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

Новости проекта

Международный коллектив ученых исследовал автотрофное и гетеротрофное дыхание растений на болоте

Северные торфяники являются глобально значимыми хранилищами углерода, однако мощность поглотителя меняется из года в год в связи с изменениями условий окружающей среды. Экосистемное дыхание (ER) состоит из автотрофного дыхания (AR), которое обеспечивается частями растений, и гетеротрофного дыхания (HR), которое обеспечивается микробными бактериями в почве, грибами и т.д. Ручные измерения позволяют лишь грубо разделить AR и HR, что может привести к ошибочным оценкам, если изменение благоприятствует одной форме дыхания по сравнению с другой, и может повлиять на нашу интерпретацию величины дыхания. Также считается, что HR в большей степени связан с динамикой растительности, особенно в более влажных экосистемах с преобладанием осоки, таких как болота. Неизвестно, влияют ли такие взаимодействия между растениями и почвой и корнями на HR в торфяниках с преобладанием древесных кустарников, где уровень грунтовых вод расположен дальше от поверхности. Целью данного исследования было: 1) определить вклад AR и HR на омбротрофном болоте Мер-Блё; 2) изучить, как условия окружающей среды влияют на HR и его компоненты; 3) определить, как различные методологические подходы (например, прямое измерение дыхания с помощью автоматических камер и экстраполяционные расчеты) могут влиять на интерпретацию величины дыхания; 4) сравнить динамику дыхания с данными, приведенными в литературе для других типов торфяных болот. Полученные нами результаты выявили различия во вкладах AR и HR в ER по сравнению с другими типами торфяников, о которых сообщалось в литературе. Соотношение AR/HR составило 3,0, а вклад AR в ER составил ∼75% на исследуемом нами болоте, что в целом выше, чем вклад AR в болотах, но при этом существенно снижался в продолжительные засушливые периоды. Вклад HR увеличивался с повышением температуры и глубины залегания грунтовых вод. Непосредственно измеренный ER был меньше, чем когда ER оценивалась по зависимости ночного времени суток от температуры. Величина ER изменялась в зависимости от биомассы растений, что, по нашему мнению, является результатом динамики растительности, влияющей на HR. Результаты данного исследования улучшили наше понимание круговорота углерода в торфяниках, а также концепцию HR.

Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Earth Science.

Британские ученые описали законодательные ограничения на сокращение выбросов CO2

Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) указала, что для удержания глобального потепления на уровне 1,5°C в соответствии с целями Парижского соглашения 2015 г. необходимо сократить глобальные выбросы углекислого газа CO2 до чистого нуля примерно к середине столетия. Эта глобальная цель может быть достигнута путем реализации различных технологически осуществимых путей снижения выбросов, однако разнообразие возможных стратегий создает правовую и политическую неопределенность в отношении требуемых государствами сокращений выбросов. Пути различаются темпами валового и чистого сокращения выбросов CO2, соответствующей зависимостью от удаления CO2 (CDR) для того, чтобы оставаться в пределах совокупного лимита выбросов, налагаемого глобальной температурной целью, а также типом CDR, который они собираются использовать. В преддверии Конференции ООН по климату (COP28), которая состоится в этом году в Дубае, мы представляем научные и юридические основания для аргументации того, что пути сокращения выбросов, в значительной степени зависящие от CDR, могут противоречить нормам и принципам международного права.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Международный коллектив ученых изучил влияние сокращения глобальных выбросов твердых отходов для борьбы с потеплением

Ни в одном глобальном анализе не рассматривался вопрос о том, какого потепления можно избежать за счет совершенствования системы обращения с твердыми отходами и насколько это может способствовать достижению целей Парижского соглашения, касающихся 1,5° и 2°C, или условий Глобального обещания по метану. С учетом того, что, по нашим оценкам, к 2050 году объем образования твердых отходов в мире составит от 2,56 до 3,33 млрд. тонн, внедрение резких технических и поведенческих изменений может привести к созданию системы твердых отходов с нулевым потеплением по сравнению с 2020 годом, что позволит сократить выбросы углекислого газа, эквивалентные потеплению, на 11-27 млрд. тонн при установленных температурных ограничениях. Однако эти изменения требуют ускоренного внедрения в течение 9-17 лет (к 2033-2041 гг.), чтобы соответствовать Глобальному обещанию по метану. Быстрое сокращение выбросов метана, диоксида углерода и закиси азота необходимо для получения максимального краткосрочного климатического эффекта и остановки продолжающегося роста температуры.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Американские ученые оценили источники выбросов метана и углекислого газа с использованием наблюдений из космоса

