КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-14-00209

НазваниеУглеродный обмен между лесными экосистемами и атмосферой в условиях глобальных изменений на примере еловых лесов европейской территории РФ

РуководительВарлагин Андрей Викторович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-107 - Экология биосистем

Ключевые словаВзаимодействие биосферы и атмосферы, биогеохимические циклы наземных экосистем, метод турбулентных пульсаций, дистанционное зондирование, диоксид углерода, метан, фотосинтез, дыхание, испарение, транспирация, камерные измерения, лесные экосистемы, южная тайга, изменения климата.

Код ГРНТИ34.35.25, 38.33.23


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность научных и прикладных аспектов устойчивости биосферы к внешним воздействиям обусловлена, в том числе, неопределенностью прогнозов отклика современных экосистем на текущие и будущие изменения климата и возрастающую антропогенную нагрузку. Реакция экосистем и их растительного компонента на направленные и ненаправленные изменения внешней среды проявляется через изменение составляющих биогеохимического и гидрологического циклов (прежде всего через изменение газообмена СО2, CH4, эвапотранспирации и транспирации как наиболее динамичных функций), которые могут быть как обратимыми так и необратимыми, приводя к перестройке структуры экосистем. Эта проблема особенно актуальна для бореальной зоны, где в условиях современных глобальных изменений происходит наибольшее потепление на фоне возрастающей нестабильности климата и увеличения повторяемости экстремальных природных явлений. В исследованиях фундаментальных природных процессов, определяющих прямые и обратные связи между подстилающей поверхностью и атмосферой, особое внимание уделяется биогеохимическим циклам и главным образом – циклу углерода. Это объясняется не только ведущей ролью углекислого газа и метана в определении парникового эффекта, но и тем, что антропогенные потоки в атмосферу можно направленно регулировать за счет изменения технологий, а биосферный поток СО2, связанный с функционированием наземных экосистем и имеющий различный знак (источники и стоки), – регулировать за счет оптимизации структур землепользования, лесного и сельского хозяйства. Основными задачами исследования являются оценка величин потоков углекислого газа, метана, тепла и влаги для еловых экосистем бореальной зоны и их природной изменчивости (на основе многолетних данных) и выявление отклика базовых элементов биогеохимического (фотосинтез, дыхание, суммарная эмиссия и поглощение СО2 и CH4) и гидрологического (эвапотранспирация, транспирация) циклов для уровня экосистемы на глобальные изменения, характерные для региона (увеличение зимних температур, концентрации СО2 и CH4 в атмосферном воздухе, изменение режима осадков и уровня грунтовых вод, температуры и влажности почвы) а также, экстремальные погодные явления, изменения в длительности безморозного, вегетационного сезонов и датах наступления основных фенофаз. Для решения поставленных в рамках Проекта задач будут использованы современные методы пульсационных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана между экосистемами и атмосферой, дополненные сопутствующими измерениями метеорологических и экофизических параметров. Технология пульсационных измерений в настоящее время является основным методом, обеспечивающим получение информации в масштабах, соответствующих масштабам природных процессов на уровне экосистемы. С помощью камерных методов измерений планируется количественно оценить потоки CO2, H2O и CH4 для различных компонентов экосистем (почва, стволы и листья/хвоя деревьев). Исследование возможностей использования данных дистанционного зондирования позволит разработать методы перехода от точечных измерений к региональным оценкам газообмена СО2/СН4 и суммарного испарения. Комплексный подход, основанный на применении различных по масштабу подходов и методов, позволит расширить существующие представления о динамике углеродного обмена в лесных экосистемах. Измерительные системы смонтированы на вышках в двух типах ельников (ельник сфагново-черничный и ельник сложный) на территории Центрально-Лесного Государственного Биосферного Заповедника (ЦЛГПБЗ, Тверская область, Нелидовский р-н.) на значительном удалении от крупных населенных пунктов и промышленных объектов. Благодаря заповедному режиму, леса, находящиеся на этой территории не подвергаются хозяйственному освоению и антропогенной нагрузке. Эти факторы позволяют рассматривать полученные оценки составляющих биогеохимического и гидрологического циклов как «фоновые», подверженные минимальному антропогенному влиянию. Многолетние наблюдения составляющих биогеохимического и гидрологического циклов наземных экосистем совместно с данными дистанционного зондирования и моделирования предоставят возможность находить подходы для снижения неопределенностей при оценках природной изменчивости и отклика составляющих энергетического, водного и углеродного балансов экосистем на изменяющиеся условия окружающей среды и для прогноза их устойчивости и динамики.

Ожидаемые результаты
Проблемы глобальных климатических изменений стали важным стимулом для активизации исследований фундаментальных природных процессов, определяющих прямые и обратные связи между подстилающей поверхностью и атмосферой. В этих исследованиях особое внимание уделяется биогеохимическим циклам, что объясняется не только ведущей ролью углекислого газа, метана и водяного пара в определении парникового эффекта, но и тем, что антропогенные потоки диоксида углерода в атмосферу можно направленно регулировать за счет изменения технологий, а биосферный поток СО2, связанный с функционированием наземных экосистем и имеющий различный знак, – регулировать за счет оптимизации структуры землепользования, ведения лесного и сельского хозяйства. Реализация Проекта обеспечит продолжение многолетних непрерывных высокочастотных наблюдений и поддержку действующих комплексов, ориентированных на измерения и расчеты функционально важных переменных: концентраций и потоков углекислого газа, водяного пара и метана, оценки углеродного баланса для различных временных интервалов, чистого углеродного обмена экосистемы, чистой биологической продукции экосистемы, суммарного дыхания экосистемы, валовой первичной продукции, биологической продуктивности, эвапотранспирации, свойств микро и мезоклимата. Полученные результаты, после соответствующей обработки и анализа, помещаются в общедоступные базы данных и являются высоко востребованным материалом (>1000 индивидуальных загрузок в год) для подготовки диссертаций, рекомендаций и десятков научных работ ежегодно. Ожидаемые в процессе выполнения Проекта результаты не только востребованы мировым научным сообществом, но и станут основой для публикаций на актуальные вопросы в данной области исследований. Планируемые работы будут продолжать начатые коллективом (с 1998г.) в рамках международных грантов и при поддержке проектов РНФ и РФФИ, непрерывные круглогодичные измерения в двух экосистемах еловых лесов Южной Европейской тайги. Эти две точки с пульсационными современными технологиями наблюдений на экосистемном уровне дополняли и дополняют на территории России мировую сеть Fluxnet (объединяющую к настоящему времени более 700 станций) измерений потоков по унифицированным методам, которые позволяют получить сопоставимую информацию об устойчивости базовых функций экосистем в различных регионах к изменяющимся условиям климата и антропогенной нагрузки. В ходе реализации Проекта будут обеспечены режимные круглогодичные измерения потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана с помощью технологии пульсационных измерений, а также сопутствующие метеорологические и экофизиологические параметры для двух типов ельников, что позволит получить оценки составляющих углеродного обмена и водного баланса на уровне экосистемы для различных временных интервалов (час, сутки, неделя, месяц, вегетационный сезон, год). С помощью камерных методов измерений произведена количественная оценка потоков CO2, H2O и CH4 для различных компонентов экосистем (почва, стволы и листья/хвоя деревьев). В рамках данной задачи будут использоваться как автоматические, так и ручные методы измерений при помощи высокочувствительного мобильного анализатора газового состава атмосферного воздуха, модель LI-7810 (Li-Cor Inc., USA). Методология пульсационных измерений потока CH4 к настоящему времени еще не полностью отработана и требует решения технических задач по контролю и настройке оборудования, физических вопросов влияния характеристик турбулентности атмосферы на площадь охвата датчика “footprint” и экологических исследований зависимости потоков CH4 от влажности почвы, доступности кислорода в почве и других экологических факторов. Полученные зависимости будут использованы для заполнения пропусков в рядах данных, вызванных периодическими сбоями работы оборудования или условиями слабого атмосферного перемешивания, что позволит получить данные по эмиссии/стоку метана в лесных экосистемах для различных временных интервалов. Планируется оценка вклада диаметрального прироста модельных деревьев, площади листовой поверхности, опада и его составляющих в общую продукцию экосистем. Измерения уровня и характеристик снежного покрова позволят проверить гипотезу о значимости зимних осадков для состояния и динамики составляющих углеродного обмена и водного баланса в течение последующих весны, лета и осени. Исследование возможностей использования данных дистанционного зондирования позволит разработать методы перехода от точечных измерений к региональным оценкам. Поиск методик масштабирования параметров газообмена СО2/СН4 и суммарного испарения будет выполнен на основе данных спутниковых наблюдений спектрорадиометрами MODIS (Terra + Aqua dataset) и инструментом Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) спутника Satellite-A (MetOp-A). Ожидаемые результаты позволят на как уровне экосистемы в целом, так и на уровне отдельных компонентов экосистемы, оценить реакцию потоков парниковых газов на изменения окружающей среды. Когда в пост-киотских соглашениях будет учтена роль лесных экосистем в балансе парниковых газов различных стран, результаты, полученные в ходе выполнения данного Проекта, будут представлять значительный интерес при разработке международных документов, в том числе, учитывая исключительные по величине площади лесов РФ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследования углеродного обмена между лесными экосистемами и атмосферой организованы на основе современных методов пульсационных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана между экосистемами и атмосферой и дополнены сопутствующими измерениями метеорологических и экофизических параметров. Технология пульсационных измерений в настоящее время является основным методом, обеспечивающим получение информации в масштабах, соответствующих масштабам природных процессов на уровне экосистемы. Камерные методы измерений позволяют количественно оценить потоки CO2, H2O и CH4 для различных компонентов экосистем (почва, стволы и листья/хвоя деревьев). Использование данных дистанционного зондирования позволит разработать методы перехода от точечных измерений к региональным оценкам газообмена СО2/СН4 и суммарного испарения. Комплексный подход, основанный на применении различных по масштабу подходов и методов, позволяет расширить существующие представления о динамике углеродного обмена в лесных экосистемах. Измерительные системы смонтированы на вышках в двух типах ельников (ельник сфагново-черничный и ельник сложный) на территории Центрально-Лесного Государственного Природного Биосферного Заповедника (ЦЛГПБЗ, Тверская область, Нелидовский р-н.) на значительном удалении от крупных населенных пунктов и промышленных объектов. Благодаря заповедному режиму, леса, находящиеся на этой территории, не подвергаются хозяйственному освоению и антропогенной нагрузке. Эти факторы позволяют рассматривать полученные оценки составляющих биогеохимического и гидрологического циклов как «фоновые», подверженные минимальному антропогенному влиянию. Многолетние наблюдения составляющих биогеохимического и гидрологического циклов наземных экосистем совместно с данными дистанционного зондирования и моделирования предоставляют возможность находить подходы для снижения неопределенностей при оценках природной изменчивости и отклика составляющих энергетического, водного и углеродного балансов экосистем на изменяющиеся условия окружающей среды и для прогноза их устойчивости и динамики. В соответствии с заявленным в проекте планом, за отчетный период были полностью выполнены следующие работы: Обеспечены непрерывные режимные круглогодичные измерения потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана с помощью технологии пульсационных измерений, сопутствующих метеопараметров и характеристик влажности почвы в двух типах ельников. Обеспечены камерные измерения потоков CO2/CH4/H2O с поверхности почвы (включая растительный компонент) в безснежный период в ельниках сфагново-черничном и сложном. Проведены полевые работы с целью сбора информации о территориальной и временной изменчивости характеристик влажности почвы и площади листовой поверхности. В апреле и ноябре 2021 года обеспечен сбор опада, анализ составляющих которого проанализирован для весенних данных и находится в процессе сушки и разбора для осенних данных. Прирост деревьев на тестовых пробных площадях измерялся ежемесячно. Измерения уровня снежного покрова в осенне-зимне-весенний период производились еженедельно. Описание рельефа, почвы и растительности на основе полевых измерений выполнены в окрестностях измерительного комплекса (60х60 м.) в ельнике сфагново-черничном. Контроль и обработка результатов, выполнены за период с 1998 по 2020 гг., данные помещены в общедоступные базы данных. Обеспечены измерения динамики почвенно-грунтового увлажнения в ельниках сфагново-черничном и сложном. Выполнен анализ данных измерений с целью выявления разночастотных колебаний, оценки изменчивости потоков в зависимости от внешних климатических условий и зависимости СО2 газообмена от гидрометеопеременных для двух типов ельников. В соответствии с общим планом реализации проекта на три года и с заявленным в проекте планом на 2021 год, за отчетный период были частично выполнены заявленные на весь срок реализации проекта работы: Анализ ландшафтной структуры территории на базе наземных описаний, архивных данных лесотаксации и космических снимков с целью выделения масштабов пространственно-однородных объектов и возможных контактных зон между экосистемами при разных направлениях ветра, термической стратификации атмосферы, турбулентного режима. Анализ данных измерений с целью выявления разночастотных колебаний, оценки изменчивости потоков в зависимости от внешних климатических условий на фоне повышения концентрации СО2 в атмосферном воздухе. Систематизация результатов пульсационных измерений по типам режимов почвенно-грунтового увлажнения, получение оценок зависимости эвапотранспирации и СО2/СН4 газообмена от внешних гидрометеопеременных. Адаптация данных дистанционного зондирования и моделей биогеохимических циклов, проведение расчетов для сравнения с результатами экспериментальных исследований и оценки существующих методов заполнения пропусков данных с целью получения полных годовых циклов составляющих энергомассообмена. Апробация методик прогноза газообмена СО2/СН4 и суммарного испарения на основе данных дистанционного зондирования. Подготовлены наземные описания, архивные данные лесотаксации и данные дистанционного зондирования для анализа ландшафтной структуры территории. Рассчитаны многолетние среднесуточные значения, месячные, сезонные и годовые суммы характеристик углеродного баланса и водного режима для ельников сфагново-черничного и сложного. Получены оценки, чистого углеродного обмена (NEE), чистой биологической продукции, суммарного дыхания экосистемы (TER), валовой первичной продукции (GPP) и эвапотранспирации (ET) для различных временных интервалов. Оценены прямые и косвенные климатические эффекты на межгодовую изменчивость чистого углеродного обмена. На основе данных пульсационных и метеорологических наблюдений получены параметры зависимости TER ельника сфагново-черничного от температуры воздуха и верхнего слоя торфяной залежи, а также зависимости GPP от суммарной радиации. Установлено, что аномальные погодные условия весной 2020г. привели к усилению чувствительности GPP к поступлению суммарной радиации в ельнике ранней весной. Анализ сезонных изменений потоков CO2 и метеорологических параметров показал, что положительная аномалия температуры воздуха зимой может уменьшить соотношение между суммарными значениями GPP и TER за вегетационный период и полный год для ельника сфагново-черничного. Теплая зима с низким снежным покровом приводит к увеличению GPP и к смещению весенней точки компенсации на более ранние сроки для ельника сфагново-черничного. Сравнение годового NEE для ельника сфагново-черничного, за 2015–2020гг., с оценками, полученными в период 1999–2004 гг. (Kurbatova et al. 2008), показывает переход от сильного к слабому источнику СО2 для атмосферы. Изменение СО2-статуса с источника на сток наблюдалось при положительных тенденциях температуры воздуха, количества осадков и уровня грунтовых вод. Ожидается что продолжение текущей тенденции к потеплению зимой и ранней весной, наблюдаемой в регионе, может увеличить поглощение CO2 торфяниками в южной тайге на западе России, особенно заболоченными лесами, из-за повышения весеннего GPP, хотя прогнозируемое увеличение частоты засух летом может привести к значительному увеличению TER, что может превратить торфяники в постоянный источник CO2 для атмосферы. Таким образом, будущее состояние углеродного баланса южно-таежных торфяников остается неясным. Мы считаем, что анализ межгодовой изменчивости потоков, основанный на долгосрочных измерениях для торфяников разного типа и местоположения необходим для оценки возможного воздействия погодных аномалий, экстремальных явлений и изменения климата на взаимодействие торфяников с атмосферой. Показано, что при условиях увлажнения, близких к климатической норме величина эвапотранспирации в ельнике сложном за вегетационный период близка сумме осадков за тот же период. При аномально влажных условиях величина суммарного испарения ниже суммы осадков за вегетационный период и соответственно выше при аномально сухих погодных условиях. Анализ зависимости суммарного испарения от метеопараметров показал, что основным внешним фактором, определяющим величину суммарного испарения неморального ельника, является дефицит упругости водяного пара в атмосферном воздухе. Установлено, что межгодовые изменения NEE, в первую очередь, определялись изменчивостью валовой первичной продукции при относительно небольших изменениях экосистемного дыхания. Исследование динамики усыхания елей после массовых ветровалов показало, что площадь сухостоя резко увеличивается на третий год после вывала деревьев в связи с ослаблением елей и вспышкой численности короеда-типографа и корневой губки. Этому также отчасти способствуют жаркие засушливые летние периоды, которые наблюдались в 2021 г. Запасы валежа сильно различаются в различных типах леса, а также в «ветровальной» части леса по сравнению с ненарушенной. Наиболее высокие значения эмиссии CO2 установлены на почве с опавшей корой и из валежа 3–4 класса разложения в обоих типах леса. В свою очередь метан активно окисляется как почвами с опавшей корой, так и ненарушенными почвами. После пересчета потоков парниковых газов на площади поверхности мертвой древесины и почв с опавшей корой на исследуемых экспериментальных площадках, соотношение величин интегральных потоков сильно меняется по сравнению с относительными значениями. Наиболее высокие значения эмиссии CO2 наблюдаются на валеже 3–5 классов разложения во всех типах леса. Максимальные значения эмиссии метана отмечены на почве с опавшей корой в PSFd, а окисления метана – на валеже 5 класса во всех типах леса и 4-го класса NSF. Это говорит о том, что валеж является интенсивным источником диоксида углерода, а сухостой – метана. Полученные результаты указывают на необходимость не только расчетов потоков парниковых газов из различных компонентов лесных экосистем, но и оценку их запасов и площадей. Дальнейшие оценки требуют включения в анализ также валежа и сухостоя других древесных пород, а также измерение дыхания живых стволов. Понимание порогового значения критической влажности почвы (SM) (θcrit) для водного стресса растений и распределения энергии у поверхности земли является основой для оценки воздействия засушливых условий и улучшения моделей для прогнозирования будущего состояния экосистем и климата. Однако количественная оценка θcrit для различных биомов и климатических условий является сложной задачей, поскольку одновременные измерения потоков явного, скрытого тепла и SM представлены недостаточно. Для оценки θcrit использовались имеющиеся данные пульсационных измерений на территории Европы, для которых оценивались отношения испарительной фракции (EF) и SM и ковариации между дефицитом давления водяного пара (VPD) и валовой первичной продукцией (GPP) в периоды убывания влажности почвы ввиду отсутствия дождей. Обнаружено, что пороговые значения θcrit и матричного потенциала почвы для экосистем составляют 16,5% и -0,7 МПа соответственно. Характеристики распределения потоков явного и скрытого тепла различались для разных типов растительности, так для EF в степных экосистемах наблюдалась высокая чувствительность к SM в стадии ограниченного количества воды, для лесных экосистем низкая. Знак ковариации между суточным VPD и GPP изменяется с положительного на отрицательный во время высыхания после дождя для всех экосистем, при этом значения EF имели тенденцию к уменьшению. Оценка θcrit, полученная методом ковариации, хорошо согласуется с методом EF-SM, показывая, что метод ковариации может использоваться для обнаружения θcrit. Обнаружено, что текстура почвы определяет пространственную изменчивость θcrit, в то время как приходящее коротковолновое излучение и VPD являются основными факторами, определяющими пространственную картину чувствительности EF. Представленные результаты подчеркивают, что изменение знака ковариации между суточными VPD и GPP может использоваться в качестве индикатора перехода из режима с ограничением по энергии к режиму с ограничением по воде. Критический порог SM и его движущие силы для различных биомов и климатов Европы могут быть полезны для улучшения климатических моделей с параметрическими представлениями стресса от засухи. Разработана стандартизированная база данных потоков CO2 (ABCflux) для арктических и бореальных экосистем, которая объединяет измерения чистого обмена CO2 и производных потоков: валовой первичной продукции и дыхания экосистем (Virkkala A.M., et al., 2021). Данные охватывают период с 1989 по 2020 год с более чем 70 вспомогательными переменными, которые описывают ключевые условия для участка измерений (например, растительность и тип нарушений), микрометеорологические и экологические измерения (температура воздуха, почвы и др.) а также измерения потоков различными методами. Географический охват данных сильно варьирует в пределах ABC, при этом большинство участков и наблюдений получены для Аляски (29%), Канады (28%), Финляндии (15%) и России (13%). Месячные значения для региона варьируют от -2 до -516 г C м-2 мес-1 для GPP, от 0 до 550 г C м-2 мес-1 для Reco и от -376 до 95 г C м-2 мес-1 для NEE. NEE обычно отрицательна летом (сток СО2) и в основном положительна в другие сезоны (источник СО2). Годовое значение NEE, рассчитанное на основе средних значений для каждого участка с 1995 по 2020 год, составляет -27,9 г C м-2 в год-1 (стандартное отклонение 85,4) для всего региона, -35,5 г C м-2 в год-1 (стандартное отклонение 93,7) для бореального биома и -3,3 г C м-2 год-1 (стандартное отклонение 44,2) для тундры. ABCflux может использоваться в широком спектре эмпирических исследований, дистанционного зондирования и моделирования для улучшения понимания региональной и временной изменчивости потоков CO2 и для более точной оценки баланса CO2 наземных экосистем в арктическом и бореальном регионах. Для территории Российской Федерации в настоящее время доля наблюдений по сравнению с долей площади страны в арктическо-бореальной зоне экстремально низка. Учитывая разнообразие климатических условий и растительности, только в арктическо-бореальной зоне количество измерительных станций должно быть увеличено как минимум в 3 раза. ABCflux это открытая база данных, доступная по адресу: https://doi.org/10.3334/ORNLDAAC/1934.

 

Публикации

1. Вирккала А.М., Натали С. М., Роджерс Б. М.,…, Варлагин А. и др. The ABCflux database: Arctic-Boreal CO2 flux observations and ancillary information aggregated to monthly time steps across terrestrial ecosystems Earth System Science Data, Earth Syst. Sci. Data, 14, 179–208 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/essd-2021-233

2. Мамкин В.В., Авилов В.В., Иванов Д.Г., Варлагин А.В., Курбатова Ю.А. Interannual variability of the ecosystem CO2 fluxes at paludified spruce forest and ombrotrophic bog in southern taiga Atmos. Chem. Phys. Discuss., Preprint acp-2021-944 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/acp-2021-944


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследования углеродного обмена между лесными экосистемами и атмосферой организованы на основе современных методов пульсационных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана между экосистемами и атмосферой и дополнены сопутствующими измерениями метеорологических и экофизических параметров. Технология пульсационных измерений в настоящее время является основным методом, обеспечивающим получение информации в масштабах, соответствующих масштабам природных процессов на уровне экосистемы. Камерные методы измерений позволяют количественно оценить потоки CO2, H2O и CH4 для различных компонентов экосистем (почва, стволы и листья/хвоя деревьев). Использование данных дистанционного зондирования позволит разработать методы перехода от точечных измерений к региональным оценкам газообмена СО2/СН4 и суммарного испарения. Комплексный подход, основанный на применении различных по масштабу подходов и методов, позволяет расширить существующие представления о динамике углеродного обмена в лесных экосистемах. Измерительные системы смонтированы на вышках в двух типах ельников (ельник сфагново-черничный и ельник сложный) на территории Центрально-Лесного Государственного Природного Биосферного Заповедника (ЦЛГПБЗ, Тверская область, Нелидовский р-н.) на значительном удалении от крупных населенных пунктов и промышленных объектов. Многолетние наблюдения составляющих биогеохимического и гидрологического циклов наземных экосистем совместно с данными дистанционного зондирования и моделирования предоставляют возможность находить подходы для снижения неопределенностей при оценках природной изменчивости и отклика составляющих энергетического, водного и углеродного балансов экосистем на изменяющиеся условия окружающей среды и для прогноза их устойчивости и динамики. В ходе выполнения работ в 2022 году полностью выполнены задачи по обеспечению непрерывных режимных круглогодичных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана с помощью технологии пульсационных измерений, сопутствующих метеопараметров и характеристик влажности почвы в двух типах ельников. Полученные данные обработаны в соответствии с последними и помещены в общемировые базы данных FluxNet (https://fluxnet.fluxdata.org/) и European Fluxes Database Cluster (http://gaia.agraria.unitus.it). Рассчитаны многолетние среднесуточные значения, месячные, сезонные и годовые суммы характеристик углеродного баланса и водного режима для ельников сфагново-черничного и сложного. Получены оценки, чистого углеродного обмена (NEE), чистой биологической продукции, суммарного дыхания экосистемы (TER), валовой первичной продукции (GPP) и эвапотранспирации (ET) для различных временных интервалов. Оценены прямые и косвенные климатические эффекты на межгодовую изменчивость чистого углеродного обмена. Выполнен анализ отклика NEE и его компонентов для ельника сложного на межгодовые климатические аномалии. Сравнение данных о потоках, полученных для ельника на хорошо дренированных почвах, с данными, полученными для заболоченного ельника, показало, что среднегодовое отношение GPP/TER для участков разнонаправленно реагировало на климатические аномалии. Проведенное исследование свидетельствует о том, что разнообразие режимов увлажнения почв южнотаежных ельников обуславливает степень ответных реакций NEE на климатические аномалии. Проведены исследования межгодовой изменчивости NEE и его компонентов для трёх экосистем южной тайги разной степени заболоченности. Показано, что положительная температурная аномалия приводит к существенному изменению баланса СО2 заболоченного ельника в сторону увеличения поглощения атмосферного диоксида углерода. Учитывая, что потепление климата в регионе происходит в основном за счёт роста температуры воздуха зимних и весенних месяцев можно ожидать дальнейшего увеличения отношения GPP/TER в ельнике. Обеспечены камерные измерения потоков CO2/CH4 с поверхности почвы (включая растительный компонент), стволов отдельных деревьев и валежа в ельнике сложном. На основе полученных данных можно заключить, что среди исследуемых объектов, наибольшим источником CO2 в сложном ельнике является почва с напочвенным покров и в большей степени почва с отпавшей корой. Среди мертвой древесины наибольшая эмиссия отмечается на валеже 4 класса разложения. Почва является активным поглотителем метана, в большей степени на участках около стволов деревьев. Мертвая древесина практически не участвует в выделении или поглощении метана. Для измерительного комплекса в ельнике сложном реализована программа инвентаризации природно-территориальных комплексов на основе полевых измерений свойств их основных компонентов почв, растительности и рельефа. Были выполнены комплексные геоботанические описания на площадках 20х20 м., вписанных в площадку 60х60 м вокруг комплекса (9 площадок). При измерении географических координат деревьев фиксировалась абсолютная высота, что позволило получить поле точек для интерполяции с целью составления цифровой модели рельефа для каждой площадки. Продолжены регулярные ежегодные измерения индекса листовой поверхности (LAI) на трансекте длинной 7.5 км. Проанализирована динамика LAI для различных растительных формаций и динамика сумм площадей сечений древостоя. По измерениям в 2022 году наблюдается небольшой рост LAI для большинства растительных формаций, указывающий на процессы восстановления полога. С использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) продолжен мониторинг динамики усыхания отдельных деревьев древостоя. В результате ветровалов и большого количества осадков в летние сезоны 2018-2019 гг., наблюдается ослабление старовозрастного елового древостоя, что с большой вероятностью явилось причиной увеличения численности короеда-типографа на территории Центрально-Лесного Заповедника. Осуществлен анализ ландшафтной структуры территории Заповедника и его охранной зоны на основе серии сцен космической съемки Landsat с пространственным разрешением 30 метров, цифровой модели рельефа и характеристики растительного покрова по данным геоботанических описаний. По значениям полученных 12 базовых переменных рельефа и 4 базовых переменных дистанционной информации была осуществлена классификация и выделен 41 класс состояния территории. Для каждого класса рассчитаны средние значения морфометрических характеристик и ключевые показатели состава и структуры растительности, которые могут быть использованы как основа для интерполяции точечных измерений потоков тепла влаги и углерода. В рамках поиска способов интеграции данных измерительных комплексов и данных дистанционного зондирования (ДДЗ) были использованы получасовые значения комплекса в ельнике сфагново-черничном и данные дистанционного зондирования съемочных систем Landsat и MODIS. После корреляционной оценки осуществлялся подбор адекватной комбинации ДДЗ, варьирование которых способно описать значимую часть изменчивости полученного по данным измерительного комплекса параметра. Для составляющих радиационного баланса удовлетворительно описывается поток скрытого тепла (LE), (R2 = 0.56). Также хорошо описываются составляющие чистого экосистемного обмена СО2 (NEE), GPP и TER на 79 и 78% соответственно. В свою очередь сам NEE описывается только на 52%. В регрессионные уравнения входят преимущественно каналы коротковолнового диапазона (SWIR 1 и SWIR 3) и индексы тесно с ними связанные: NDVI, RVI и sWDRVI. Второй важной составляющей моделей является температура поверхности, фиксируемая MODIS (LST). На данном этапе можно предположить, что при дополнительной настройке параметров моделей (добавлении нелинейных отношений, изменении алгоритмов оценки качества входящих данных, обобщение индексов статистическими методами для уменьшения размерности системы), реалистично создание адекватных моделей для оценки полученных на измерительных комплексах параметров с помощью спектральных индексов.

 

Публикации

1. Иванов Д.Г., Котлов И.П., Минаева Т.Ю., Курбатова Ю.А. Оценки потоков СО2 на верховом болоте с учетом динамики площадей микроформ Материалы Седьмой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2021, г. Пущино, 2021, 43-45.,ФИЦ ПНЦБИ РАН, 2021. 142 с., Материалы Седьмой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2021, г. Пущино, 2021, 43-45. (год публикации - 2021)

2. Куричева О.А., Варлагин А.В, Авилов В.К., Мамкин В.В., Иванов Д.Г., Курбатова Ю.А. Эффективность использования воды южнотаежным еловым лесом при увеличении концентрации СО2 Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Изменения климата и углеродная нейтральность: вызовы и возможности». – Ханты-Мансийск: ООО «Печатный мир г. Ханты-Мансийск», 2022. 113 с., с.29-34, Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Изменения климата и углеродная нейтральность: вызовы и возможности». 2022, с.29-34 (год публикации - 2022)

3. Лембрехтс Дж. Дж., Ван ден Хуген Дж., Аалто Дж., Эшкрофт М. Б., Де Френн П., Кемппинен Дж., Копецки М., Луото М., Маклин И. М. Д., Кроутер Т. В., Бейли Дж. Дж., Хаесен С., Клингес Д. Х., Нииттинен П., Шефферс Б.Р., Варлагин А., и др. Global maps of soil temperature Global Change Biology, 2022, 28(9), pp. 3110–3144, Global Change Biology, 2022, 28(9), pp. 3110–3144 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1111/gcb.16060

4. Мамкин В.В., Авилов В.К., Варлагин А.В., Иванов Д.Г., Ясенева И.А., Курбатова Ю.А. Межгодовая изменчивость потоков СО2 в экосистемах олиготрофного заболачивания южной тайги европейской территории России Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Изменения климата и углеродная нейтральность: вызовы и возможности». – Ханты-Мансийск: ООО «Печатный мир г. Ханты-Мансийск», 2022. – 113 с., с.15-19, Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Изменения климата и углеродная нейтральность: вызовы и возможности». 2022, с.15-19 (год публикации - 2022)

5. Мамкин В.В., Авилов В.К., Варлагин А.В., Иванов Д.Г., Ясенева И.А., Курбатова Ю.А. Межгодовая динамика потоков СО2 в экосистемах олиготрофного заболачивания на территории Центрально-лесного заповедника Научные исследования и экологический мониторинг на особо охраняемых природных территориях России и сопредельных стран: сборник конференции Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника. Москва, КМК, 2022, 534 с. 164-167, Сборник трудов конференции Центрально-Лесного государственного природного биосферного заповедника. Москва,Товарищество научных изданий КМК. 2022. 534 с. 164-167 (год публикации - 2022)

6. Мамкин В.В., Авилов В.К., Иванов Д.Г., Варлагин А.В., Курбатова Ю.А. Interannual variability of the ecosystem CO2 fluxes at paludified spruce forest and ombrotrophic bog in southern taiga Atmospheric Chemistry and Physics, Copernicus Publications., Atmospheric Chemistry and Physics (accepted for final publication in ACP) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.5194/acp-2021-944

7. Мамкин В.В., Варлагин А.В., Ясенева И., Курбатова Ю.А. Response of Spruce Forest Ecosystem CO2 Fluxes to Inter-Annual Climate Anomalies in the Southern Taiga Forests, 2022, Volume 13, Issue 7, 1-21, MDPI AG, Forests, 2022, Volume 13, Issue 7, 1-21 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/f13071019

8. Фу З., Сиаис П., Маковски Д., Бастос А., Стой П. С, Ибром А., Кноль А., Варлагин А. и др. Uncovering the critical soil moisture thresholds of plant water stress for European ecosystems Global Change Biology, 28(6), 2111-2123, Global Change Biology, 28(6), 2111-2123 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1111/gcb.16050

