Дайджест за июнь 2023 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Коллектив китайских авторов опубликовал мета-анализ публикаций на тему влияния пожаров на почвенное дыхание

Хотя почвенное дыхание (ПД) играет важную роль в регулировании концентрации CO2 в атмосфере, общая картина реакции ПД на пожар в наземных экосистемах остается неясной. В данном исследовании был проведен мета-анализ 91 исследования пожаров на 116 глобальных площадках с целью изучения влияния пожара на ПД и его компоненты. Результаты показали, что реакция ПД и гетеротрофного дыхания (ГД) на пожар зависит от тяжести пожара (низко-, умеренно- и высокосеверный) и его типа (лесной пожар и предписанный пожар). В частности, пожары высокой и низкой интенсивности снижали ПД и ГД, в то время как пожары умеренной интенсивности оказывали незначительное влияние на эти параметры. В среднем по всем экосистемам лесные пожары значительно снизили ПД и ГД на 13,9% и 18,6%, соответственно, в то время как предписанные пожары снизили SR на 8,4%, но не изменили ГД. Кроме того, реакция ПД и ГД варьировалась в зависимости от типа экосистемы. Пожар снизил ПД во всех трех типах лесов (бореальные леса: -14,8%, леса умеренного пояса: -13,8% и тропические леса: -28,9%), в то время как ГД снизился только в бореальных и умеренных лесах (-23,8% и 20,7%, соответственно), но не в тропических лесах. Более того, после пожаров низкой и высокой интенсивности сразу же последовало уменьшение ПД, а затем его увеличение, в то время как ГД уменьшался с течением времени. В глобальном масштабе реакция ПД и ГД на пожар в значительной степени обусловлена изменениями в почвенном органическом углероде, растворенном углероде, микробной биомассе углерода и подземной биомассе, как показал корреляционный анализ. Кроме того, на реакцию ПД на пожар отрицательно повлияло среднегодовое количество осадков в лесах. В целом, наше исследование выявило механизмы, определяющие последствия пожара, и обеспечило основу для понимания эмиссии почвенного углерода при усиленных режимах пожаров.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

В журнале Agricultural and Forest Meteorology опубликовано исследование влияния лесных плантаций на обмен углеродсодержащими парниковыми газами

Плантации обладают большим потенциалом связывания углерода и играют важную роль в смягчении глобального потепления. Однако реакция потоков углерода на биофизические факторы на разных участках плантаций до сих пор не ясна. Мы обобщили данные о потоках углерода, измеренные методом вихревой ковариации на плантациях в глобальном масштабе, чтобы изучить изменения углеродного обмена в зависимости от широты, обсудить связь потоков углерода с биофизическими переменными и сравнить различия в поглощении углерода между хвойными и широколиственными плантациями. Интенсивности годовой чистой продукции продукция (NEP), годовой полной первичной продукции (GPP) и дыхания экоситемы (ER) на всех плантациях составили 353±27, 1762±60 и 1385±46 гС м-2 год-1 соответственно. Среднегодовая NEP в хвойных биомах была аналогична таковой в широколиственных биомах. GPP и ER были на 48% и 64% больше в хвойных лесах, чем в широколиственных. Годовая NEP, GPP и ER значительно уменьшались с увеличением широты. В получасовом масштабе увеличение рассеянной радиации значительно повысило ассимиляцию углерода в хвойных и широколиственных биомах. В годовом масштабе GPP и NEP были чувствительны к среднегодовой температуре (MAT) и индексу площади листьев (LAI). Годовое количество осадков было доминирующим фактором, регулирующим изменчивость GPP и ER, и объясняло 34% и 47% вариаций GPP и ER, соответственно. Увеличение продолжительности вегетационного периода (GSL) и повышение содержания воды в почве (SWC) способствовало усилению фотосинтеза и дыхания экосистемы посаженных лесов. Однако влияние GSL и SWC на чистое поглощение углерода было незначительным. Эти результаты подчеркивают важность биофизических факторов в регулировании динамики углерода в насаждениях и способствуют пониманию различий в поглощении углерода между хвойными и широколиственными биомами.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Японские исследователи показали связь красной флуоресценции хлорофилла под действием солнечного света с экосистемным фотосинтезом на рисовых полях

Фотосинтез наземных экосистем играет важнейшую роль в глобальном круговороте углерода. Индуцированная солнцем флуоресценция хлорофилла (SIF) является самым современным показателем фотосинтеза экосистем. Хотя SIF, полученная со спутника, коррелирует с валовой первичной продуктивностью (GPP), для лучшего понимания динамики поглощения углерода растениями ее необходимо дополнить наземными измерениями из-за грубого пространственно-временного разрешения спутниковых данных. Мы использовали спектрометр сверхтонкого разрешения для обнаружения как красной SIF (SIFred, 687 нм), так и дальней красной SIF (SIFfar-red, 760 нм) на уровне земли. Затем мы исследовали, насколько хорошо они отражают GPP, рассчитанный вихревыми башнями, на рисовом поле в центральной Японии в середине и конце вегетационного периода в 2019 году. Получасовые и среднесуточные данные SIFred показали более сильную корреляцию с GPP (R2 = 0,61 и 0,83, соответственно), чем SIFfar-red (R2 = 0,42 и 0,57, соответственно). Более сильная сезонная корреляция с GPP наблюдалась для SIF, выходящей за пределы полога, чем для общей SIF. Соотношение SIFred/SIFfar-red не имело значительной корреляции с сезонными изменениями нормализованного индекса различий растительности или специфических для пигментов простых соотношений для хлорофилла-a и -b. Не было четких различий во взаимосвязи SIFred-GPP между солнечными и облачными условиями. Мы пришли к выводу, что SIFred может быть эквивалентным или лучшим прокси, чем SIFfar-red, для фотосинтеза на уровне экосистемы. Мы также предположили, что эмиссия SIF в основном контролируется физиологией растений в середине и конце вегетационного периода, когда временные изменения структуры полога в рисовых экосистемах незначительны.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Американские исследователи оценили крупномасштабные запасы углерода в почве на основе данных сети NEON

Современные модели углеродного цикла сосредоточены на влиянии изменения климата и землепользования на первичную продуктивность и микробно-минеральный оборот углерода в верхнем слое почвы, в то время как вертикальным почвенным процессам и почвенно-зависимой реакции на изменение землепользования по профилю уделяется меньше внимания. В данном исследовании пространственно-временной анализ был использован для оценки изменения органического углерода (SOC) в верхнем слое почвы/горизонте и подпочве/горизонте B на участках Национальной сети экологических обсерваторий (NEON) в США за 30 лет. Для разделения влияния землепользования, экологических и эдафических факторов на изменение SOC использовалась замена пространства на время в сочетании с алгоритмом обнаружения и классификации непрерывных изменений и моделированием структурных уравнений. Результаты показали, что (a) под естественной растительностью сподозоли и инцептизоли, обнаруженные на восточных участках NEON, имели значительное накопление SOC в верхнем слое почвы (от +0,4 до +1,2 МгC га-1 год-1), в то время как инцептизоли и андизоли на западе имели сопоставимую величину потери SOC в верхнем слое почвы (от -0,5 до -1 МгC га-1 год-1); (b) моллисолы и альфисолы на участках Центральных равнин были подвержены значительной потере SOC при земледелии и выпасе скота; (c) сток/эрозия и потенциал выщелачивания, вертикальная транслокация и сорбция минералов были наиболее важными факторами, контролирующими изменение SOC на участках NEON. Наша работа может быть использована для параметризации моделей экосистем, моделирующих изменение SOC.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Biogeosciences

Канадские ученые представили способ создания ортофотоплана лесных территорий с одновременным использованием данных инфракрасной и визуальной съемки с дрона

Оперативный мониторинг лесов часто требует получения детальной информации в виде ортомозаики, созданной путем наложения друг на друга надирных изображений, полученных с помощью воздушных платформ, таких как дроны. RGB-датчики беспилотников обычно используются для недорогой съемки с высоким разрешением, что способствует эффективному созданию ортомозаики, но они захватывают только видимый свет. Тепловые датчики, с другой стороны, захватывают длинноволновое инфракрасное излучение, что полезно для раннего обнаружения вредителей и других применений. Однако эти изображения с низким разрешением страдают от низкой контрастности и отсутствия описательных характеристик для успешного ортомозаики, что приводит к появлению пробелов или артефактов завихрения в ортомозаике. Для решения этой проблемы мы предлагаем рабочий процесс создания тепловой ортомозаики, который использует одновременно полученные RGB-изображения. Последние используются для создания сетки поверхности с помощью структуры из движения, а тепловые изображения используются только для текстурирования этой сетки и получения тепловой ортомозаики. Перед текстурированием пары RGB-тепловизионных изображений проходят совместную регистрацию с использованием аффинного преобразования, полученного с помощью метода машинного обучения. В среднем, взаимная информация отдельных RGB и тепловых изображений достигает 0,2787 после совместной регистрации по нашей методике, по сравнению с 0,0591 до совместной регистрации и 0,1934 при ручной совместной регистрации. Мы показали, что тепловая ортомозаика, созданная с помощью нашего рабочего процесса, (1) имеет лучшее качество, чем другие существующие методы, (2) геометрически выровнена с ортомозаикой RGB, (3) сохраняет радиометрическую информацию (т.е. температуру поверхности) из исходных тепловых снимков, и (4) позволяет легко переносить последующие задачи, такие как определение крон деревьев, с RGB на тепловую ортомозаику. Мы также предоставляем инструмент с открытым исходным кодом, который реализует наш рабочий процесс для облегчения использования и дальнейшего развития.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Китайские ученые предложили новый способ заполнения длинных пропусков в данных ковариационных измерений потоков CO2 с использованием методов машинного обучения

Непрерывные долгосрочные пульсационные измерения (ПИ) потоков CO2 (NEE) в различных наземных экосистемах имеют решающее значение для изучения влияния изменения климата на круговорот углерода в экосистемах. Однако из-за ряда проблем примерно 30-60% годовых данных о потоках, полученных в точках ПИ по всему миру, являются пробелами. Учитывая, что годовой общий NEE в основном определяется вариациями в данных NEE с временными масштабами более одного дня, мы предлагаем новую структуру для заполнения пробелов в данных NEE на основе машинного обучения (ML) и декомпозиции временных рядов (TSD). Новая структура объединяет преимущества моделей ML в прогнозировании NEE с учетом метеорологических и экологических данных и методов TSD в извлечении доминирующих меняющихся тенденций во временных рядах NEE. Используя данные NEE с 25 объектов AmeriFlux, эффективность предложенной системы оценивается в четырех различных искусственных сценариях с длительностью промежутков от одного часа до двух месяцев. Комбинированный подход, включающий случайный лес и скользящее среднее (MA-RF), демонстрирует лучшую производительность по сравнению с другими подходами при заполнении пробелов в NEE в сценариях с различной длиной пробелов. Для сценария с длиной разрыва в семь дней MA-RF улучшает R2 на 34% и снижает среднеквадратичную ошибку (RMSE) на 55%, соответственно, по сравнению с традиционной моделью на основе RF. Улучшение характеристик MA-RF, скорее всего, связано с уменьшением изменчивости данных и сложности вариаций в извлеченных низкочастотных данных NEE. Наши результаты показывают, что предложенная система MA-RF может обеспечить улучшенное заполнение пробелов для временных рядов NEE. Такие улучшенные непрерывные данные NEE могут повысить точность оценок углеродного бюджета экосистемы.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Международный коллектив исследователей оценил эмиссию CO2 домохозяйств, отапливаемых древесным топливом

Сжигание древесного топлива для бытовых нужд часто не рассматривается как источник выбросов парниковых газов (ПГ) от домохозяйств, поскольку выбросы от сжигания древесного топлива могут быть компенсированы CO2, поглощенным ростом леса (в качестве поглотителя углерода) (МГЭИК, 2006). Однако это относится только к древесине, которая заготавливается возобновляемым способом, т.е. со скоростью, не превышающей скорость восстановления леса, из которого она была заготовлена (Drigo et al., 2002). В данной работе оценивается доля выбросов ПГ, связанная с заготовкой невозобновляемого древесного топлива для использования в жилых помещениях, по странам и с глобальным охватом. Она дополняет растущую базу исследований, оценивающих выбросы ПГ по всей агропродовольственной цепочке создания стоимости, от производства сельскохозяйственных ресурсов, через цепочки поставок продовольствия и, наконец, до утилизации отходов (Tubiello et al., 2021). Информация на уровне страны формируется на основе данных Статистического отдела ООН (СООН) и Международного энергетического агентства (МЭА) об использовании древесного топлива домохозяйствами. Мы обнаружили, что в 2019 году годовые выбросы от невозобновляемого древесного топлива, потребляемого для приготовления пищи в домашних хозяйствах, составили около 745 МтСО2-экв. год-1, с неопределенностью от -63 % до +64 %. В целом, глобальные тенденции были результатом уравновешивающих эффектов: увеличение выбросов в основном происходило за счет стран Африки к югу от Сахары, Южной Азии и Латинской Америки, в то время как значительное сокращение наблюдалось в странах Восточной Азии и Юго-Восточной Азии. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) разработала и регулярно поддерживает базу данных, охватывающую выбросы парниковых газов от различных компонентов агропродовольственного сектора, включая деятельность до и после производства, по странам и регионам мира. База данных была разработана в соответствии с руководящими принципами Международной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, 2006), которые позволяют избежать дублирования компонентов сельского, лесного хозяйства и других видов землепользования (AFOLU) и энергетики. Вышеупомянутый набор данных в основном опирается на данные Энергетической статистики UNSD, которые используются в качестве данных о деятельности для расчета выбросов ПГ (Tubiello et al., 2022). Информация, используемая в данной работе, доступна в виде открытых данных на сайте.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data

Коллектив китайских ученых оценил тренды эмиссии CO2 и загрязненяющих примесей в атмосферу в Китае с 2005 по 2021 г.г.

Перед Китаем стоит задача синергетического сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и CO2. Однако исследований о его историческом прогрессе и будущих приоритетах недостаточно. В данном исследовании составлен кадастр выбросов загрязнителей воздуха и CO2 в Китае с 2005 по 2021 год (набор данных ABaCAS-EI v2.0) на основе единой системы источников выбросов с учетом влияния уровня активности, развития технологий и политики контроля выбросов. Характеристики загрязнителей воздуха и выбросов CO2 были всесторонне проанализированы с различных измерений, таких как время, пространство, сектор, а также синергия между загрязнителями воздуха и выбросами CO2. Начиная с 2013 года, политика по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и CO2 не связана с экономическим развитием Китая. В контексте растущего уровня активности корректировка энергетической структуры и экономия энергии и материалов снизили среднегодовые темпы роста выбросов CO2 на 7 % после 2011 года. Исходя из этого, контроль в конце труб обеспечил 51 %-98 % сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу после 2013 года. В семи провинциях (Пекин, Тяньцзинь, Шанхай, Цзилинь, Хэнань, Сычуань и Цинхай) промышленные котлы и жилые дома, сжигающие ископаемое топливо, достигли сокращения выбросов как загрязнителей воздуха, так и CO2 в период 2013-2021 гг. Тенденции снижения как отраслевых, так и региональных коэффициентов выбросов загрязнителей воздуха и CO2 указывают на то, что потенциал синергетического сокращения выбросов в Китае снизился с 2013 по 2021 год. Коэффициенты выбросов в 2021 году показали, что сжигание ископаемого топлива в жилых домах, черная металлургия и транспорт имеют относительно более высокие сопутствующие выгоды от сокращения выбросов SO2, PM2.5, NOx и VOC при сокращении выбросов CO2. Большинство городов с более высоким потенциалом синергетического сокращения выбросов NOx, VOC и CO2 находились в пределах экономического пояса реки Янцзы, а города с более высоким потенциалом совместного контроля SO2 и CO2, PM2.5 и CO2 находились на юге и северо-востоке Китая, соответственно. Дальнейшая декомпозиция секторальных выбросов в 2021 году позволила предложить будущие меры по сокращению выбросов: например, контроль потребления угля в энергетике; продвижение инновационных технологий с низкой интенсивностью выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и меры по экономии угля в черной металлургии; сочетание технологий замены угля и карбоната с мерами по борьбе с отдельными частицами в цементной промышленности; контроль легкового пассажирского транспорта, тяжелых грузовиков, сельскохозяйственной техники и внутреннего водного транспорта в транспортном секторе. Наш набор данных и выводы дают представление о совместном контроле загрязнителей воздуха и выбросов CO2 в будущем в Китае и других странах с таким же спросом. Наш набор данных ABaCAS-EI v2.0 доступен на сайте (S. Li et al., 2022) по видам, секторам и провинциям.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data

Американские исследователи предложили усовершенствованный способ ведения лесного хозяйства в США

Лесоразведение и лесовосстановление на границах экосистем являются природными решениями проблемы изменения климата. Существует пробел в понимании потенциала смягчения воздействия на климат защитных и коммерческих АР с различными комбинациями управления лесными плантациями и путей использования древесины. Здесь мы восполняем этот пробел, используя динамическую, многомасштабную оценку жизненного цикла для оценки смягчения воздействия на парниковые газы (ПГ) в течение одного столетия, обеспечиваемого (традиционными и инновационными) коммерческими и защитными лесными угодьями с различной плотностью посадки и режимами прореживания на маргинальных землях на юго-востоке США. Мы обнаружили, что инновационное коммерческое лесоразведение и лесовосстановление в целом смягчают больше выбросов парниковых газов в течение 100 лет (от 3,73 до 4,15 гигатонн CO2 эквивалента (ГтCO2e)) с помощью перекрестно-ламинированной древесины (CLT) и древесного угля, чем защитные лесополосы (от 3,35 до 3. 69 ГтCO2e) и коммерческие лесные угодья с традиционным производством пиломатериалов (от 3,17 до 3,51 ГтCO2e), особенно в умеренно прохладных и более сухих регионах. В более короткие сроки (≤50 лет) лесоразведение, вероятно, обеспечит более высокое снижение выбросов парниковых газов. В среднем, для одного и того же древесного продукта, плантации низкой плотности без прореживания и плантации высокой плотности с прореживанием смягчают больше парниковых газов в течение жизненного цикла и приводят к более высокому запасу углерода, чем плантации низкой плотности с прореживанием. Коммерческое лесоразведение и лесовосстановление увеличивает запас углерода в стоящих насаждениях, древесной продукции и древесном угле, но это увеличение имеет неравномерное пространственное распределение. В Джорджии (0,38 ГтС), Алабаме (0,28 ГтС) и Северной Каролине (0,13 ГтС) наблюдается наибольшее увеличение запасов углерода, что может быть приоритетным для инновационных коммерческих проектов лесоразведения и лесовосстановления на границах экосистем.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

Британские ученые детально изучили внеклеточную активность энзимов в почве

Прогнозы, касающиеся обратной связи гетеротрофного дыхания почвы с потеплением климата, часто не различают внеклеточные и внутриклеточные этапы, участвующие в разложении органического вещества почвы. В данном исследовании изучалась температурная чувствительность внутриклеточных метаболических процессов и внеклеточной активности почвенных ферментов, а также то, как на них влияет предыдущая температура. Мы предварительно инкубировали почвы при 5, 15 или 26 ∘C для акклиматизации микробных сообществ к различным температурным режимам в течение 60 дней перед измерением потенциальной активности β-глюкозидазы и хитиназы (внеклеточные ферменты), индуцированного глюкозой дыхания (внутриклеточные метаболические процессы) и базального дыхания при различных температурах (5, 15, 26, 37 и 45 ∘C). Более высокая температура преинкубации снижала pH почвы и соотношение, а также снижала потенциальную активность β-глюкозидазы и дыхание, но не потенциальную активность хитиназы. Вполне вероятно, что этот эффект наследия на β-глюкозидазу и дыхание является косвенным эффектом истощения субстрата, а не физиологической акклиматизации или генетической адаптации. Влияние температуры перед инкубацией на чувствительность к температуре было незначительным и ограничивалось внеклеточной активностью, возможно, из-за короткой (60 дней) продолжительности предынкубации при температуре, которая была ниже начального оптимума (∼ 30 ∘C) для мезофильного почвенного сообщества. Однако мы обнаружили, что внутриклеточные и внеклеточные этапы отличаются по своей температурной чувствительности, и это наблюдение различается в зависимости от диапазона температур, используемых для оценки температурной чувствительности Q10. Между 5 и 15 ∘C внутриклеточные и внеклеточные процессы демонстрируют одинаковую температурную чувствительность, но между 15 и 26 ∘C внутриклеточные метаболические процессы были более чувствительны к температуре, чем активность внеклеточных ферментов, а между 26 и 37 ∘C активность внеклеточных ферментов была более чувствительна к температуре, чем внутриклеточные метаболические процессы. Этот результат предполагает, что деполимеризация более высокомолекулярного углерода более чувствительна к изменениям температуры при более высоких температурах (например, более высоких температурах в чрезвычайно теплые дни), но дыхание образовавшихся мономеров более чувствительно к изменениям температуры при умеренных температурах (например, среднесуточной максимальной температуре почвы). Однако для обобщения наших результатов необходимы исследования с использованием нескольких типов почв и большего диапазона температур до инкубации. Тем не менее, поскольку прогнозы изменения климата в настоящее время указывают на увеличение частоты и силы жаркого лета и тепловых волн, возможно, что глобальное потепление может снизить важность внеклеточной деполимеризации по сравнению с внутриклеточными метаболическими процессами в качестве лимитирующего этапа минерализации органического вещества почвы. Мы пришли к выводу, что внеклеточные и внутриклеточные этапы неодинаково чувствительны к изменениям температуры почвы и что предыдущая температура, которой подвергалась почва, может влиять на потенциальную активность, но не на чувствительность к температуре, внеклеточных и внутриклеточных процессов.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences