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

Новости проекта

Китайские ученые оценили выбросы N2O из водных экосистем

Эмиссия закиси азота (N2O) из водных экосистем растет в связи с резким увеличением глобального поступления химически реактивного азота в результате антропогенной деятельности (например, использования азотных удобрений в сельском хозяйстве). Однако в оценке бюджетов N2O в водной среде существуют неопределенности, связанные с ограниченными знаниями о механизмах, участвующих в эмиссии N2O в водной среде, а также с измерениями и моделированием потоков N2O. Для получения полной картины водных выбросов N2O в данном обзоре рассматриваются биотические и абиотические механизмы, участвующие в водных выбросах N2O, общие методы, используемые для измерения водных потоков N2O (включая методы полевых измерений и математического моделирования), и альтернативные варианты оценки водного бюджета N2O. Кроме того, в данном обзоре высказывается мнение о перспективности применения технологии стабильных изотопов для разделения источников N2O в водной среде.

Исследование опубликовано в журнале Atmosphere

Американский исследователь изучил низкоуглеродные технологии проектирования и строительства

В данной статье представлен комплексный обзор низкоуглеродных материалов и строительных технологий, широко используемых в вернакулярных зданиях. Исследование подчеркивает актуальность традиционной архитектуры в контексте перехода к устойчивым методам строительства. Для идентификации регионов, где распространена традиционная архитектура, используется комбинация карты климатических зон, карты типов традиционных языков и карты континентов. Рассматриваются восемь биологических низкоуглеродных материалов, в том числе дерево, саман, трамбованная земля, початок, дерн, солома, бамбук и соломенные тюки, а также их характеристики, доступность и воздействие на окружающую среду. Объясняются технологии строительства из этих материалов, подчеркивается их простота, экономичность и адаптивность. В статье также рассматриваются два важных подхода к проектированию: проектирование с учетом разборки и проектирование с учетом модульности, которые использовались в традиционном строительстве. Обзор показал, что использование низкоуглеродных материалов и строительных технологий, заимствованных из народной архитектуры, может способствовать минимизации отходов, снижению воздействия на окружающую среду и развитию циркулярной экономики в строительной отрасли. Данное исследование дает ценную информацию для архитекторов, инженеров и политиков, ищущих устойчивые альтернативы в строительном секторе.

Исследование опубликовано в журнале Climate

Американские ученые оценили микробные модели для моделирования динамики углерода в почве

Почвы хранят наибольшее количество углерода в биосфере, и пул углерода в почве имеет решающее значение для глобального баланса углерода. За последние несколько десятилетий было разработано множество микробных моделей для представления микробных процессов, регулирующих реакцию органического углерода почвы SOC на изменение климата. Однако представление микробных процессов различно, и то, как микробные процессы включаются в модели SOC, изучено недостаточно хорошо. Здесь мы рассмотрели 71 микробную модель, чтобы охарактеризовать микробные процессы, включенные в модели SOC, и проанализировать различия в механической сложности. Мы выявили, что (а) в микробные модели обычно включаются четыре процесса (микробно-опосредованное разложение, взаимодействие минералов, переработка микробной некромассы, динамика активных и спящих микроорганизмов), (б) ∼48% моделей моделируют только один микробный процесс (т.е, (b) ∼48% моделей моделируют только один микробный процесс (например, микробное разложение) и 35% моделей моделируют два микробных процесса: например, микробно-опосредованное разложение и взаимодействие минералов, (c) более 80% микробных моделей используют нелинейные уравнения, такие как прямая кинетика Михаэлиса-Ментен, для представления разложения SOC, (d) концепция сохранения SOC благодаря его внутренним свойствам была заменена органо-минеральным взаимодействием (∼39% микробных моделей), которое защищает SOC от разложения, и (e) для объяснения влияния окружающей среды на микробные процессы использовались различные модификаторы температуры и влажности, а также эффекты pH. В будущем, чтобы реалистично включить микробные процессы в модели системы Земли, необходимо выявить экспериментальные данные о процессах ограничения скорости и обосновать структуру модели на полевых и лабораторных данных.