Выбросы углекислого газа и метана являются двумя основными антропогенными агентами, усиливающими климат, и важным источником неопределенности в глобальном углеродном бюджете. Неопределенность еще более возрастает, когда выбросы происходят в мелких пространственных масштабах (<1 км), что затрудняет их атрибуцию. Мы представляем первые наблюдения, полученные с помощью спектрометра НАСА "Исследование источников минеральной пыли на поверхности Земли" (EMIT), которые показывают количественную оценку и атрибуцию мелких источников метана (от 0,3 до 73 тCH4 час-1) и углекислого газа (от 1571 до 3511 тCO2 час-1) в нефтегазовом, мусорном и энергетическом секторах. Для отдельных стран, наблюдавшихся в течение первых 30 дней работы EMIT, выбросы метана различались в региональном масштабе, причем наибольшие суммарные выбросы наблюдались в Туркменистане (731 ± 148 тCH4 час-1). Эти результаты свидетельствуют о вкладе существующих и планируемых точечных источников в пополнение глобального углеродного бюджета. Первый взгляд на выбросы метана и углекислого газа, наблюдаемые с помощью прибора для изучения источников минеральной пыли на поверхности Земли (EMIT).

Исследование опубликовано в журнале Science.

Китайские ученые представили прототип сети координированных наблюдений за углеродом с помощью БПЛА

В данной работе мы представляем недавно разработанный нами прототип сети координированных наблюдений за углеродом с помощью БПЛА (LUCCN), основанный на измерении и самоадаптации. Сеть LUCCN состоит из двух категорий приборов, включая наземные и беспилотные измерения in-situ. В наземных и беспилотных приборах используется недорогой недисперсионный инфракрасный датчик GMP343. Первая комплексная измерительная кампания была проведена 4 мая 2023 года в Шэньчжэне (Китай). В ходе кампании было установлено, что беспилотный компонент LUCCN имеет значительные преимущества в сборе данных по сравнению с наземным аналогом благодаря относительно большим высотам расположения точечных источников выбросов, что особенно наглядно проявилось на газовой электростанции в Шэньчжэне. Поток выбросов рассчитывался методом поперечного потока, результаты которого отличались от данных открытого кадастра антропогенного углекислого газа. Результат CSF оказался несколько больше других из-за низкой частоты дискретизации всего сечения выбросов. Система LUCCN будет применяться в будущих кампаниях углеродного мониторинга для увеличения пространственно-временного охвата информации об эмиссии углерода, особенно в сценариях, связанных с обнаружением менее масштабных, быстро меняющихся источников и поглотителей.

Исследование опубликовано в журнале Advances in Atmospheric Sciences.

Китайские ученые путем наблюдений изучили функцию поглощения углерода в субальпийских лесах Цинхай-Тибетского нагорья

Субальпийские леса на Цинхай-Тибетском плато (ЦТП) выступают в качестве поглотителей углерода в контексте изменения климата и динамики экосистем. В данном исследовании мы изучили функцию поглощения углерода, используя данные натурных наблюдений вихревой ковариационной системы для субальпийских лесов. С помощью двухлетних непрерывных наблюдений были определены факторы, определяющие сезонные изменения потенциала поглощения углерода. Сначала мы выявили сезонные особенности динамики углерода в субальпийских лесах в периоды роста и покоя, соответственно. Суточный обмен углерода демонстрировал значительные колебания, достигая 10,78 мкмоль CO2 с-1 м-2 (12:30, осень). Период с лета по осень был определен как пик скорости поглощения углерода в субальпийских лесах. Затем мы изучили климатические факторы, влияющие на функцию поглощения углерода. Было установлено, что фотосинтетически активная радиация (ФАР) является основным климатическим фактором, определяющим чистый экосистемный обмен (ЧЭО) в течение одного и того же сезона, существенно влияющим на рост леса и поглощение углерода. Увеличение высоты над уровнем моря негативно влияет на поглощение углерода в региональном масштабе, а повышение годовой температуры значительно увеличивает поглощение углерода, в то время как среднегодовое количество осадков оказывает незначительное влияние на NEE. В годовом масштабе наблюдения в субальпийских лесах продемонстрировали сильную способность к поглощению углерода со средним значением NEE 389,03 гС м-2. Кроме того, мы провели приблизительную оценку состояния поглощения углерода субальпийскими лесами в ЦТП. Несмотря на проблемы, вызванные изменением климата, эти леса обладают огромным потенциалом поглощения углерода. В настоящее время они представляют собой наиболее надежную экосистему, поглощающую углерод в ЦТП. Мы пришли к выводу, что усиление охраны и управления субальпийскими лесами при будущих сценариях изменения климата окажет положительное влияние на глобальный круговорот углерода и будет способствовать смягчению последствий изменения климата. Кроме того, данное исследование позволяет понять механизм круговорота углерода в экосистемах плато и глобальный углеродный баланс.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Ученые из Колумбии оценили влияние климатически оптимизированных методов ведения сельского хозяйства на накопление углерода в почве

Климатически грамотные методы ведения сельского хозяйства в последнее время привлекают большое внимание благодаря своему потенциалу по смягчению последствий изменения климата за счет связывания атмосферного углерода. Несмотря на энтузиазм в отношении климатически умных методов, существует мало доказательств того, что они более эффективны в извлечении углерода из атмосферы и его хранении в почве, чем существующие методы. Мы предположили, что поле, где применяются перспективные методы (ASP) (т.е. необрабатываемый севооборот кукуруза-соя-пшеница-сено с покровными культурами), будет накапливать больше почвенного органического углерода (SOC) по сравнению с обычным полем (BAU) (т.е. традиционная обработка почвы, севооборот кукуруза-соя-пшеница-соя). Мы использовали глубокие почвенные керны (1 м) для оценки изменений органического углерода почвы (ΔSOC) между 2016 и 2022 годами для двух полей и сравнения с оценками, основанными на расчете ΔSOC по вихревой ковариации. Мы обнаружили, что на поле ASP ΔSOC был положительным и большим, чем на поле BAU. И метод почвенных образцов (ΔSOCSS), и метод вихревой ковариации (ΔSOCEC) согласны с этим, но величина ΔSOC была намного больше при оценке по почвенным образцам (ΔSOCSS составляла 1. 9 ± 1,7 % год-1 и -0,7 ± 1,3 % год-1 на ASP и BAU соответственно), чем при использовании вихревой ковариации (ΔSOCEC - 0,80 ± 0,09 % год-1 и 0,12 ± 0,06 % год-1 на ASP и BAU соответственно). Наконец, мы использовали непрерывные измерения потоков углерода, полученные с помощью вихревых ковариационных башен, чтобы изучить, как природоохранные практики (покровные культуры, нулевая обработка почвы или расширенный севооборот) привели к увеличению накопления углерода. Мы обнаружили, что неубранные покровные культуры добавляют углерод в почву, что компенсирует чистые потери углерода, которые в противном случае снижают накопление углерода в почве, когда поле находится под паром. Расширенный севооборот также влияет на бюджет углерода в агроэкосистемах. Результаты этого исследования иллюстрируют ценность природоохранных практик в условиях меняющегося климата и ценность вихревых ковариационных измерений для оценки климатически грамотных практик.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Международный коллектив ученых обобщил наборы данных для количественной оценки глобального углеродного бюджета

Точная оценка антропогенных выбросов углекислого газа CO2 и его перераспределения между атмосферой, океаном и наземной биосферой в условиях меняющегося климата крайне важна для лучшего понимания глобального углеродного цикла, поддержки разработки климатической политики и прогнозирования будущих изменений климата. Здесь мы описываем и обобщаем наборы данных и методологию для количественной оценки пяти основных компонентов глобального углеродного бюджета и их неопределенности. Интенсивность антропогенных эмиссий ископаемого CO2 EFOS основаны на статистике энергопотребления и данных о производстве цемента, а эмисий от изменения землепользования ELUC (в основном от обезлесения) основаны на данных о землепользовании и изменениях в землепользовании и моделях бухгалтерского учета. Концентрация CO2 в атмосфере измеряется напрямую, а скорость ее роста GATM рассчитываются на основе ежегодных изменений концентрации. Интенсивность поглощения CO2 океаном SOCEAN оценивается с помощью моделей биогеохимии глобального океана и продуктов CO2, полученных на основе наблюдений. Интенсивность поглощения CO2 наземными экосистемами SLAND оценивается с помощью динамических глобальных моделей растительности. Дополнительные данные о поглотителях на суше и в океане получены с помощью атмосферных инверсий, измерений кислорода в атмосфере и моделей системы Земли. Полученный дисбаланс углеродного бюджета BIM - разница между оценкой интенсивностей суммарными выбросами и оцененными изменениями в атмосфере, океане и наземной биосфере - является мерой несовершенства данных и неполного понимания современного углеродного цикла. Все неопределенности представлены в виде ±1σ.

