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

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 проекта 21-14-00209

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

Руководитель Варлагин 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

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 слова Взаимодействие 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

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.5194/acp-2021-944

2. 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)
10.5194/essd-2021-233

3. 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)

4. 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)
10.3390/f13071019

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. 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)
10.1111/gcb.16060

7. 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)

8. 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)
10.5194/acp-2021-944

9. 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)
10.1038/s41597-023-02473-9

10. 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)
10.1038/s43247-023-00958-4

11. 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)
10.3390/f14101968

12. 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)
10.31857/S2587556623040052

13. 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)

14. 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)
10.24189/ncr.2023.013

15. 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)

16. 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)
10.55959/MSU0579-9392.78.2330101

17. 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)

18. 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)
10.1111/gcb.16050

19. 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)

Публикации