9. Мамкин В.В., Авилов В.К., Варлагин А.В., Иванов Д.Г., Курбатова Ю.А Потоки СО2 в экосистемах олиготрофного заболачивания южной тайги европейской части России Научные основы устойчивого управления лесами. Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 30-летию ЦЭПЛ РАН. Москва, 2022. Издательство: Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН. c.240-243, Научные основы устойчивого управления лесами. Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 30-летию ЦЭПЛ РАН. Москва, 2022. с.240-243 (год публикации - 2022)

10. - Тайга сильнее поглощает CO2 из-за жарких летних месяцев ТАСС, - (год публикации - )

11. - Климатические изменения влияют на потоки углекислого газа в южно-таежных лесах Пресс-центр Минобрнауки, - (год публикации - )

12. - Климатические изменения влияют на биогеохимические процессы в южно-таежных лесах Информационное агентство "Научная Россия", - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследования углеродного обмена между лесными экосистемами и атмосферой организованы на основе современных методов пульсационных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана между экосистемами и атмосферой и дополнены сопутствующими измерениями метеорологических и экофизических параметров. Технология пульсационных измерений в настоящее время является основным методом, обеспечивающим получение информации в масштабах, соответствующих масштабам природных процессов на уровне экосистемы. Камерные методы измерений позволяют количественно оценить потоки CO2, H2O и CH4 для различных компонентов экосистем (почва, стволы и листья/хвоя деревьев). Использование данных дистанционного зондирования – еще один шаг к разработке методов перехода от точечных измерений к региональным оценкам газообмена СО2/СН4 и суммарного испарения. Комплексный подход, основанный на применении различных по масштабу методов, позволяет расширить существующие представления о динамике углеродного обмена в лесных экосистемах. Измерительные системы смонтированы на вышках в двух типах ельников (ельник сфагново-черничный и ельник сложный) на территории Центрально-Лесного Государственного Природного Биосферного Заповедника (ЦЛГПБЗ, Тверская область, Нелидовский р-н.) на значительном удалении от крупных населенных пунктов и промышленных объектов. Многолетние наблюдения составляющих биогеохимического и гидрологического циклов наземных экосистем совместно с данными дистанционного зондирования и моделирования предоставляют возможность находить подходы для снижения неопределенностей при оценках природной изменчивости и отклика составляющих энергетического, водного и углеродного балансов экосистем на изменяющиеся условия окружающей среды и для прогноза их устойчивости и динамики. В ходе выполнения работ в 2023 году полностью выполнены задачи по обеспечению непрерывных режимных круглогодичных измерений потоков тепла, влаги, углекислого газа и метана с помощью технологии пульсационных измерений, сопутствующих метеопараметров и характеристик влажности почвы в двух типах ельников. Небольшие пропуски данных (не более 5%) обусловлены отключениями электричества, связанными в основном, с падением деревьев на линии электропередачи в Нелидовском районе, влекущие за собой отключение всего района от подачи электричества. Полученные данные обработаны в соответствии с последними и помещены в общемировые базы данных FluxNet (https://fluxnet.fluxdata.org/) и European Fluxes Database Cluster (http://gaia.agraria.unitus.it). Рассчитаны многолетние среднесуточные значения, месячные, сезонные и годовые суммы характеристик углеродного баланса и водного режима для ельников сфагново-черничного и сложного. Получены оценки, чистого углеродного обмена (NEE), чистой биологической продукции, суммарного дыхания экосистемы (TER), валовой первичной продукции (GPP) и эвапотранспирации (ET) для различных временных интервалов. Оценены прямые и косвенные климатические эффекты на межгодовую изменчивость чистого углеродного обмена. На основе проведенных расчетов исследовались потоки углерода и воды в двух лесных экосистемах таежной зоны Европейской части РФ с различными эдафическими условиями и произрастающими видами деревьев, но с близким возрастом и климатическими условиями. Целью исследования было (1) изучить сезонную и межгодовую динамику углеродного и водного обмена в двух типах леса, (2) определить влияние метеорологических и фенологических факторов на продуктивность лесов, и (3) на основе долговременного ряда наблюдений выявить значимые климатические тренды и их влияние на потоки углерода и воды. Для оценки влияния роста концентрации CO2 на гидрологический цикл южнотаежных ельников было проведено сравнение суммарного испарения для двух периодов, в которых концентрация СО2 в атмосферном воздухе существенно отличалась: 1998+2000+2001 гг. и в 2018-2019 гг. Концентрация CO2 значимо увеличилась с 357 ± 6 ppm в первой выборке вначале периода измерений до 397 ± 7 ppm во второй выборке в конце периода измерений. Во второй выборке затраты тепла на суммарное испарение оказались выше на 20%, валовая первичная продукция GPP выше на 6%. Различия значимы только для суммарного испарения. Таким образом, по дневным данным с разницей около 20 лет не наблюдалось увеличения GPP и одновременного снижения транспирации, что могло бы привести к снижению эффективности использования воды (WUE). Footprint — это наветренная область, в которой генерируется атмосферный поток, измеряемый прибором. В частности, термин описывает наветренную область, которую "видят" приборы, измеряющие вертикальные турбулентные потоки, так что перенос тепла, воды, газов и импульса, генерируемый в этой области, регистрируется приборами. Энерго-массообмен измеряется датчиками в одной точке над экосистемой и отражает интегральный вклад всех источников и стоков, расположенных с наветренной стороны датчика. Корректная интерпретация получаемого сигнала невозможна без описания территории, с которой на датчик приходит сигнал. Территория вокруг вышек довольно неоднородна. Доминирующий еловый древостой имеет ограниченную протяженность, а в пределах 200–300 м от башни встречаются березовые и осиновые леса, а также ветровалы разного возраста. Для ельника сфагново-черничного была изучена зависимость области воздействия от сезона и направления превалирующего ветра. Область воздействия в анализе характеризовалась двумя ключевыми параметрами: дистанцией, с которой оказывается максимальное влияние на измеряемый поток и дистанцией, обеспечивающей 80% вклад в измеряемый поток (Sogachev A. Varlagin A., 2023). Анализ области генерации потока (footprint analysis) показал, что размер области воздействия имеет слабую сезонную динамику из-за преобладания на территории хвойных деревьев (квазиоднордный лес). Большинство из используемых при анализе моделей оценки зоны воздействия показали, что летом максимальный вклад в сигнал смещается вверх по ветру примерно на 10–15% по сравнению с зимой, что связано с сезонным изменением динамики воздушного потока. Обеспечены камерные измерения потоков CO2/CH4 с поверхности почвы (включая растительный компонент), стволов отдельных деревьев и валежа в ельнике сложном. Измерения потоков CO2камерным методом проводились с апреля по октябрь 2023г. Измерения потоков CH4, проводились с мая по октябрь в ельнике и короеднике и с июня по октябрь на остальных площадках. В экосистемах ельника сложного в 2023 году всего было проведено 271 измерений CO2 и 256 измерений CH4. Измерение потоков парниковых газов из почвы в ельнике сложном показали, что в данной экосистеме наблюдается значительная неоднородность в поглощении метана почвой и в меньшей степени пространственные различия в выделении диоксида углерода, несмотря на отсутствие статистических различий в температурах почвы и небольших различиях во влажности почвы. Наиболее интенсивным источником CO2 является короедник с большим количеством мертвых древесных остатков, а максимальное поглощение метана отмечается в осиннике. За вегетационный сезон эмиссия CO2 в неморальном ельнике составляет примерно 3.8-7.9 кг CO2 м-2, а поглощение метана – -0.5…-1.5 г CH4 м-2. Продолжены регулярные ежегодные измерения индекса листовой поверхности (LAI) на трансекте длинной 7.5 км. Проанализирована динамика LAI для различных растительных формаций и динамика сумм площадей сечений древостоя. По измерениям в 2023 году тенденция снижения листового индекса продолжилась. Причинами такого устойчивого снижения является продолжающийся процесс усыхания ельников. С использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) продолжен мониторинг динамики усыхания отдельных деревьев древостоев. В связи с массовыми ветровалами и ослаблением деревьев начиная с 2018 г. отмечается массовая гибель древостоя ели из-за вспышки численности короеда-типографа. На протяжении шести лет наблюдений в ельниках сфагново-черничном и сложном наблюдается возрастание, пик и снижение активности усыхания деревьев с максимум в 2020-2021 гг.

 

Публикации

1. Алешновский В.С., Безрукова А.В., Авилов В.К., Газарян В.А., Курбатова Ю.А., Куричева О.А., Чуличков А.И., Шапкина Н.Е. Восстановление пропусков во временных рядах концентрации СО2 и температуры воздуха методом математической статистики Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2023. № 3. С. 2330101., Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2023. № 3. С. 2330101. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.55959/MSU0579-9392.78.2330101

2. Граф А., Вольфарт Г., Аранда-Барранко С., ...Варлагин А., и др. Joint optimization of land carbon uptake and albedo can help achieve moderate instantaneous and long-term cooling effects Communications Earth & Environment, 4, 298 (2023), Communications Earth & Environment 4, 298 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1038/s43247-023-00958-4

3. Иванов Д.Г., Курбатова Ю.А. Dynamics of Picea abies mortality and CO2 and CH4 fluxes from spruce trees decomposition in the southwest of the Valdai Upland, Russia Nature Conservation Research. Vol. 8(2). P. 33–43., Nature Conservation Research. Vol. 8(2). P. 33–43. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24189/ncr.2023.013

4. Куричева О.А., Авилов В.К., Варлагин А.В., Гитарский М.Л., Дмитриченко А.А., Дюкарев Е.А. и др. Мониторинг экосистемных потоков парниковых газов на территории России: сеть Ruflux ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2023, том 87, № 4, с. 512–535, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2023, том 87, № 4, с. 512–535 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S2587556623040052

5. Куричева О.А., Варлагин А.В., Иванов Д.Г., Авилов В.К., Мамкин В.В., Желтухин А.С., Шуйская Е.А., Курбатова Ю.А. Суммарное испарение заболоченного ельника центрально-лесного биосферного заповедника по данным многолетних измерений XV СИБИРСКОЕ СОВЕЩАНИЕ И ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО КЛИМАТО-ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ МОНИТОРИНГУ Томск, 17–20 октября 2023 года, Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН. Томск, 2023. С. 394-397 (год публикации - 2023)

6. Мамкин В.В., Варлагин А.В., Татаринов Ф.А., Трусова С.Н., Ясенева И.А., Курбатова Ю.А Межгодовая динамика экосистемного обмена СО2 южно-таёжных ельников на торфяных и минеральных почвах XV СИБИРСКОЕ СОВЕЩАНИЕ И ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО КЛИМАТО-ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ МОНИТОРИНГУ Томск, 17–20 октября 2023 года, Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН. Томск, 2023. С. 394-397. (год публикации - 2023)

7. Се М., Ма Х., Ван Ю., ... Варлагин А., и др Monitoring of carbon-water fluxes at Eurasian meteorological stations using random forest and remote sensing Scientific Data, Sci Data 10, 587 (2023)., Sci Data 10, 587 (2023). (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1038/s41597-023-02473-9

8. Согачев А., Варлагин А. Seasonal dynamics of flux footprint for a measuring tower in southern taiga via modeling and experimental data analysis Forests. 2023; 14(10):1968., MDPI AG, Forests. 2023; 14(10):1968. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/f14101968

9. - Заболоченные леса чувствительны к климатическим изменениям Новости РАН, - (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
не указано