Emise metanu z tajícího permafrostu na Sibiři a jejich možný vliv na globální změnu klimatu

23. 12. 2015 -

Emise metanu z tajícího permafrostu na sibiři a jejich možný vliv na globální změnu klimatu

Emissions of methane from melting permafrost in Siberia and their possible impact on global climate change

Juřička D.¹, Muchová M.², Jánošíková L.¹ a Kynický J.¹

¹ Ústav geologie a pedologie, LDF, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 3, 613 00 Brno

Abstrakt

Emise metanu z rozsáhlých ploch sibiřských mokřadů a rašelinišť představují potencionální riziko prohloubení globální klimatické změny. Tání permafrostu, rozšiřování zamokřených ploch  a oteplování povrchu Země způsobují nárůst emisí metanu z rozkladné činnosti, nově zpřístupněné organické hmoty, metanogennímy bakteriemi. Rovněž rozbor ledu z jezera Vostok prokázal, že produkce skleníkových plynů ze Sibiře významným způsobem ovlivňovala klima už v holocénu. Při zachování stávajících podmínek a rychlosti degradace permafrostu existuje předpoklad navýšení metanu koncentrace metanu v atmosféře  do roku 2050 až o 25%.

Klíčová slova: emise, metan, mokřad, oxid uhličitý

Abstract

Methane emissions from large areas of the Siberian wetlands and peatlands represent a potential risk of deepening global climate change. Melting permafrost, expansion of waterlogged areas and warming the Earth's surface causing an increase in methane emissions from decomposition activity of the newly released organic matter by methane bacteria. Also, analysis of ice from Lake Vostok has shown that the production of greenhouse gases from Siberia significantly influenced climate already in the Holocene. While maintaining the existing conditions and the rate of degradation of permafrost are predicted increase in methane concentration of methane in the atmosphere by 2050 up to 25%.

Key words: emissions, methane, wetland, carbon dioxide

Úvod

Metan (CH₄) patří spolu s vodní párou (H₂O), oxidem uhličitým (CO₂), oxidem dusičitým (NO₂) a ozónem (O₃) mezi skleníkové plyny (Tsuyuzaki et al., 2001). Vznik metanu je podmíněn mikrobiálním rozkladem organického materiálu v anaerobním prostředí. Ve velmi ojedinělých případech je tvorba metanu možná i chemickou syntézou. Metanogenní bakterie jsou typické specifickým tipem metabolizmu, jehož produktem je metan, patří do domény Archea, skupiny Euryarcheota (Segers, 1998). Metan ze sedimentů přechází do vodního prostředí difuzí, množství takto uvolněného metanu záleží na jeho oxidaci v sedimentu. Přechod metanu do atmosféry nastává při přesycení vody metanem a je realizován povrchovou difuzí, ebulicí (vybublání), advekcí nebo turbulentním přenosem (Bednařík, 2011, Tsuyuzaki et al., 2001). Ebulice se významně podílí na emisích metanu zejména ve stojatých vodách, v Sibiřských rašeliništích je takto vybuláno 50-64% metanu (Baxová, 2011).  Metan může přecházet do atmosféry také pomocí aerenchymatických rostlin (Bednařík, 2011, Tsuyuzaki et al., 2001). Jejich součástí je tzv. provzdušňovací pletivo, které slouží k vedení plynů vně rostliny od kořene. Jak uvádí (Tsuyuzaki et al., 2001) největší množství metanu, na modelovém území blízko řeky Kolyma na severozápadu Sibiře,  procházelo přes porosty přesliček, několikanásobně méně pak přes ostřicové porosty a téměř nulové emise metanu vykazovaly porosty mechu.

            Produkce metanu anaerobními bakteriemi je vázána zejména na vodní prostředí nebo na zvodnělé půdy s výskytem vegetace, která poskytuje vhodný materiál k dekompozici. Typické ekosystémy s vhodnými podmínkami pro anaerobní rozklad organické hmoty jsou bažiny, mokřady a slatiniště. Přesto se produkce metanu neomezuje pouze na tyto prostředí, probíhá také ve vodních nádržích, rybnících ale i v řekách. Významným zdrojem metanu jsou mokřady v Rusku, zabírají téměř 0,7 mil. km² Sibiře (Anisimov, 2007).

Na produkci metanu mají vliv pH vody, hloubka vody, hladina podzemní vody, kvalita organického materiálu, množství rozpuštěného kyslíku, společenstvo vegetace ale největší vliv má teplota (Tsuyuzaki et al., 2001) Metabolizmus metanogenních bakterií, a tím i míra produkce metanu, je vázaný na teplotu prostředí. Jedná se vždy o termofilní nebo mezofilní mikroorganizmy, metanogenní bakterie se psychrofilním (chladnomilným) optimem nebyli zatím pozorovány (Frenzel a Karofeld, 2000 in Bednařík, 2011). Tento fakt hraje významnou roli v nadprodukci metanu a možném prohloubení skleníkového efektu.

