Анализ факторов формирования концентраций и эмиссионных потоков метана в водохранилищах

Анализ факторов формирования концентраций и эмиссионных потоков метана в водохранилищах

Автор: Гарькуша Дмитрий Николаевич, Фдоров Юрий Александрович, Косолапов Алексей Евгеньевич, Усова Елена Валентиновна, Анпилова Евгения Леонидовна

Журнал: Антропогенная трансформация природной среды @atps-psu

Рубрика: Трансформация природной среды

Статья в выпуске: 1 т.10, 2024 года.

Бесплатный доступ

В статье проанализированы и обобщены результаты опубликованных работ, направленных на установление влияния различных природных и антропогенных факторов и процессов на образование, концентрацию и окисление метана в воде и донных отложениях, а также его эмиссию в системе «донные отложения - вода - атмосфера». Вариативность концентраций и удельных потоков метана в водохранилищах связана с изменчивостью гидрологических и морфологических особенностей, обуславливающих интенсивность продукционно-деструкционных процессов, характер механической миграции органического и минерального вещества и распределение литологических типов донных отложений на разных участках водоема. Значительное воздействие на формирование концентраций и потоков метана оказывают ветровая активность и поступление соединений углерода, азота и фосфора с поверхности водосбора (в том числе от антропогенных источников) и в результате разложения органического вещества почв и растительности, затопленных при наполнении водохранилища. Показано, что при оценке эмиссии метана в атмосферу для каждого водохранилища необходимо учитывать своеобразие комбинированного влияния природных и антропогенных факторов и процессов.

Еще

Парниковые газы, вода, донные отложения, концентрация, окисление, диффузия, пузырьковый перенос, эмиссия, природные и антропогенные факторы

Короткий адрес: https://sciup.org/147244106

IDR: 147244106   |   DOI: 10.17072/2410-8553-2024-1-37-50

Список литературы Анализ факторов формирования концентраций и эмиссионных потоков метана в водохранилищах