Исследование опубликовано в журнале JGR: Biogeosciences

Международный коллектив ученых проанализировал пространственные и сезонные изменения растворенного метана в озерах

Озера перерабатывают большие объемы органического углерода (ОC), являются важными источниками метана CH4 и способствуют потеплению климата. Однако существует недостаток данных по крупным озерам площадью >500 км2 , что создает неопределенность в глобальных бюджетах. В данной статье мы приводим данные по растворенному CH4, измерениям биореактивности OC, химическому составу воды и объемам водорослей на 11 станциях озера Меларен, третьего по величине (1074 км2) шведского озера. Концентрации общего фосфора показывают, что в течение исследуемого периода озеро относилось к мезотрофным/эвтрофным. Общая средняя концентрация CH4 по всем станциям, пробы с которых отбирались пять раз для учета сезонных колебаний, составила 2,51 мкг л-1 (0,98-5,39 мкг л-1). Существенной сезонной изменчивости не наблюдалось, хотя летом диапазоны были наибольшими. Концентрация CH4 была наибольшей на мелководье вблизи антропогенных источников биогенных веществ, в то время как в более глубоких центральных водоемах она была ниже. Метан положительно коррелировал с показателями продуктивности озер (хлорофилл a, общий фосфор), отрицательно - с глубиной воды и концентрацией кислорода, причем кислород оказался единственным значимым фактором в линейной модели со смешанными эффектами. Мы сопоставили данные по другим озерам площадью более 500 км2 (n = 21) и обнаружили значительную отрицательную связь между площадью поверхности и средней концентрацией CH4. Крупные озера остаются малоизученным участником глобального цикла CH4, и будущие исследования должны быть направлены на количественную оценку пространственно-временных изменений их диффузионных и пузырьковых выбросов, а также связанных с ними факторов.

Исследование опубликовано в журнале JGR: Biogeosciences

Китайские ученые предложили улучшение оценки надземной биомассы леса

Леса играют важную роль в наземных экосистемах, поглощая углерод, а биомасса лесов является важнейшим показателем потенциала накопления углерода. Однако одночастотная SAR-оценка биомассы леса часто приводит к проблемам насыщения. Цель данного исследования - улучшить возможности оценки надземной биомассы леса (AGB) путем отбора признаков на основе механизма рассеяния и анализа чувствительности, а также использования непараметрической модели, сочетающей преимущества двухчастотных данных SAR. В данной работе на основе данных GF-3 и ALOS-2 изучается механизм рассеяния в хвойном лесу с использованием результатов декомпозиции цели и метода статистики пикселей. В результате выбора подходящих признаков (коэффициентов обратного рассеяния и поляризационных параметров) и использования моделей пошаговой регрессии и непараметрической модели (адаптивного генетического алгоритма "случайный лес" (RF-AGA)) было установлено, что модель RF-AGA с выбором признаков демонстрирует хорошие результаты оценки AGB без явного насыщения. Доминирующим механизмом было объемное рассеяние, за ним следовало поверхностное рассеяние, а доля двускачкового рассеяния была наименьшей. Данное исследование подчеркивает перспективность изучения механизмов рассеяния, коэффициентов чувствительности и выбора параметров в данных SAR C- и L-диапазонов для улучшения оценки AGB лесов.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Междунуродный коллектив ученых предложил новый подход к сопоставлению отдельных деревьев с аэрофотоснимками и данными бортового лидара

Интеграция мультимодальных данных дистанционного зондирования позволяет оптимизировать точность картографирования отдельных деревьев. Однако одна из проблем, которая не является тривиальной, но обычно упускается из виду в предыдущих исследованиях, - это пространственное несоответствие отдельных деревьев между наборами данных дистанционного зондирования, особенно при различных модальностях съемки. Такие ошибки смещения одного и того же дерева на разных данных, прошедших геометрическую коррекцию, могут привести к существенным неточностям в приложениях. В данном исследовании мы предлагаем новый подход к сопоставлению отдельных деревьев на аэрофотоснимках и данных LiDAR. Для этого мы сначала использовали максимальное перекрытие крон деревьев в локальной области для определения правильного и оптимального вектора смещения, а затем использовали вектор смещения для исправления несоответствия положения отдельных деревьев. Наконец, мы сравнили предложенный нами подход с широко используемым методом автоматической регистрации изображений. Для оценки эффективности результатов мы использовали коэффициент сопряжения (процент правильно сопоставленных деревьев) и точность сопоставления (степень перекрытия между правильно идентифицированными деревьями). Мы оценивали эффективность нашего подхода на шести типичных ландшафтах, включая широколиственный лес, хвойный лес, смешанный лес, деревья на обочинах дорог, садовые деревья и деревья в парках. По сравнению с традиционным методом средний коэффициент сопряжения отдельных деревьев для всех шести ландшафтов увеличился с 91,13% до 100,00% (p = 0,045, t-test), а средняя точность сопряжения возросла с 0,692 ± 0,175 (стандартное отклонение) до 0,861 ± 0,152 (p = 0,017, t-test). Наше исследование показало, что предложенный подход к сопоставлению деревьев значительно повышает точность регистрации отдельных деревьев на аэрофотоснимках и данных аэролидарной съемки.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Международный коллектив ученых предоставил сравнение реакции лесов и лугов на засуху, полученной на основе наблюдений Земли

Леса умеренной зоны и луга имеют различные стратегии реагирования на засуху. Деревья часто контролируют открытие стоматов, чтобы уменьшить потерю воды для предотвращения гидравлической недостаточности и обеспечения устойчивого производства надземной биомассы. В отличие от них, у трав, как правило, не так сильно выражен стомальный контроль, и они поддерживают высокий уровень фотосинтеза и транспирации до тех пор, пока почвенная влага не истощится. В это время листья увядают, и луга сокращают свою надземную зеленую биомассу. Как усиление стоматального контроля, так и уменьшение надземной биомассы снижают приповерхностную проводимость полога и уменьшают обмен водой и углеродом между листьями и атмосферой. В данной работе мы изучаем, в какой степени данные дистанционного зондирования отражают вызванное засухой снижение приповерхностной проводимости лесов и лугов. Для определения проводимости мы используем данные вихревых ковариационных наблюдений на 63 участках в Северном полушарии. Мы определяем сильные засухи по низкому содержанию влаги в почве и снижению поверхностной проводимости полога. Далее мы проанализировали, как реакция на засуху отражается в тепловых и оптических данных, полученных со спутника MODIS. Полученные результаты показывают, что температура поверхности земли повышается при снижении проводимости поверхности полога, вызванном засухой, как для лесов, так и для лугов. Напротив, оптические индексы (например, нормализованный разностный вегетационный индекс) демонстрируют гораздо более сильную реакцию лугов по сравнению с лесами. Мы пришли к выводу, что различные стратегии реагирования на засуху на уровне полога деревьев и трав широко распространены и что эти различные реакции отражаются в данных дистанционного зондирования. Таким образом, для мониторинга и изучения реакции растительности на засуху в лесах и на лугах необходимо использовать комбинацию тепловых и оптических спутниковых данных, чтобы сделать точные выводы о влиянии на потоки воды, энергии и углерода.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Международный коллектив ученых предложил улучшить модель для оценки GPP с учетом затененных и освещенных солнцем листьев

В последнее время перспективным инструментом для оценки первичной продукции (GPP) является индуцированная солнцем флуоресценция хлорофилла (SIF). Фотосинтез постепенно насыщается с увеличением освещенности, но флуоресценция имеет тенденцию к постоянному росту, что приводит к нелинейной зависимости SIF-GPP. Эта нелинейность проявляется для освещенных солнцем листьев, но не для затененных, для которых фотосинтез лимитирован светом. Однако разделение SIF на освещенные и затененные не было систематически исследовано при оценке GPP по SIF. Поэтому перспективно разработать модель для оценки GPP с учетом таких различий. В данной работе предложен подход к разделению суммарной эмиссии SIF под пологом (SIFtotal) из SIF прибора TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) на их освещенную солнцем и затененную составляющие (SIFsun и SIFshade). Нелинейность и линейность взаимосвязи SIF-GPP для освещенных и затененных листьев были учтены в двухлистной гибридной модели, которая была подогнана по данным потоковой башни и затем оценена с помощью валидации по принципу "один раз на один". Мы также выяснили различия во взаимосвязях SIF-GPP между освещенными и затененными листьями с помощью модели SCOPE (Soil-Canopy-Observation of Photosynthesis and the Energy Balance). По сравнению с ранее использовавшимися линейной (R2 = 0,68, RMSE = 2,13 гС м-2 сут-1) или гиперболической (R2 = 0,72, RMSE = 2,01 гС м-2 сут-1) моделями, основанными на предположении о большом листе, предложенная нами гибридная модель двух листьев имеет лучшие показатели для оценки GPP (R2 = 0,77, RMSE = 1,79 гС м-2 сут-1). Мы также применили эту двухлистовую гибридную модель для оценки глобальной GPP в течение основного вегетационного периода в Северном полушарии, которая оказалась высококоррелированной с несколькими существующими продуктами GPP, с R2 в диапазоне от 0,79 до 0,88. Эти результаты улучшат наше понимание взаимосвязи между SIF и GPP для освещенных и затененных листьев и будут способствовать применению спутниковых данных SIF для оценки GPP.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Американские ученые оценили валовую первичную продуктивность солончаков по данным дистанционного зондирования

Солончаки - высокопродуктивные экосистемы, имеющие значение для оценки "голубого углерода", однако информация для оценки валовой первичной продуктивности (GPP) по данным дистанционного зондирования (ДЗ) ограничена. Солончаки умеренной зоны характеризуются сезонными изменениями структуры полога и метаболизма, определяющими различные фенологические фазы полога, показатели GPP и спектральную отражательную способность. Мы объединили многолетние данные ДЗ (т.е. PhenoCam, дискретные гиперспектральные измерения и автоматические датчики спектрального отражения) с данными о GPP, полученными на основе вихревой ковариации. Мы проверили эффективность эмпирических моделей для прогнозирования GPP по 12 общим вегетационным индексам (ВИ) (например, NDVI, EVI, PSRI, GCC), индуцированной солнцем флуоресценции (SIF) и отражению из различных областей электромагнитного спектра (например, VIS-IR, RedEdge, IR и SIF) в течение годового цикла и фенологических фаз полога (например, зеленение, зрелость, сенесценция и спящий период). Индекс отражения сенесценции растений (PSRI) по гиперспектральным данным и индекс зелености (GCC) по данным PhenoCam показали наиболее тесную связь с суточным GPP в течение годового цикла и в пределах фенологических фаз (r2=0,30-0,92). Информация из видимой-инфракрасной электромагнитной области (VIS-IR) в сочетании с методом частичного наименьшего квадрата (PLSR) показала наибольшую согласованность данных и модели с GPP, в основном благодаря тому, что она реагирует на физиологические и структурные изменения в пологе, по сравнению с индексами (например, GCC), которые реагируют в первую очередь на изменения в зеленом цвете полога. Наиболее значимыми электромагнитными областями для моделирования GPP оказались области ∼550 нм и ∼710 нм. Фенологические фазы полога создают трудности для моделирования GPP с помощью ВИ и метода PLSR, особенно в периоды зрелости, сенесценции и покоя. По мере увеличения числа вихревых ковариационных площадок на солончаках можно будет широко опробовать применение ССБ. Наши результаты свидетельствуют о возможности использования отражательной способности полога в видимой области спектра для моделирования годового GPP на солончаках как пример достижений сети AmeriFlux.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Российские ученые предоставили новые результаты использования данных дистанционного зондирования Земли в задаче управления агротехнологией

Цель настоящей работы заключается в представлении новых результатов использования данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в задаче управления агротехнологией в реальном времени. Основной причиной низкой эффективности современных технологий точного земледелия стало отсутствие адекватной теории управления агротехнологиями. При этом при создании такой теории должен учитываться тот факт, что объект управления, которым выступает агротехнология, включает в себя агроценоз, в котором кроме посева культуры содержатся и сорные растения. Неучёт этого фактора приводит к ухудшению эффективности управления, снижению продуктивности посева и перерасходу минеральных удобрений и гербицидов. В настоящей работе впервые представлена полная теория управления состоянием агроценоза. Эта теория позволяет получать заданный урожай с требуемой надёжностью. Такое управление формируется на основе оценок параметров состояния посева культуры и сорных растений, формируемых по данным ДЗЗ в реальном времени. В основе представленной теории лежат новые математические модели параметров состояния сельскохозяйственных культур, почвенной среды, сорных растений, а также модели связи этих параметров с данными ДЗЗ. Факторами управления в агротехнологии представляются минеральные удобрения, гербициды и орошение. Естественно, параметрами технологических операций выступают дозы вносимых минеральных удобрений и гербицидов, а также нормы орошения. Эти операции проводят при наступлении определённых фенологических фаз посева сельскохозяйственных культур. Данные дистанционного зондирования вводятся именно в такие моменты времени, когда на их основе оцениваются параметры состояния посевов и сорных растений. Представленная теория основана на классических принципах управления, используемых в современных динамических системах. Согласно предложенной теории был разработан специализированный программный комплекс, с помощью которого система управления была апробирована на примере посева яровой пшеницы.

Исследование опубликовано в журнале Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса