Tarım ve hayvancılık kaynaklı metan emisyonlarının TROPOMI metan ölçümleri ile incelenmesi
Assessment of methane emissions from agriculture and livestock with TROPOMI methane observations
Yazar: EDA CEYLAN
Danışman: DOÇ. DR. BURÇAK KAYNAK TEZEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Hayvancılık sektörü = Livestock sector ; Metan = Methane ; Tarım sektörü = Agricultural sector

Özet:
Günümüzde dikkat çeken çevresel problemlerden biri olan iklim değişikliği toplum sağlığını ve cansız dünyayı tehdit etmektedir. Özellikle iklim değişikliğine neden olan sera gazlarının atmosferdeki artışları, küresel anlamda insanların harekete geçmesini gerektiren güncel bir konudur. Sanayileşme ve artan fosil yakıt tüketimi ile, gün geçtikçe artan nüfus ve ihtiyaçlardaki artış nedeniyle havaya salınan gazların atmosferdeki konsantrasyonları da artmıştır. Atmosfere verilen bu gazlar zamanla atmosferde birikerek yerden yansıyan ışınların bir kısmını tutup atmosferin ve yerin ısınmasına neden olmaktadır. Bu olay küresel ısınma olarak adlandırmakta ve iklim değişikliğine neden olmaktadır. Kutuplardaki buzulların erimesi, kutup ekosisteminin değişmesi, bazı canlı türlerinin yok olması küresel ısınma sonucunda meydana gelen sorunlardır. Atmosferde ısının tutulmasına ve küresel ısınmaya neden olan bu gazlar sera gazları olarak adlandırılmaktadır. Sera gazları doğal veya antropojenik olarak atmosfere salınmaktadır. Antropojenik faaliyetler sonucunda atmosferde doğal olarak bulunan bu gazların miktarı artarak sera etkisinde artışa ve dolayısıyla küresel ısınmaya katkı sağlamaktadır.
Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi (IPCC) Kyoto Protokolü EK–A listesine göre önemli sera gazları karbondioksit (CO2), metan (CH4), nitrözoksit (N2O), hidroflorür karbonlar (HFCs), perflorokarbonlar (PFCs), sülfürhekza florid (SF6) olup, sera gazı salımı yapan sektörler ise enerji, endüstri, tarım ve atık şeklinde sıralanabilir.
Bu tez çalışmasında öncelikle Türkiye için bir yıllık tarım kaynaklı (çeltik tarımı, enterik fermantasyon ve hayvansal gübre) metan emisyonları teorik olarak hesaplanmıştır. Belirlenen kaynakların metan emisyonu yaptığı dönemler literatür çalışması ile bulunmuştur. Çeltik tarımı için metan emisyonlarının en yüksek olduğu aylar Haziran, Temmuz ve Ağustos ayları iken, hayvancılık için bu dönem Mayıs ayından Ekim ayına kadar sürmektedir. Meralarda yayılan hayvanların bıraktığı hayvansal gübre kaynaklı metan emisyonu ise Haziran ayından Ekim ayına kadar devam etmektedir. 
Pirinç tarlaları, hayvancılık ve hayvansal atıklardan kaynaklı metan emisyonları IPCC Tier 1 yöntemi ile hesaplanmıştır. Hayvancılık, hayvansal organik atıklar ve çeltik tarlalarının verileri Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) ve Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü Biyokütle Enerji Potansiyeli Atlası (BEPA)'dan temin edilmiştir. Hesaplamalarda kullanılan emisyon faktörleri IPCC'nin Doğu Avrupa için belirlediği değerlerden alınmıştır. Aktivite değerleri ile IPCC (2019)'dan temin edilen emisyon faktörleri kullanılarak yıllık ortalama emisyon hesapları il ve ilçe bazında yapılmıştır.
Çeltik tarlaları için emisyon faktörü olarak 1,56 (kg〖 CH〗_4)⁄(ha/gün) değeri kullanılmıştır. TÜİK'ten alınan 2018 yılı Edirne, Samsun, Balıkesir, Çanakkale, Çorum, Mersin, Diyarbakır, Kastamonu, Kırıkkale, Şanlıurfa, İstanbul, Düzce, Amasya, Ankara, Tokat, Hakkâri, Karabük, Osmaniye, Bingöl, Bolu, Kahramanmaraş ve Adıyaman illerine ait çeltik tarlalarının alan verileri kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda bu illere ait çeltik tarımından kaynaklanan yıllık ortalama metan emisyonları bulunmuştur. IPCC'den alınan süt ve süt üretiminde kullanılan büyükbaş hayvanların enterik fermantasyonu için belirlenen emisyon faktörü 93 (kg CH_4)⁄(büyükbaş/yıl) olarak belirlenmiştir. Süt ve süt üretimi dışında yetiştirilen büyükbaş hayvanların metan emisyon faktörleri ise IPCC tarafından 58 (kgCH_4)⁄(büyükbaş/yıl) olarak belirtilmiştir. IPCC tarafında küçükbaş hayvanlar için emisyon faktörü 5 (kg〖 CH〗_4)⁄(küçükbaş/yıl) olarak belirtilmiştir. Hayvansal atık için metan emisyonları hesaplanırken IPCC'den alınan yıllık gübre üretim değerleri kullanılmıştır. IPCC tarafından gübre üretim değerleri Türkiye genelinde ortalama hayvan ağırlıkları ile birlikte kullanılarak her hayvan türünün ürettiği gübre miktarları hesaplanmıştır. Her hayvana özgü atık türüne göre her bir atığın katı madde içeriği bulunmuştur. Bulunan katı madde miktarının organik madde içeriği IPCC'den alınan yüzde ile hesaplanmıştır. Hayvansal gübrelerin organik katı madde miktarlarından, metanojenlerin gübreden üretecekleri biyogaz miktarı hesaplanmıştır. Literatür araştırmaları sonucunda 1 m3 biyogazın 0.65 m3 metan gazına eşit olduğu görülmüştür. Metan gazının yoğunluğu 0,656 kg⁄m3 olduğu göz önünde bulundurularak hesaplamalar yapılmıştır. 
Hesaplanan toplam ve her kaynak için yıllık metan emisyonları ArcGIS programında il ve ilçeler ile bağlanarak Türkiye haritası üzerinde il ve ilçeler bazında ayrı ayrı gösterilmiştir. Hesaplamalar sonucunda Türkiye genelinde en yüksek emisyonlara sahip ilk on il ve ilçe belirlenmiştir. (117 Gg CH_4)⁄yıl ile en yüksek metan emisyonunu yapan Konya başta olmak üzere İzmir, Manisa, Erzurum, Mersin, Afyon, Samsun, Balıkesir, Amasya ve Sakarya olarak sıralanmaktadır. Yılda en yüksek metan emisyonunu yapan ilçeler ise Konya-Ereğli, İzmir-Ödemiş, Aksaray-Merkez, Edirne-Uzunköprü, Samsun-Bafra, İzmir-Tire, Şanlıurfa-Siverek, Kırşehir-Merkez, Çanakkale-Biga olarak sıralanmaktadır. 
Bu tez kapsamında ikinci olarak Türkiye genelinde ilk kez metan gazının Copernicus Sentinel-5P uydusunun TROPOMI enstrümanından alınan veriler ile Türkiye'nin aylık ortalama atmosferik metan konsantrasyonu profili çıkarılmıştır. Çalışma süresince mevcut olan tüm uydu verilerinin kullanılabilmesi için 2018 yılı Aralık ayından itibaren 2019 yılı Kasım ayına kadar bir yıllık uydu verileri incelenmiş, Türkiye üzerinden geçen veriler seçilerek işlenmiştir. Veri kalitesi uygun işlenen veriler ArcGIS programı kullanılarak görselleştirilmiş ve alansal olarak il ve ilçeler ile eşleştirilmiştir. Bu veriler kullanılarak il ve ilçe bazında aylık ve yıllık ortalama, minimum, maksimum atmosferik metan konsantrasyonları (ppb) hesaplanmıştır. Aylık ve yıllık dağılımlar harita üzerinde gösterilmiştir.
Atmosferik metan konsantrasyonuna tarım kaynakların etkisini daha iyi anlamak için, her kaynağın yüksek metan emisyonu yaptığı dönemlerdeki atmosferik metan konsantrasyonu incelenmiştir. Bu sebeple aylık ve yıllık ortalamaların yanı sıra önemli tarım ve hayvancılık kaynakları için yüksek metan salımı olan zaman aralıkları seçilerek ortalama metan konsantrasyonları hesaplanmıştır: çeltik tarımı (Haziran-Ağustos), enterik fermantasyon (Mayıs-Ekim), hayvansal gübre (Haziran-Ekim). Son olarak da TROPOMI metan verilerinin yüksek alansal çözünürlüğü göz önüne alınarak yüksek metan emisyonuna sahip bölgelerin belirlenebilmesi için, 8×8 km2 alansal çözünürlük kullanılarak yüksek emisyon beklenen yukarıda açıklanan dönemsel ve yılık ortalama atmosferik metan konsantrasyonu hesaplanmış ve Türkiye üzerindeki dağılımı incelenmiştir. Emisyon hesaplamaları ile örtüşen yüksek konsantrasyon gösteren bölgeler tespit edilmiştir.
Yapılan yıllık emisyon hesapları, hesaplanan yıllık ortalama metan konsantrasyonları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak Türkiye'nin batı ve güney kesimlerinde tarımsal metan emisyonlarıyla uyum görülürken, ülkenin Kuzey Doğu kısmında bulunan illerde atmosferik metan konsantrasyonunda beklenenden düşük metan konsantrasyonu algılanmıştır. Kaynakların dönemsel ortalama atmosferik metan konsantrasyonları ve metan emisyonları incelendiğinde korelasyonlar olduğu görülmüştür. Atmosferik metan konsantrasyonu beklenenden yüksek çıkan iller için metan emisyonu yapan başka kaynakların var olduğu düşünülebilir. Bu bölgelerde bulunan düzensiz depolama sahaları, jeotermal kaynaklar incelenmiştir. Atmosferik metan konsantrasyonunun, tarım kaynaklı metan emisyonları sıralamalarına kıyasla daha düşük seyrettiği olan bölgelerde mevsimsel ve yıllık ortalama sıcaklıklar incelenmiştir. 
Literatür araştırması sonucunda atmosferik metan konsantrasyonlarına emisyonların yanı sıra hava sıcaklığı, yüzey sıcaklığı, arazi kullanımı, nem gibi parametrelerin ve ozon kirliliğinin etkisi olduğu görülmüştür. Bu sebepten bazı farklılıkların daha iyi anlaşılabilmesi için atmosferik metan oluşumuna etki eden diğer parametrelerin ve metan gazının atmosferde geçirdiği reaksiyonların göz önünde bulundurulduğu bir modelleme çalışması gerekli olup,metan emisyonları ve atmosferik metan konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi tam olarak açıklayabilecektir.
Çeltik tarımı için 8×8 km2 alansal çözünürlükte dönemsel olarak ortalama atmosferik metan konsantrasyonu incelendiğinde Çanakkale, Burdur, Bursa, Yalova, Mersin, Bolu, Sivas, Erzincan, Muğla illerinde atmosferik metan konsantrasyonunun 1920 ppb'den yüksek olduğu bölgeler tespit edilmiştir. Enterik fermantasyon için hesaplanan dönemsel ortalama atmosferik metan konsantrasyonunun en yüksek ölçüldüğü bölgeler ise Karaman, Burdur, Denizli, Erzincan, Mersin, Balıkesir, Çanakkale, Bursa, Antalya illerinde yer almaktadır. Bu bölgelerde atmosferik metan konsantrasyonu 1900-1930 ppb arasında ölçülmüştür. Gübre kaynaklı metan emisyonları için dönemsel ortalama atmosferik metan konsantrasyonunun yüksek olduğu bölgeler ise Mersin, Burdur, Denizli, Çanakkale, Bursa, Erzincan illerinde yer almaktadır. Sonuç olarak, metan emisyonları yüksek olan bu bölgelerde metan konsantrasyonu da genellikle yüksek ölçülmüştür. Özellikle, yıllık ortalama atmosferik metan konsantrasyonu dağılımı 8×8 km2 alansal çözünürlükte incelendiğinde Çanakkale, Balıkesir ve Mersin gibi çoğu ilde, yıllık ortalama atmosferik metan konsantrasyonunun yüksek olduğu bölgeler, tarım kaynaklı metan emisyonları yüksek olan ilçeler ile örtüşmektedir.