Vliv degradace permafrostu na produkci skleníkových plynů

Současná vědecká literatura považuje probíhající změny ve fungování Sibiřských mokřadů za potencionální riziko zvýšení produkce skleníkových plynů, zejména metanu. Podle IPPC 2001 se podíl metanu z mokřadů podílí na celkovém množství imisí 24,8%. Mokřady jsou obecně významným zdrojem metanu v Zemské atmosféře a je historicky doloženo jejich působení na globální klima. Jak uvádí Velichko 1998, na vzorcích ledu z hlubokých vrtů do jezera Vostok, největšího jezera pod antarktickým ledovcem, koncentrace metanu se v průběhu uplynulých 125 00 let výrazně lišily. Emise metanu ve středním holocénu zaznamenaly pokles pod dnešní úroveň. Ve druhé polovině holocénu emise metanu opět rostou což Velichko 1998 připisuje zvýšené produkci metanu z boreálních mokřadů severní Eurasie, které i v současné době hrají důležitou roli v bilanci metanu v této rozlehlé oblasti (Velichko 1998, Zhu et al., 2007).

            Podle základních principů metabolizmu metanogenních bakterií lze poukázat na faktory, které jsou zodpovědné za jejich zvýšenou aktivitu  a rostoucí produkci metanu ze Sibiřských mokřadů a rašelinišť. Jak uvádí Zhu et al. 2007, produkce metanu z půdního prostředí úzce koreluje s teplotou půdy, hladinou podzemní vody, hloubkou tání permafrostu a vlhkostí půdy. Pokud je hladina podzemní vody vysoká a blíží se povrchu nebo jedná-li se o bažiny důležitou roli hraje i oxidace metanu, která snižuje jeho celkovou produkci. Výška hladiny podzemní vody také podmiňuje distribuci metanu v půdě. Jak uvádí Nakano et al. 2000 emise metanu z půd s vysokou vlhkostí korelují s vývojem teploty půdy během dne. Měřením to zjistil a statisticky potvrdil v horizontech 10 a 30 cm pod povrchem.  Zvyšování teploty půdy má na mokřady a zejména bažiny na permafrostových oblastech zásadní vliv. Působí třemi základními způsoby. Za prvé, zvýšená teplota půdy podněcuje tání permafrostu a v počátečních fázích degradace permafrostu způsobuje zvýšení hladiny podzemní vody a masivní zvodnění půdy (Anisimov, 2007, Rodinow et al., 2006). Zvodnělá půda vytváří metanogenním bakteriím vhodné podmínky k životu, zejména anoxické prostředí a dostatek materiálu vhodného k dekompozici. Organická hmota zpřístupněná prohlubováním aktivní vrstvy permafrostu je druhým významným faktorem nárůstu produkce metanu. Jak uvádí Anisimov 2007, v sibiřském permafrostu je vázáno obrovské množství organické hmoty, které bude postupným táním zpřístupněné rozkladu. Takto je uloženo až 50 Gt uhlíku. Třetím faktorem, který ovlivňuje produkci metanu je samotný účinek teploty na metanogenní  bakterie. S rostoucí teplotou roste i aktivita bakterií čímž dochází k nárůstu emisí produktů jejich metabolizmu – metanu.

            Anisimov 2007, dále predikuje vývoj produkce metanu a ukazuje možné scénáře vývoje klimatu do roku 2025, 2050 a 2080.  Do roku 2025 předpokládá v souladu s předchozí studií Anisimov a  Beloutskaia 2004, prohloubení aktivní vrstvy v době sezónního tání o 10-15%, 15-25% do roku 2050 a o 30% do roku 2080. Postupujícím vývojem trendu klimatu v polovině 21. století může nastat až 50% zvýšení objemu (zpřístupnění dekompozici) organického materiálu v nejsevernějších oblastech podél arktického pobřeží a ve východní Sibiři, tedy v oblastech kde jsou mokřady zastoupeny relativně řídce. Menší nárůst, okolo 10-15% může nastat v oblastech s 50-80% pokryvností oblasti mokřady. Z celkového množství 24-33 Mt emisí metanu ze severu Ruska pochází 22,2 Mt přímo ze západní Sibiře. Jak dále autor uvádí, podle zpracovaných scénářů, množství metanu v atmosféře může do poloviny 21. století zvednout až o 25% (6-8 Mt) na úroveň 100 Mt. Tento vzestup koncentrace metanu může znamenat oteplení atmosféry až o 0,012°C, pokud nedojde k razantnímu poklesu půdní vlhkosti a útlumu produkce plynu.

            Metanu v půdách a povrchových sladkých vodách může mít i velmi specifický původ. Jak uvádí Shakhova a Semiloetov 2007, v příbřežních oblastech může být tímto zdrojem metanu plyn primárně vzniklý procesy na mořském dně. Metan poté může do určité vzdálenosti za vhodných horninových a hydrických podmínek difuzí obohatit terestrické ekosystémy podél mořského pobřeží. 

            Metan není jediným skleníkovým plynem, který je ve vyšší míře uvolňován do atmosféry v důsledku degradace permafrostu. V některých případech degradace permafrostu může dojít k nárůstu emisí CO₂. Jedná se zejména o případy poškození lesa a lučních porostů, kdy v důsledku poklesu fytomasy dochází k poklesu půdní vlhkosti (Nakano, 2000). Rozdíl je ten, že lesní a travnaté plochy nejsou primárně tak zavodněné jako mokřady, hladina podzemní vody je zde níž. Podobě jako je tomu i v případě metanu, tak i zde je pří poklesu aktivní vrstvy permafrostu zpřístupněna dříve zmrzlá organická hmota. Tato organická hmota je namísto anaerobnímu rozkladu podrobena dekompozici za přístupu kyslíku. V takovém případě dochází k emisím CO₂. I silně narušené mokřady mohou časem přicházet o vodu až dojde k jejich transformaci na jiný tip ekosystému, např. step. V takových případech jsou dominantní emiseoxidu uhličitého na úkor metanu.

Závěr

Degradující permafrost na Sibiři vytváří vhodné prostředí pro tvorbu skleníkových plynů metanu a oxidu uhličitého. Zvýšení produkce metanu je zaznamenáno zejména z mokřadních ekosystémů a za jeho příčinu je vědci označováno globální oteplování. Tání permafrostu v případě mokřadů způsobuje zvýšení hladiny podzemní vody a značné zvodnění půdy. Během letního tání, se zvětšuje plocha vodní hladiny, která je exponovaná slunečnímu záření.  Oteplení vody podněcuje vyšší aktivitu metanogenních bakterií a ustupující aktivní vrstva permafrostu zpřístupňuje velké množství organického materiálu vhodného k dekompozici.

            Lesní a horské travinné ekosystémy vykazují při degradaci permafrostu spíše ztrátu vlhkosti. Poklesem aktivní vrstvy permafrostu podobně jako je tomu u mokřadů znamená zpřístupnění dříve v ledu imobilizované organické hmoty, která naopak podléhá rozkladu za přístupu kyslíku. Tímto způsobem dochází k produkci CO₂.

            Metan je až 20x účinnější skleníkový plyn než CO₂ a jeho množství v atmosféře se stále zvyšuje. Růst produkce metanu ze 0,7 mil. km² sibiřských mokřadů se jeví do budoucna jako vážné riziko možného prohloubení globální klimatické změny.

LITERATURA

Anisimov O. A. Potential feedback of thawing permafrost to the global climate system through methane emission. IOP PUBLISHING, Environ. Res. Lett. 2, 2007, 7. doi:10.1088/1748-9326/2/4/045016

Anisimov O. A., Belolutskaia M. A.  Predictive modelling of climate change impacts on permafrost: effects of vegetation. Meteorol. Hydrol., 11, 2004, 73–81.

Baxová J. Vliv revitalizace vodního režimu degradovaného rašeliniště na aktivitu metanogenů, metanotrofů a na celkové emise metanu. Č. Bud., 2011. bakalářská práce (Bc.). JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH. Přírodovědecká fakulta

Bednařík A. Bentické toky a emise metanu z hladiny vodních toků. Olomouc, 2011. bakalářská práce (Bc.). UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI. Přírodovědecká fakulta

IPCC, 2001. In: Houghto, J. H., Ding Y., Griggs D. J., Noguer M., van der Linden P.J., Dai X., Maskell K., Johnson C.A. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Cambridge University Press, New York, USA.

Nakano T., Kuniyoshi S., Fukuda M. Temporal variation in methane emission from tundra wetlands in a permafrost area, northeastern Siberia. Pergamon, Atmospheric Environment 34, 2000, 1205-1213. PII: S 1 3 5 2 - 2 3 1 0 ( 9 9 ) 0 0 3 7 3 – 8

Rodionow A., Flessa H., Kazansky O., Guggenberger G. Organic matter composition and potential trace gas production of permafrost soils in the forest tundra in northern Siberia. Elsevier, Geoderma 135, 2006, 49– 62. doi:10.1016/j.geoderma.2005.10.008

Segers R. Methane production and methane consumption: a rewiev of processes underlaying wetland metane fluxes. Biogeochemistry 41, 1998, 23–51

Shakhova N., Semiletov I. Methane release and coastal environment in the East Siberian Arctic shelf. Elsevier, Journal of Marine Systems 66, 2007, 227–243. doi:10.1016/j.jmarsys.2006.06.006

Tsuyuzak S., Nakano T., Kuniyoshi S., Fukuda M. Methane flux in grassy marshlands near Kolyma River, north-eastern Siberia. Pergamon, Soil Biology & Biochemistry 33, 2001, 1419-1423. PII: S0038-0717(01)00058-X

Velichko A. A., Kremenetski C.V., Borisova O.K., Zelikson E.M., Nechaev V.P., Faure H. Estimates of methane emission during the last 125,000 years in Northern Eurasia. Elsevier, Global and Planetary Change 16–17, 1998, 159–180. PII S0921-8181 (98) 00032-0

Zhu R., Liu Y., Sun L., Xu H. Methane emissions from two tundra wetlands in eastern Antarctica. Elsevier, Atmospheric Environment 41, 2007, 4711–4722. doi:10.1016/j.atmosenv.2007.03.030