  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А. Влияние растений на процессы цикла метана в донных отложениях и ризосфере почв // Сибирский экологический журнал. 2016. № 6. С. 919-934.
  • Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан в устьевой области реки Дон. Ростов-на-Дону – Москва: ЗАО «Ростиздат», 2010. 181 с.
  • Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А. Метан и сероводород в донных отложениях водохранилищ и прудов бассейна Азовского моря // Известия Вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2022. № 3. С. 37-53. https://doi.org/10.18522/1026-2237-2022-3-45-61
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А. Оценка общего объема, эмиссии и окисления метана в воде и донных отложениях Черного моря // Международный научно-исследовательский журнал. 2020. № 12(102). Часть 2. Декабрь. С. 6-13. https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.102.12.035
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А. Факторы формирования концентраций метана в водных экосистемах. Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального университета. 2021. 366 с.
  • Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Плигин А.С. Эмиссия метана на основных этапах технологического цикла очистки сточных вод канализации Ростовской станции аэрации (по экспериментальным данным) // Метеорология и гидрология. 2011. № 7. С. 40-48.
  • Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Сухоруков В.В. Эмиссия метана тростниковой формацией побережья Азовского моря // Вода: химия и экология. 2019. № 3-6. С. 78-85.
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Расчет элементов баланса метана в водных экосистемах Азовского моря и Мирового океана на основе эмпирических формул // Метеорология и гидрология. 2016. № 6. С. 48-58.
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Андреев Ю.А., Аджиев Р.А. Распределение метана по акватории и глубине озера Байкал // Водные ресурсы. 2023. Т. 50, № 3. С. 308-328.
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Крукиер М.Л., Калманович И.В. Оценка эмиссии метана водными объектами Ростовской области // Известия Вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2015. № 3. С. 83-89.
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Мельников Е.В. Эмиссия метана рисовыми полями Ростовской области // Почвоведение. 2023. № 8. С. 889-902.
  • Гарькуша Д.Н., Фёдоров Ю.А., Трубник Р.Г., Крукиер М.Л. Концентрация и эмиссия метана в различных типах почв Ростовской области // Вопросы степеведения. 2022. № 4. С. 13-24. https://doi.org/10.24412/2712-8628-2022-4-13-24
  • Гречушникова М.Г., Репина И.А., Фролова Н.Л., Агафонова С.А., Ломов В.А., Соколов Д.И., Степаненко В.М., Ефимов В.А., Мольков А.А., Капустин И.А. Содержание и потоки метана в Волжских водохранилищах // Известия РАН. Серия географическая. 2023. T. 87, № 6. С. 899-913.
  • Гречушникова М.Г., Школьный Д.И. Оценка эмиссии метана водохранилищами России // Водное хозяйство России. 2019. № 2. С. 58-71. https://doi.org/10.35567/1999-4508-2019-2-5
  • Даценко Ю.С. Особенности и различия абиотических компонентов экосистем озер и водохранилищ (обзор) // Российский журнал прикладной экологии. 2022. №1 (29). С. 39-47. https://doi.org/10.24852/2411-7374.2022.1.39.47
  • Елистратов В.В., Масликов В.И., Сидоренко Г.И., Молодцов Д.В. Выбросы парниковых газов с водохранилищ ГЭС: анализ опыта исследований и организация проведения экспериментов в России // Альтернативная энергетика и экология. 2014. № 11(151). С. 146-159.
  • Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. Москва: Наука, 1984. 199 с.
  • Намсараев Б.Б., Самаркин В.А., Нельсон К., Кламп В., Бухгольц Л., Ремсен К., Майер Ч. Микробиологические процессы круговорота углерода и серы в донных осадках озера Мичиган // Микробиология. 1994. Т. 63, № 4. С. 730-839.
  • Саввичев А.С., Русанов И.И., Пименов Н.В., Мицкевич И.Н., Байрамов И.Т., Леин А.Ю., Иванов М.В. Микробиологические исследования северной части Баренцева моря в начале зимнего сезона // Микробиология. 2000. Т. 69, № 6. С. 819-830.
  • Савенко В.С. Химия водного поверхностного микрослоя. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1990. 184 с.