Ardahan, Van, Ağrı, Kars ve Erzurum illerinde tarım kaynaklı metan emisyonları yüksek olmasına rağmen atmosferik metan konsantrasyonları yıl boyunca düşük ölçülmüştür. Bayburt, Bingöl, Gümüşhane, Ordu, Trabzon, Hakkari, Rize, Artvin, Bitlis ve Giresun için tarım kaynaklı metan emisyonu hesaplamalarının ve atmosferik metan konsantrasyonun benzer şekilde olduğu görülmüştür. Tarım kaynaklı metan emisyonları düşük olan Yalova, Gaziantep, Kilis, Adıyaman, Mardin, Şanlıurfa, Şırnak, Adana ve Hatay için atmosferik metan konsantrasyonuna katkı sağlayan başka metan kaynaklarının bulunduğu sonucuna varılmıştır.
Seçilen kaynaklar için atmosferik metan konsantrasyonunu kontrol etmek amacıyla emisyon azaltımı için öneriler verilmiştir. Literatür araştırmaları sonucunda pirinç tarlalarından çıkan metan emisyonları sulama yönteminde yapılacak değişiklikler ile azaltılabilmektedir. Ayrıca toprağın yapısı, sıcaklık ve toprağın işlenmesinin de metan emisyonlarında kontrol sağladığı bilinmektedir. Yetiştirilen pirinç türünün genotipine bağlı olarak aerenkima yoğunluğunun değiştirilmesi ve çeltik tarlalarında anaerobik şartların oluştuğu sürenin kısaltılması sayesinde bitkiden salınan metan gazı miktarının düştüğü görülmüştür. Yapılan araştırmalar sonucunda hayvanların enterik fermantasyonundan kaynaklanan metan emisyonları azaltmak için hayvansal kaynaklı üretimin azaltılması gerekmektedir. Yetiştirilen hayvanların sağlığına özen gösterilmesi, bağırsaklarda gerçekleşecek metan üretimini engellemek amacıyla yemin sülfür içeriği arttırılması, midenin rumen kısmının mikrobiotasını değiştirilmesi metan üretimini azaltabilecek bir yöntem olarak görülmüştür. Yemlerin yağ oranını arttırmak ve yem içerisinde doğal takviyeler kullanmak, hayvansal metan emisyonlarını azaltabilecek başka yöntemlerdir. Gübre depolama ve taşıma sırasında oluşabilecek metan emisyonlarının önüne geçebilmek için anaerobik şartların oluşumunu engellemek, metan oluşumunu azaltmak amacıyla soğutma sistemlerinin kullanılması ve metan yakalayıp tutan teknolojilerin kullanılması ve hayvansal atık içerisindeki anaerobik olarak çözünebilen kısmı azaltmak temel kullanılan yöntemlerdendir.

Abstract:
Climate change, one of the most important environmental problems, threatens the public health and the world. In particular, the increase of greenhouse gases in the atmosphere, which causes climate change, is a current issue requiring people to take global action. With the industrialization and increasing fossil fuel consumption, the concentration of gases released into the atmosphere has also increased due to the increasing population and increasing needs. These gases, which are released to the atmosphere, accumulate in the atmosphere with time and absorb some of the emitted radiation from the earth surface and cause the atmosphere and the earthe to warm up. This event is called global warming and causes climate change. The melting of glaciers in the Arctic, changes in the polar ecosystem, and the disappearance of some species are the problems that result from global warming. These gases that cause heating in the atmosphere and thus cause global warming are called greenhouse gases. Greenhouse gases are released into the atmosphere naturally or anthropogenically. As a result of anthropogenic activities, the naturally found amounts of these gases in the atmosphere increases and contributes to the greenhouse effect and thus global warming.
Important greenhouse gases according to Annex-A list of Kyoto Protocol of the United Nations Framework Convention on Climate Change (IPCC) are carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O), hydrofluoride carbons (HFCs), perfluoro carbons (PFCs), sulfurhexafluoride (SF6) which are emitted from sectors of energy, industrial processes, agriculture, and waste.
In this thesis, annual emissions from agriculture (rice cultivation, enteric fermentation and manure) methane emissions are calculated theoretically for Turkey. The periods in which the identified sources emit methane were found from the literature. The highest methane emissions from rice cultivation are in June, July and August, while for livestock, this period lasts from May to October. Methane emissions from manure released by pasture animals continue from June to October. 
Methane emissions from rice fields, animal husbandry and animal wastes were calculated by the Tier 1 method proposed by the IPCC. Livestock, animal organic waste and rice fields data were obtained from Turkey's National Statistics Institute (TUIK) and General Directorate of Renewable Energy Atlas of Biomass Energy Potential (BEPA). The emission factors used in the calculations are derived from the values given by the IPCC for Eastern Europe. Annual average emission calculations were made using the obtained activity values and emission factors obtained from the IPCC (2019).
1.56 (kg〖 CH〗_4)⁄(ha/day) was used as the global average methane emission factor for paddy fields. Annual methane emissions were estimated using rice field area of provincesgiven: Edirne, Samsun, Balıkesir, Çanakkale, Çorum, Mersin, Diyarbakır, Kastamonu, Kırıkkale, Şanlıurfa, İstanbul, Düzce, Amasya, Ankara, Tokat, Hakkâri, Karabük, Osmaniye, Bingöl, Bolu, Kahramanmaraş ve Adıyaman. The emission factors from the IPCC are 93 (kg CH_4)⁄(cattle/year) for cattle used in milk production and 58.  (kg CH_4)⁄(cattle/year). for cattle raised outside milk and milk production.. The emission factor for ovine is 5   (kg〖 CH〗_4)⁄(ovine/year) given by the IPCC. The annual manure production values obtained from the IPCC were used to calculate methane emissions for animal waste. Manure production was calculated using the amount of manure produced by each animal species with an average animal weight  for Turkey. The solid content of each waste was determined according to the waste type specific to each animal. The organic content of the solids was calculated by the percentages obtained from the IPCC. The amount of biogas produced by methanogens from organic solids of animal manure was calculated. As a result of the literature research, 1 m3 of biogas was found to be equal to 0.65 m3 of methane. The calculations were performed considering the density of methane as 0.656 kg/m3
The calculated total and sector specific annual methane emissions for provinces and districts were joined with spatial data in the ArcGIS program and plotted on province and district level. The ten highest emission provinces and districts were identified with these calculations in Turkey. Konya, which produces the highest annual methane emission ((117 Gg CH_4)⁄yıl), is followed by İzmir, Manisa, Erzurum, Mersin, Afyon, Samsun, Balıkesir, Amasya ve Sakarya. The districts with the highest annual methane emission are Konya-Ereğli, İzmir-Ödemiş, Aksaray-Merkez, Edirne-Uzunköprü, Samsun-Bafra, İzmir-Tire, Şanlıurfa-Siverek, Kırşehir-Merkez, Çanakkale-Biga.
In the second part of this thesis, methane from the spectrometer of the Copernicus Sentinel-5P satellite (TROPOMI) was used to estimate the  monthly average atmospheric methane concentrations for provinces and districts in Turkey. During the study, all available satellite data passing through Turkey for one year from December 2018 to November 2019 were examined . Quality assured data was processed using ArcGIS program, visualized and spatially associated with provinces and districts. Monthly and annual average, minimum and maximum atmospheric methane concentrations (ppb) were calculated using this data. Monthly and annual distributions are shown on maps.
In order to better understand the effect of agricultural sources on atmospheric methane concentrations, season averages during emitting season of each agricultural source was investigated. For this reason, average methane concentrations were calculated by selecting seasons with high methane emission for agricultural and livestock sources in addition to monthly and annual averages: paddy cultivation (June-August), enteric fermentation (May-October), animal manure (June-October). Lastly, in order to determine the regions with high methane emissions, considering the high spatial resolution of TROPOMI data, a 8×8 km2 spatial resolution season and annual average atmospheric methane concentration and their spatial distribution over Turkey were examined. Areas with high concentrations overlapping with emission calculations were determined.
The annual emission calculations were compared with the calculated annual average methane concentrations. As a result, it is observed compliance with agricultural methane emissions in Turkey's western and southern parts. In provinces located in the North East part of Turkey, atmospheric methane concentration was found to be lower than expected. When the season average atmospheric methane concentrations and methane emissions of the sources were examined, there were correlations. For provinces with higher atmospheric methane concentrations than expected, other sources of methane emissions may be considered. Open dump areas for waste and geothermal resources in these regions were investigated. Season and annual average temperatures were investigated in regions where atmospheric methane concentrations were lower than expected according to estimatedagricultural methane emissions.
Literature researchindicated that besides the emissions, parameters such as air temperature, surface temperature, land use, humidity and ozone pollution have effects to atmospheric methane concentrations. For this reason, in order to better understand some discrepancies, a modeling study that takes into account other parameters affecting atmospheric methane formation and reactions of methane gas in the atmosphere is necessary and will be able to fully explain the relationship between methane emissions and atmospheric methane concentrations.
When the average atmospheric methane concentration was examined for emitting season for rice cultivation, the atmospheric methane concentration in Çanakkale, Burdur, Bursa, Yalova, Mersin, Bolu, Sivas, Erzincan, Muğla were determined higher than 1920 ppb. The regions where the highest average periodic atmospheric methane concentration calculated for enteric fermentation were located in Karaman, Burdur, Denizli, Erzincan, Mersin, Balıkesir, Çanakkale, Bursa, Antalya. The atmospheric methane concentration in these regions was measured between 1900-1930 ppb. Regions with high periodic average atmospheric methane concentrations for manure-based methane emissions were located in Mersin, Burdur, Denizli, Çanakkale, Bursa, Erzincan. 
In conclusion, methane concentrations were typically high in these regions with high methane emissions. In particular, when the average annual atmospheric methane concentration spatial distribution was examined at 8×8 km2 spatial resolution, the districts with high annual average atmospheric methane concentrations overlap with the high agricultural methane emissions in most provinces such as Çanakkale, Balıkesir and Mersin.
Although the methane emissions from Ardahan, Van, Ağrı, Kars ve Erzurum were estimated as high, atmospheric methane concentrations were low throughout the year. For Bayburt, Bingöl, Gümüşhane, Ordu, Trabzon, Hakkari, Rize, Artvin, Bitlis ve Giresun, methane emission estimations and atmospheric methane concentrations were similar. It was concluded that there are other methane emission sources which contribute to atmospheric methane concentration for Yalova, Gaziantep, Kilis, Adıyaman, Mardin, Şanlıurfa, Şırnak, Adana ve Hatay, which have low agricultural methane emissions estimated.
Emission reduction suggestions for controling the the atmospheric methane concentrations were discussedfor the selected sources.
According to literature, methane emissions from rice fields can be reduced by changes in irrigation methods. It is also known that the structure of the soil, temperature and treatment of the soil help controlling of methane emissions. It was observed that the amount of methane gas released from the plants are decreased due to changing the aerenchyma density depending on the genotype of the cultivated rice species and shortening the anaerobic conditions in rice fields. 
As a result of the research, it is necessary to reduce the production of animals in order to reduce methane emissions from the enteric fermentation. Taking care of the health of animals, changing the diet with higher sulfur content in order to prevent methane production in the intestines, changing the microbiota of the rumen part of the stomach are seen as the methods that can reduce methane production. Increasing the fat content of the diet and using natural supplements are other methods for reducing methane emissions.
In order to prevent methane emissions that may occur during storage and transportation of manure; preventing the formation of anaerobic conditions, using cooling systems to reduce the formation of methane, using methane capture technologies and reducing the anaerobically soluble portion of animal waste are the methods commonly used.