В 2022 году EFOS увеличился на 0,9 % по сравнению с 2021 годом, интенсивность эмиссий от ископаемого топлива составила 9,9±0,5 ГтС год-1 (10,2±0,5 ГтС год-1 без учета вклада карбонизации цемента), ELUC - 1,2±0,7 ГтС год-1, а общая антропогенная эмиссия CO2 (включая интенсивность вклада карбонизации цемента) составила 11,1±0,8 ГтС год-1 (40,7±3,2 ГтCO2 год-1). Кроме того, для 2022 года GATM составил 4,6±0,2 ГтС год-1 (2,18±0,1 ppm год-1; ppm - частей на миллион), SOCEAN - 2,8±0,4 ГтС год-1, а SLAND - 3,8±0,8 ГтС год-1 с BIM -0,1 ГтС год-1 (т.е. общая оценка интенсивности источников незначительно занижена или интенсивности поглотителей незначительно завышена). Глобальная концентрация CO2 в атмосфере, усредненная за 2022 год, достигла 417,1±0,1 ppm. Предварительные данные на 2023 год предполагают увеличение EFOS по сравнению с 2022 годом на +1,1 % (от 0,0 % до 2,1 %) в глобальном масштабе, а концентрация CO2 в атмосфере достигнет 419,3 ppm, что на 51 % выше доиндустриального уровня (около 278 ppm в 1750 году). В целом, среднее значение и тенденция изменения компонентов глобального углеродного бюджета последовательно оцениваются в период 1959-2022 годов, при этом общий дисбаланс бюджета близок к нулю, хотя расхождения до 1 ГтС год-1 сохраняются для годовой и межгодовой изменчивости потоков CO2. Сравнение оценок, полученных с помощью различных подходов и наблюдений, показывает следующее: (1) сохраняющаяся большая неопределенность в оценке выбросов, связанных с изменениями в землепользовании, (2) низкое согласие между различными методами в отношении величины потока CO2 на суше в северных экстратропиках, и (3) расхождение между различными методами в отношении силы океанического поглощения за последнее десятилетие.

Это обновление "живых данных" отражает изменения в методах и наборах данных, применяемых для составления последнего глобального углеродного бюджета, а также меняющееся понимание сообществом глобального углеродного цикла.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.

Международный коллектив ученых изучил взаимосвязь между поглощением углерода и биоразнообразием

Восстановление лесных ландшафтов стало одной из ключевых стратегий связывания атмосферного углерода и сохранения биоразнообразия, обеспечивая при этом дополнительные выгоды для коренных народов и местных общин. Используя набор данных о 314 лесных коммунах в антропогенных ландшафтах в 15 тропических странах Африки, Азии и Латинской Америки, мы изучаем взаимосвязь между поглощением углерода в надземной древесной биомассе, видовым богатством деревьев и средствами к существованию в лесу. Мы обнаружили пять различных кластеров лесных достояний, имеющих совместные выгоды и компромиссы по многим параметрам. Наличие формальной ассоциации управления общиной и участие местных жителей в принятии решений являются последовательными предикторами многочисленных положительных результатов. Эти выводы, сделанные на основе различных глобальных контекстов, свидетельствуют о том, что расширенное местное управление лесами может способствовать достижению многочисленных целей восстановления лесов. Наш анализ углубляет понимание институциональных аспектов восстановления и подчеркивает важность анализа взаимосвязей между многочисленными благами леса для обоснования эффективных мер по восстановлению многофункциональных тропических лесов.

Исследование опубликовано в журнале Nature climate change.