  • Студеникина Е.И., Толоконникова Л.И., Воловик С.П. Микробиологические процессы в Азовском море в условиях антропогенного воздействия. Москва: ФГУП «Нацрыбресурсы», 2002. 188 с.
  • Федоров Ю.А., Гарькуша Д.Н., Крукиер М.Л. Температура и ее влияние на эмиссию метана из водных объектов (по результатам экспериментального и математического моделирования) // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. 2012. № 6. С. 99-101.
  • Федоров Ю.А., Гарькуша Д.Н., Хромов М.И. Эмиссия метана с торфяных залежей Иласского болотного массива Архангельской области // Известия Русского географического общества. 2008. Т. 140, Вып. 5. С. 40-48.
  • Фёдоров Ю.А., Гарькуша Д.Н., Шипкова Г.В. Эмиссия метана торфяными залежами верховых болот Псковской области // География и природные ресурсы. 2015. № 1. С. 88-97.
  • Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О. Метан в водных экосистемах. 2-е изд., пере-раб. и доп. Ростов-на-Дону; Москва, 2007. 330 с.
  • Bastviken D., Cole J., Pace M., Tranvik L. Methane emissions from lakes: Dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a global estimate // Global Biogeochem. Cycles. 2004. Vol. 18. Is. 4. https://doi.org/10.1029/2004GB002238
  • Bastviken D., Cole J., Pace M., Van de Bogert M. Fates of methane from different lake habitats: Connecting whole-lake budgets and CH4 emissions // J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. Is. G2. P. 2024-2037. https://doi.org/10.1029/2007JG000608
  • Beaulieu J.J., Balz D.A., Birchfield M.K., Harrison J.A., Nietch C.T., Platz M.C., Squier W.C., Waldo S., Walker J.T., White K.M., Young J.L. Effects of an experimental water-level drawdown on methane emissions from a eutrophic reservoir // Ecosystems. 2018. Vol. 21. P. 657-674. https://doi.org/10.1007/s10021-017-0176-2
  • Bernhardt E.S., Blaszczak J.R., Ficken C.D., Fork M.L., Kaiser K.E., Seybold E.C. Control points in ecosystems: Moving beyond the hot spot hot moment concept // Ecosystems. 2017. Vol. 20. P. 665-682. https://doi.org/10.1007/s10021-016-0103-y
  • Bhaduri D., Mandal A., Chakraborty K., Chatterjee D., Dey R. Interlinked chemical-biological processes in anoxic waterlogged soil – A review // Indian J. Agric. Sci. 2017. Vol. 87. P. 1587-1599. https://doi.org/10.56093/ijas.v87i12.76483
  • Bonetti G., Trevathan-Tackett S.M., Hebert N., Carnell P.E., Macreadie P.I. Microbial community dynamics behind major release of methane in constructed wetlands // Appl. Soil Ecol. 2021. Vol. 167. 104163. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2021.104163
  • Ciais P., Sabine C., Bala G. Bopp L., Brovkin V., Canadell J., Chhabra A., DeFries R., Galloway J., Heimann M., Jones C., Le Quere C., Myneni R.B., Piao S., Thornton P. Carbon and other biogeochemical cycles // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. MA: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, 2013. P. 465-570.
  • Cicerone R.J., Oremland R.S. Biogeochemical aspects of atmospheric methane // Global Biogeochemical Cycles. 1988. Vol. 2. Р. 299-327.
  • Conrad R. Contribution of hydrogen to methane production and control of hydrogen concentrations in methanogenic soils and sediments // FEMS Microbiology Ecology. 1999. Vol. 28, No. 3. Р. 193-202.
  • Conrad R. Microbial ecology of methanogens and methanotrophs // Advances in Agronomy. 2007. Vol. 96. Р. 1-63. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(07)96005-8
  • Deemer B.R., Harrison J.A., Li S., Beaulieu J.J., del Sontro T., Barros N., Bezerra-Neto J.F., Powers S.M., dos Santos M.A., Vonk J.A. Greenhouse gas emissions from reservoir water surfaces: a new global synthesis // BioScience. 2016. Vol. 66 (11). P. 949-964. https://doi.org/10.1093/biosci/biw117
  • Desrosiers K., DelSontro T., del Giorgio P.A. Disproportionate contribution of vegetated habitats to the CH4 and CO2 budgets of a boreal lake // Ecosystems. 2022. Vol. 25. Р. 1522-1541. https://doi.org/10.1007/s10021-021-00730-9
  • EPA, 2010. Methane and Nitrous Oxide Emissions from Natural Sources. U.S. Environmental Protection Agency Office of Atmospheric Programs, Washington, DC, USA. 2010. 194 р.
  • Felix-Faure J., Gaillard J., Descloux S., Chanudet V., Poirel A., Baudoin J.M., Avrillier J.N., Millery A., Dambrine E. Contribution of flooded soils to sediment and nutrient fluxes in a hydropower reservoir (Sarrans, Central France) // Ecosystems. 2019. Vol. 22. Р. 312-330. https://doi.org/10.1007/s10021-018-0274-9
  • Froelich P.N., Klinkhammer G.P., Bender M.L., Luedtke G.R., Heath G.R., Cullen D., Dauphin P., Hammond D., Hartman B., Maynard V. Early oxidation of organic matter in pelagic sediments of the eastern equatorial Atlantic: suboxic diagenesis // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1979. Vol. 43. Р. 1075-1090. https://doi.org/10.1016/0016-7037(79)90095-4
  • Giles J. Methane quashes green credentials of hydropower // Nature. 2006. Vol. 444. P. 524-525. https://doi.org/10.1038/444524a
  • Guerrero-Cruz S., Vaksmaa A., Horn M.A., Niemann H., Pijuan M., Ho A. Methanotrophs: Discoveries, Environmental Relevance, and a Perspective on Current and Future Applications // Front. Microbiol. 2021. Vol. 12. 678057. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.678057
  • Guo K., Hakobyan A., Glatter T., Paczia N., Liesack W. Methylocystis sp. Strain SC2 Acclimatizes to Increasing NH4+ Levels by a Precise Rebalancing of Enzymes and Osmolyte Composition // Msystems. 2022. Vol. 7. e00403-22. https://doi.org/10.1128/msystems.00403-22
  • Harrison J.A., Deemer B.R., Birchfield M.K., O’Malley M.T. Reservoir water-level drawdowns accelerate and amplify methane emission // Environmental Science Technology. 2017. Vol. 51. Р. 1267-1277. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03185
  • Hoj L., Olsen R.A., Torsvik V.L. Effects of temperature on the diversity and community structure of known methanogenic groups and other archaea in high Arctic peat // ISME J. 2008. Vol. 2. Р. 37-48. https://doi.org/10.1038/ismej.2007.84
  • IPCC Climate Change 2014. Synthesis Report // Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva, Switzerland, 2014. 151 p.
  • Jager H.I., Pilla R.M., Hansen C.H., Matson P.G., Iftikhar B., Griffiths N.A. Understanding how reservoir operations influence methane emissions: a conceptual model // Water. 2023. Vol. 15. 4112. https://doi.org/10.3390/w15234112
  • Juutinen S. Methane fluxes and their environmental controls in the littoral zone of boreal lakes. PhD Dissertations in Biology. University of Joensuu, 2004. 110 p.
  • Kankaala P., Huotari J., Tulonen T., Ojala A. Lake-size dependent physical forcing drives carbon dioxide and methane effluxes from lakes in a boreal landscape // Limnol. Oceanogr. 2013. Vol. 58. Р. 1915-1930. https://doi.org/10.4319/lo.2013.58.6.1915
  • Kemenes A., Melack J., Forsberg B. Downstream emissions of CH4 and CO2 from hydroelectric reservoirs (Tucuruí, Samuel, and Curuá-Una) in the Amazon basin // Inland Wat. 2006. Vol. 6. Р. 295-302. https://doi.org/10.1080/IW-6.3.980
  • Kettunen A., Kaitala V., Alm J., Silvola J., Nykanen H., Martikainen P.J. Cross-correlation analysis of the dynamics of methane emissions from a boreal peatland // Global Biogeochemical Cycles. 1996. Vol. 10, № 3. P. 457-471. https://doi.org/10.1029/96GB01609
  • Lan X., Thoning K.W., Dlugokencky E.J. Trends in globally-averaged CH4, N2O, and SF6 determined from NOAA Global Monitoring Laboratory measurements. Version 2024-04, https://doi.org/10.15138/P8XG-AA10 (дата обращения: 11.04.2024).
  • Lima I., Ramos F., Bambace L., Rosa R. Methane emissions from large dams as renewable energy resources: a developing nation perspective // Mitigation Adaptation Strategy Global Change. 2006. Vol. 13. P. 1381-1386. https://doi.org/10.1007/s11027-007-9086-5
  • Louis V.L., Kelly C.A., Duchemin E., Rudd J.W.M., Rosenberg D.M. Reservoir surfaces as sources of greenhouse gases to the atmosphere: a global estimate // Bioscience. 2000. Vol. 50. P. 766-775.
  • MacDonald I.R., Leifer I., Sassen R., Stine P., Mitchell R., Guinasso N. Transfer of hydrocarbons from natural seeps to the water column and atmosphere // Geofluids. 2002. Vol. 2(2). Р. 95-107. https://doi.org/10.1046/j.1468-8123.2002.00023.x
  • Malyan S.K., Singh O., Kumar A., Anand G., Singh R., Singh S., Yu Z., Kumar J., Fagodiya R.K., Kumar A. Greenhouse gases trade-off from ponds: an overview of emission process and their driving factors // Water. 2022. Vol. 14. 970. https://doi.org/10.3390/w14060970
  • Michmerhuizen C.M., Striegl R.G., McDonald M.E. Potential methane emission from north-temperate lakes following ice melt // Limnology and Oceanography. 1996. Vol. 41. Р. 985-991.
  • Miller B., Arntzen E., Goldman A., Richmond M. Methane ebullition in temperate hydropower reservoirs and implications for US policy on greenhouse gas emissions // Environmental Management. 2017. Vol. 60. Р. 1-15. https://doi.org/10.1007/s00267-017-0909-1
  • Reeburg W.S., Whalen S.C., Alperin M.J. The role of methylotrophy in the global methane budget // Microbial growth on C1-compounds. 1993. Р. 1-14.
  • Saunois, M., Stavert, A., Poulter, B., Bousquet, P., Canadell, J., Jackson, R., Raymond, P., Dlugokencky, E., Houweling, S., Patra, P., Ciais, P., Arora, V., Bastviken, D., Bergamaschi, P., Blake, D., Brailsford, G., Bruhwiler, L., Carlson, C., Carrol, M., Castaldi1, S., Chandra, N., Crevoisier, C., Crill, P., Covey, K., Curry, C., Etiope, G., Frankenberg, C., Gedney, N., Hegglin, M., Höglund-Isaksson, L., Hugelius,, G., Ishizawa, M., Ito, A., Janssens-Maenhout, G., Jensen, K., Joos, F., Kleinen, T., Krummel, P., Langenfelds, R., Laruelle, G., Liu, L., Machida, T., Maksyutov, S., McDonald, K., McNorton, J., Miller, P., Melton, J., Morino, I., Müller, J., Murguia-Flores, F., Naik, V., Niwa, Y., Noce, S., O’Doherty, S., Parker, R., Peng, C., Peng, S., Peters, G., Prigent, C., Prinn, R., Ramonet, M., Regnier, P., Riley, W., Rosentreter, J., Segers, A., Simpson, I., Shi, H., Smith, S., Steele, P., Thornton, B., Tian, H., Tohjima, Y., Tubiello, F., Tsuruta, A., Viovy, N., Voulgarakis, A., Weber, T., van Weele, M., van der Werf, G., Weiss, R., Worthy, D., Wunch, D., Yin, Y., Yoshida, Y., Zhang, W., Zhang, Z., Zhao, Y., Zheng, B.,Zhu, Q., Zhu, Q. and Zhuang, Q. The Global Methane Budget 2000-2017, Earth System Science Data, 2019. https://doi.org/10.5194/essd-2019-128 (дата обращения: 11.04.2024).
  • Schmale O., Greinert J., Rehder G. Methane emission from high-intensity marine gas seeps in the Black Sea into the atmosphere // Geophysical Research Letters. 2005. Vol. 32(7). https://doi.org/10.1029/2004GL021138
  • Sebacher D.I., Harriss R.C., Bartlett К.B. Methane emissions to the atmosphere through aquatic plants // Environmental Quality. 1985. Vol. 14. P. 40-46. https://doi.org/10.2134/jeq1985.00472425001400010008x
  • Striegl R.G., Michmerhuizen C.M. Hydrological influence on methane and carbon dioxide dynamics at two north-central Minnesota lakes // Limnology and Oceanography. 1998. Vol. 43. Р. 1519-1529.
  • Varis O., Kummu M., Härkönen S., Huttunen J.T. Greenhouse gas emissions from reservoirs / In: Impacts of Large Dams: A Global Assessment. Water Resources Development and Management. Berlin, Heidelberg. 2012. P. 69-94.
  • Waldo S., Beaulieu J.J., Barnett W., Balz D.A., Vanni M.J., Williamson T., Walker J.T. Temporal trends in methane emissions from a small eutrophic reservoir: The key role of a spring burst // Biogeosciences. 2021. Vol. 18. Р. 5291-5311. https://doi.org/10.5194/bg-18-5291-2021
  • Wallenius A.J., Martins Pa.D., Slomp C.P., Jetten M.S.M. Anthropogenic and Environmental Constraints on the Microbial Methane Cycle in Coastal Sediments // Front. Microbiol. 2021. Vol. 12. 631621. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.631621
  • Wang H., Wang W., Yin C., Wang Y., Lu J. Littoral zones as the “hotspots” of nitrous oxide (N2O) emission in a hyper-eutrophic lake in China // Atmos. Environ. 2006. Vol. 40. Р. 5522-5527.
  • Wu X.L., Chin K.J., Conrad R. Effect of temperature stress on structure and function of the methanogenic archaeal community in a rice field soil // FEMS Microbiol. Ecol. 2002. Vol. 39. Р. 211-218. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2002.tb00923.x
  • Yin X., Jiang C., Xu S., Yu X., Yin X., Wang J., Maihaiti M., Wang C., Zheng X., Zhuang X. Greenhouse gases emissions of constructed wetlands: mechanisms and affecting factors // Water. 2023. Vol. 15. 2871. https://doi.org/10.3390/w15162871
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp