода почвой в процессе почвенной эмиссии СО₂ (Приказ Минприроды России от 27.05.2022 №371 "Об утверждении методик количественного определения объемов выбросов парниковых газов и поглощений парниковых газов"). Данный способ был выбран нами в качестве прототипа. Методика расчета предусматривает использование не конкретных полученных экспериментально значений показателя почвенной эмиссии для конкретной экосистемы, а средних значений дыхания разных типов почв в агроценозах и биоценозах, а также среднего значения вклада летней эмиссии CO₂ в годовую в биоценозах субъектов Российской Федерации, что значительно снижает точность таких расчетов. Кроме того, недостатками метода являются ограниченность средних значений лишь несколькими зональными типами почв и их агрогенными модификациями, а также несколько заниженная для Центрально-Черноземного региона продолжительность вегетационного периода (5 месяцев). Почвенное дыхание в условиях Центрально-Черноземного региона диагностируется в том числе в течение апреля и октября (Неведров Н.П., Саржанов Д.А., Проценко Е.П., Васенев И.И. Сезонная динамика эмиссии СО₂ из почв города Курска // Почвоведение. 2021. №1. С. 70-79; Неведров Н.П., Саржанов Д.А., Проценко Е.П., Васенев И.И. Пространственно-временная изменчивость эмиссии СО₂ из альфегумусовых песчаных почв лесостепной зоны на примере г. Курска // Почвоведение. 2022. №11. С. 1366-1377), поэтому для лесостепи целесообразнее при расчетах потерь углерода в процессе почвенного дыхания учитывать объемы эмитированного СО₂ в период с апреля по октябрь.

Целью изобретения являлась разработка простого, надежного и относительно экспрессного способа оценки годового количества эмитируемого углерода почвами заданной экосистемы.

Технической задачей изобретения является оценка годового количества углерода, эмитируемого почвами заданной экосистемы, с применением экспериментальных данных по измерению средних за вегетационный сезон значений скорости почвенных потоков СО₂ при минимальных временных затратах на процесс получения таких данных.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения годового количества углерода, эмитированного почвами, путем измерения средних за вегетационный сезон значений скорости почвенных потоков СО₂, согласно изобретению, осуществляют замеры эмиссии СО₂ с поверхности почв камерным методом в течение мая исследуемого года (по 2 замера в каждую декаду) в дни с ясной погодой в период времени с 9:00 до 13:00 часов, полученные значения усредняются для одних суток и экстраполируются на 7 месяцев (с апреля по октябрь включительно), что позволяет определить годовое количество углерода, эмитированного в атмосферу почвами заданной экосистемы, по формуле:

С_{эмитир. почвой}=V_{ПЭ СО2}×0,273×10×214,

где С_{эмитир. почвой} - количество углерода, эмитированного почвой в атмосферу за год, кг га^-1 год^-1;

V_{ПЭ СО2} - почвенная эмиссия СО₂, полученная путем измерений в течение мая исследуемого года (по 2 замера в каждую декаду) в дни с ясной погодой в период времени с 9:00 до 13:00 часов, г м^-2 сут^-1;

0,273 - коэффициент пересчета молярной массы СО₂ в молярную массу С, безразмерный коэффициент;

10 - коэффициент пересчета массы эмитированного углерода с единицы площади почвы г м^-2 в кг га^-1, безразмерный коэффициент;

214 - продолжительность периода, сопровождающегося процессом почвенного дыхания, сутки.

Пример осуществления способа

В ходе анализа 46 мониторинговых исследований (2012-2021 гг.) сезонной динамики эмиссии СО₂ с поверхности черноземов типичных, черноземов выщелоченных, агрочерноземов, темно-серых почв, урботемно-серых почв, урбаноземов на основе черноземов типичных и темно-серых почв, подзолов и дерново-подзолов песчаных был выявлен временной период, в который значения показателя почвенной эмиссии СО₂ максимально приближены к значениям средней за вегетационный сезон почвенной эмиссии СО₂ (табл. 1).

Таблица 1. Вероятность статистического совпадения показателя среднемесячного значения почвенной эмиссии СО₂ со значением средней за вегетационный сезон почвенной эмиссии СО₂ Тип почвы Вероятность случайного события Месяц IV V VI VII VIII IX X Подзолы и дерново-подзолы песчаные 0,00 1,00 0,20 0,40 0,00 0,20 0,40 Темно-серые, урботемно-серые, урбаноземы на основе темно-серых почв 0,10 0,73 0,64 0,00 0,20 0,45 0,30 Черноземы типичные, черноземы выщелоченные, агрочерноземы, урбаноземы на основе черноземов 0,11 0,67 0,55 0,00 0,44 0,44 0,00 Независимо от генезиса почв 0,08 0,72 0,52 0,08 0,28 0,40 0,20

По результатам анализа установлено, что скорость потоков СО₂ с поверхности почв в мае, как правило, имеет максимально близкие значения к средним за вегетационный сезон значениям исследуемого показателя. Вероятность совпадения среднемесячных и средних за вегетационный сезон (7 месяцев с апреля по октябрь) значений почвенной эмиссии СО₂ достигает 1,0 (100%) для подзолов и дерново-подзолов песчаных. Для темно-серых почв и их антропогенных модификаций вероятность совпадения значений майского почвенного потока СО₂ и среднего за вегетационный сезон составляет 73%, для черноземов и их антропогенных модификаций - 67%. Без учета генезиса почв скорость потоков СО₂ из почв в мае в 72% случаев характеризовала среднее за вегетационный сезон значение этого показателя (табл. 1).

Предлагаемый способ апробировали в ходе оценки годового количества углерода, эмитируемого почвами 21-й природно-антропогенной экосистемы г. Курска (табл. 2).

Таблица 2. Сравнительный анализ расчетных методов годового количества углерода, выделяемого почвами различного генезиса в процессе эмиссии СО₂ с их поверхности (на примере наиболее контрастных результатов) Экосистема Тип почвы V_{ПЭ СО2,}
г СО₂ м^-2 сут^-1
(май)
(расчет по сезонному мониторингу) Кол-во С, эмитир. почвой, кг га^-1 год^-1 (расчет по сезонному мониторингу) Кол-во С, эмитир. почвой, кг га^-1 год^-1
(расчет по предлагаемой формуле) Расхождение, % Урочище Горелый лес (сосновый участок) Подзол-иллювиально-железистый песчаный 5,4±0,7
5,4±0,9 3130 3 154,79 0,79 Урочище Горелый лес (дубрава) Дерново-подзол иллювиально-железистый песчаный 10,2±1,1
11,4±2,0 6760 5 959,04 11,85 Урочище Шуклинка (дубрава) Темно-серая типичная 20,0±2,2
22,5±3,7 13131 11684,4 11,02 Урочище Парк (сосновый выдел) Подзол иллювиально-железистый песчаный 7,0±0,8
6,0±1,1 4092 4089,54 0,06 Техногенный ландшафт ТЭЦ-1 Урбанозем собственно на основе чернозема 17,2±1,8
16,5±3,0 9690 10048,58 3,70 Пастбищно-сенокосный луг вблизи котельной Северо-западного микрорайона Урбосерая типичная 11,8±0,9
11,7±1,5 6918 6893,80 0,35

При анализе данных установили, что расхождение в результатах при использовании способа расчета количества выделяемого почвой углерода, учитывающего данные сезонного мониторинга показателя почвенной эмиссии СО₂, и предлагаемого способа составляет от 0,06% до 11,85%, что не выходит за рамки пределов стандартной ошибки измеряемых средних значений показателя (ввиду высокой пространственной вариабельности этого показателя). В более чем 70% исследуемых экосистем расхождение результатов не превышало 5%.

Стоит также отметить, что в расчетах не учитывались значения почвенной эмиссии СО₂ в холодное время года, т.к. в этот период времени продукция СО₂ в верхней части почвенного профиля, как правило, практически отсутствует, а накопившийся диоксид углерода в нижней части почвенного профиля удаляется из почвы, преимущественно, в растворенном виде с лизиметрическим стоком с нижней границы (Смагин А.В., Суранов А.В., Садовникова Н.Б., Кокорева А.А., Исаева А.В., Беляева Е.А. Балансовая оценка динамики диоксида углерода в почве больших лизиметров МГУ // Вестн. Моск. ун-та. сер. 17. Почвоведение. 2021. №3. С. 38-44)

Изобретение относится к рациональному природопользованию и охране окружающей среды. Оно может быть использовано предприятиями при составлении регулярной экологической отчетности в части выбросов и поглощения парниковых газов. Технической задачей изобретения является оценка годового количества углерода, эмитируемого почвами заданной экосистемы, с применением экспериментальных данных по измерению средних за вегетационный сезон значений скорости почвенных потоков СО₂ при минимальных временных затратах на процесс получения таких данных. Технический результат достигается за счет того, что в известном способе определения годового количества углерода, эмитированного почвами, путем измерения средних за вегетационный сезон значений скорости почвенных потоков СО₂, согласно изобретению, осуществляют замеры эмиссии СО₂ с поверхности почв камерным методом в течение мая исследуемого года (по 2 замера в каждую декаду) в дни с ясной погодой в период времени с 9:00 до 13:00 часов, полученное значение почвенной эмиссии усредняется для одних суток и экстраполируется на 7 месяцев (с апреля по октябрь включительно), что позволяет определить годовое количество углерода, эмитированного в атмосферу почвами заданной экосистемы, по формуле:

С_{эмитир. почвой}=V_{ПЭ СО2}×0,273×10×214,

где С_{эмитир. почвой} - количество углерода, эмитированного почвой в атмосферу за год, кг га^-1 год^-1;

V_{ПЭ СО2} - почвенная эмиссия СО₂, полученная путем измерений в течение мая исследуемого года (по 2 замера в каждую декаду) в дни с ясной погодой в период времени с 9:00 до 13:00 часов, г м^-2 сут^-1;

0,273 - коэффициент пересчета молярной массы СО₂ в молярную массу С, безразмерный коэффициент;

10 - коэффициент пересчета массы эмитированного углерода с единицы площади почвы г м^-2 в кг га^-1, безразмерный коэффициент;

214 - продолжительность периода, сопровождающегося процессом почвенного дыхания, сутки. 2 табл.

Способ, заключающийся в определении годового количества эмиссии углерода почвами лесостепной зоны путем измерения средних за вегетационный сезон значений скорости почвенных потоков СО_2, отличающийся тем, что замеры эмиссии СО₂ с поверхности почв камерным методом осуществляют в течение мая исследуемого года по 2 замера в каждую декаду в дни с ясной погодой в период времени с 9.00 до 13.00 ч, полученная скорость усредняется для одних суток и экстраполируется на 7 месяцев с апреля по октябрь включительно, что позволяет определить годовую эмиссию углерода почвами заданной экосистемы, по формуле:

С_{эмитир. почвой} = V_{ПЭ СО2} × 0,273 × 10 × 214,

где С_{эмитир. почвой} – количество углерода, эмитированного почвой в атмосферу за год, кг га^-1;

V_{ПЭ СО2} – почвенная эмиссия СО₂, полученная путем измерений в течение мая исследуемого года по 2 замера в каждую декаду в дни с ясной погодой в период времени с 9:00 до 13:00 ч, г м^-2 сут^-1;

0,273 – коэффициент пересчета молярной массы СО₂ в молярную массу С, безразмерный коэффициент;

10 – коэффициент пересчета массы эмитированного углерода с единицы площади почвы г м^-2 в кг га^-1, безразмерный коэффициент;

214 – продолжительность периода, сопровождающегося процессом почвенного дыхания, сутки.