Дайджест за сентябрь 2024 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Венгерские учение измерили содержания углекислого газа в атмосфере на территории Венгрии за несколько десятилетий

В статье рассматривается и оценивается 30-летний ряд данных по содержанию CO2 в атмосфере, измеренных на станции мониторинга парниковых газов на высокой башне Хегхацал, которая является членом Глобальной службы наблюдения за атмосферой (GAW) Всемирной метеорологической организации (ВМО), Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) и панъевропейской Интегрированной системы наблюдения за углеродом (ICOS). В статье также дается техническое описание системы мониторинга и ее изменений с течением времени, представлено окружение станции. На этой низкорасположенной (248 м над средним уровнем моря - м а.м.с.л.) среднеконтинентальной станции в Центральной Европе наблюдается смещение на 3,90 ± 0,83 млн-1 относительно репрезентативной в широтном направлении эталонной концентрации в морском пограничном слое, что предположительно связано с чистыми антропогенными выбросами в Европе. Долгосрочный тренд (2,20 млн-1 год-1) в точности повторяет глобальные тенденции. В скорости роста концентрации четко прослеживается эффект Эль-Ниньо-Южного колебания с задержкой в 6-7 месяцев. Летняя суточная амплитуда концентрации немного уменьшается из-за более быстрого, чем в среднем, увеличения ночных концентраций, что связано с потеплением климата. Потепление климата также вызвало опережение на 0,96 ± 0,41 сут год-1 в начале летнего сезона дефицита CO2 в первой половине периода измерений, которое в дальнейшем не продолжалось. Летний сезон дефицита CO2 удлинился на 9,0 ± 6,1 сут. в течение периода измерений.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Международный коллектив ученых изучил комплексные почвенно-атмосферные засухи и потоки CO2 в смешанных лиственных лесах

В условиях глобального потепления леса все чаще подвергаются воздействию "комбинированной почвенно-атмосферной засухи" (КПАЗ), характеризующейся низким содержанием воды в почве SWC и высоким дефицитом давления пара VPD. Такие события КПАЗ вызывают ответные реакции как в экосистеме, так и в потоках CO2 в лесной подстилке, о которых нам мало что известно. В данном исследовании мы использовали многолетние суточные и дневные потоки CO2 в надполог (18 лет; 2005-2022 гг.) и суточные потоки CO2 в лесной подстилке (5 лет; 2018-2022 гг.), полученные с помощью вихревой ковариации на швейцарском лесном участке CH-Lae (смешанный лиственный горный лес). Цели: (1) охарактеризовать события КПАЗ в CH-Lae, (2) количественно оценить влияние событий КПАЗ на экосистемные и лесопочвенные потоки CO2 и (3) определить основные факторы и их временной вклад в изменение экосистемных и лесопочвенных потоков CO2 во время событий КПАЗ и вегетационных сезонов КПАЗ. Наши результаты показали, что вегетационные сезоны 2015, 2018 и 2022 годов были тремя самыми засушливыми в CH-Lae с 2005 года (называемые годами КПАЗ), демонстрируя схожую интенсивность и продолжительность событий КПАЗ, но значительно отличающиеся условия перед засухой. События КПАЗ снизили среднесуточную чистую продуктивность экосистемы (NEP) во все 3 года КПАЗ примерно на 38 % по сравнению со средним многолетним значением, причем наибольшее снижение наблюдалось в 2022 году (41 %). Это снижение среднесуточной NEP было в основном связано с уменьшением валовой первичной продуктивности (GPP; > 16 % ниже среднего многолетнего значения), а не с увеличением дыхания экосистемы (Reco) во время событий КПАЗ. Кроме того, дыхание лесного дна (Rff) уменьшилось во время событий КПАЗ в 2018 и 2022 годах (в 2015 году измерения не проводились), причем в 2022 году оно уменьшилось сильнее (на 41 %), чем в 2018 году (на 16 %), по сравнению со средним многолетним значением (2019-2021 годы). Используя методы машинного обучения на основе данных, мы определили основные факторы, определяющие NEP и Rff во время событий КПАЗ. В то время как среднее дневное значение NEP (NEPDT) во время событий КПАЗ 2015 и 2018 гг. было ограничено VPD и SWC, соответственно, NEPDT во время события КПАЗ 2022 г. было сильно ограничено как SWC, так и VPD. Температура воздуха оказывала отрицательное влияние, в то время как чистая радиация оказывала положительное влияние на NEPDT во время всех событий КПАЗ. Среднесуточное значение Rff во время события КПАЗ 2018 года зависело от температуры почвы и SWC, но было сильно ограничено SWC во время события КПАЗ 2022 года. Мы пришли к выводу, что многоуровневый анализ потоков CO2 в лесах необходим для лучшего понимания реакции леса на события КПАЗ, особенно если первые признаки акклиматизации NEP к событиям КПАЗ - очевидные в нашем лесу - будут обнаружены и в других местах. Мы пришли к выводу, что события КПАЗ имеют несколько движущих сил с различным временным вкладом, что делает прогнозы относительно событий КПАЗ на конкретном участке и долгосрочной реакции леса на такие условия более сложными.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Международный коллектив ученых исследовал температурные реакции дыхания экосистемы

Наземные экосистемы выбрасывают в атмосферу ~106-130 ПгC год-1 в результате дыхания, уравновешивая фотосинтетическое поглощение углерода и определяя силу поглощения углерода сушей. Влияние антропогенного потепления на поглощение углерода на суше будет зависеть от температурной реакции дыхания. В этом обзоре мы исследуем взаимосвязь между температурой и дыханием экосистем на основе экспериментальных и наблюдательных данных в масштабах листа, микроорганизмов, экосистемы и всего мира. В отличие от предполагаемого монотонного увеличения дыхания с ростом температуры, вытекающего из моделей системы Земли, эмпирические данные указывают на унимодальный температурный отклик с пиком дыхания при оптимальной температуре Topt. Эта унимодальность наблюдается на разных уровнях организации: значения Topt составляют 40-60°C на уровне листьев и растений, 11-46°C на микробном уровне и 6,5-33,3°C на глобальном уровне. Различные механизмы вносят свой вклад в эту унимодальную картину, включая деактивацию ферментов, термодинамику реакций, катализируемых ферментами, и изменения зависящих от температуры факторов, таких как влажность почвы, доступность питательных веществ и физиология растительности. Учет унимодальности наблюдаемых температурных откликов дыхания экосистем в моделях системы Земли может облегчить проведение атрибутивных исследований для выявления механизмов, ответственных за пиковый отклик, и повысить точность прогнозов поглощения углерода.

Исследование опубликовано в журнале nature reviews earth & environment.

Международный коллектив ученых изучил пространственно-временную изменчивость потоков парниковых газов в почве в бассейне Конго

Тропические леса играют важную роль в обмене парниковыми газами между биосферой и атмосферой. Несмотря на то, что бассейн Конго является вторым по величине тропическим лесом в мире, он в целом недостаточно изучен, а наземные данные о потоках парниковых газов отсутствуют. В данном исследовании объединены высокочастотные измерения в течение шестнадцати месяцев из автоматизированных и ручных почвенных камер, чтобы охарактеризовать пространственно-временную изменчивость потоков парниковых газов в почве из низменного тропического леса в Янгамби, в бассейне Конго. На основе ежедневных непрерывных измерений для CO2 была рассчитана общая эмиссия 15,3 ± 4,4 МгС га-1 год-1, с наибольшими потоками в начале более влажных периодов и снижением эмиссии в более сухие периоды. Для CH4 общее поглощение составило -3,9 ± 5,2 кгC га-1 год-1. В течение всего периода почва действовала как поглотитель, однако наблюдались и спорадические выбросы. Для N2O была рассчитана эмиссия в размере 3,6 ± 4,1 кгN га-1 год-1, что превышает большинство ранее представленных оценок для тропических лесов. Выбросы N2O существенно снижались в более сухие периоды, а после дождей наблюдались импульсы выбросов. Высокая пространственная и временная изменчивость наблюдалась как для CH4, так и для N2O, но меньше для CO2. Более высокая пространственная изменчивость была отмечена при ручных измерениях по сравнению с автоматическими. В целом, почва тропического леса выступала в качестве основного источника CO2 и N2O и незначительного поглотителя CH4.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Китайские ученые обобщили исследования на тему применения изотопов C и N для изучения биогеохимического поведения биоугля в почве

Биочар, твердый продукт пиролиза биомассы, широко используется для смягчения последствий глобального изменения климата путем накопления углерода C и регулирования трансформации азота N в почве. Хотя о влиянии биочара на почвенные циклы углерода и азота, такие как минерализация и поглощение растениями, сообщалось достаточно много, в большинстве исследований такого рода использовалось измерение изменений общего содержания углерода и азота в почве после добавления биочара. Однако это не позволяет определить источники углерода и азота в почве, которые используются или преобразуются. Изотопная технология обладает большим потенциалом в оценке влияния биочара на биогеохимическое поведение почвенного углерода и азота, поскольку позволяет отличить добавленные биочаром углерод и азот от собственных углерода и азота и других источников органического вещества и определить скорость трансформации или потери каждого источника. Однако в настоящее время большинство исследований по этому аспекту разрозненны, а выводы противоречивы. Поэтому необходим систематический обзор исследований, использующих изотопы C и N в изучении биочара. В данной работе обобщены преимущества и недостатки применения изотопов C и N в исследованиях органического углерода, а также рассмотрены результаты этих исследований, касающиеся влияния органического углерода на циклы C и N в почве, включая сохранение органического углерода и природного C, выбросы CO2 и N2O, а также поглощение азота растениями. Наконец, даны некоторые рекомендации по будущим направлениям исследований изотопов углерода и азота в области органического углерода.

Исследование опубликовано в журнале Earth-Science Reviews.

Австралийские ученые оценили вихревую ковариацию экосистемных потоков на солончаке умеренного пояса в Виктории, Австралия

Последние исследования подчеркивают важную роль растительных прибрежных экосистем в связывании углерода в атмосфере. Солончаки составляют 30 % таких экосистем во всем мире и являются основной приливно-отливной растительностью за пределами тропиков. Пульсационный метод - основной метод измерения потоков вещеста между биосферой и атмосферой, но его использование в прибрежной среде является редким. На австралийском солончаке умеренного климата на острове Френч, штат Виктория, мы измерили градиенты концентрации CO2 и водных газов, температуру, скорость ветра и радиацию. На болоте доминировал плотный покров Sarcocornia quinqueflora. Потоки были сезонными, с минимумом зимой, когда растительность находится в состоянии покоя. Чистая продуктивность экосистемы NEP в течение вегетационного периода составляла в среднем 10,54 гCO2 м-2 сут.-1, снижаясь до 1,64 гCO2 м-2 сут.-1 в период покоя, однако болото оставалось поглотителем CO2 благодаря некоторым полувиртуальным видам. Скорость дыхания экосистемы была ниже в период покоя по сравнению с вегетационным периодом (1,00 против 1,77 мкмоль(CO2) м-2 сут.-1) с небольшой положительной зависимостью от температуры. В вегетационный период на потоки значительно влияли уровень освещенности, температура и влажность окружающей среды. Эвапотранспирация достигала максимума при 0,27 мм ч-1. Мы осторожно оцениваем годовой бюджет NEP на этом болоте в 753 (±112,7) гС м-2 год-1, что сходно с поглощением углерода солончаками умеренного пояса в Европе и находится в пределах диапазона, измеренного на некоторых солончаках США. Это значение выше, чем гипотетическое значение для глобальных солончаков в 382 гС м-2 год-1, но составляет лишь половину среднего значения, рассчитанного для глобальных мангровых зарослей.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Финские ученые изучили вихревые ковариационные потоки CO2, CH4 и N2O в осушенном торфяном лесу после сплошной вырубки

В настоящее время в Фенноскандии преобладает равномерно-возрастное лесопользование, основанное на сплошных рубках, посадках и 1-3 прореживаниях. Однако наши представления о выбросах парниковых газов (ПГ) после сплошных рубок остаются ограниченными, особенно в осушенных торфяных лесах. В данном исследовании мы приводим данные пульсационных измерений чистых выбросов углекислого газа, метана и закиси азота из бореального плодородного осушенного торфяного леса через год после рубки. Наши результаты показывают, что в годовом масштабе участок является чистым источником CO2. Выбросы CO2 доминируют в общем годовом балансе ПГ (23,3 тCO2-экв. га-1 год-1, 82,5 % от общего количества), в то время как роль выбросов N2O (4,8 тCO2-экв. га-1 год-1, 17,1 %) также была значительной. Участок являлся слабым источником CH4 (0,1 тCO2-экв. га-1 год-1, 0,4 %). Была разработана статистическая модель для оценки выбросов CH4 и N2O, характерных для конкретного типа поверхности. Модель была основана на температуре воздуха и доле определенных типов поверхности в пределах следа пульсационных измерений. Типы поверхности были классифицированы с помощью спектральной съемки с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и машинного обучения. Согласно статистическим моделям, наибольшие удельные выбросы CH4 происходят с покрытых растениями канав и открытого торфа, в то время как поверхности с преобладанием живых деревьев, мертвой древесины и подстилки, а также покрытые растениями канавы вносят основной вклад в выбросы N2O.Наше исследование дает новое представление о том, как потоки CH4 и N2O зависят от типа поверхности на участках вырубки в бореальных лесных торфяниках. Наши результаты подчеркивают необходимость интеграции моделирования потоков по типу поверхности, данных пульсационных измерений и камерных измерений потоков для понимания выбросов ПГ после сплошных рубок. Полученные результаты усиливают накопленные доказательства того, что недавно вырубленные торфяные леса являются значительными источниками ПГ.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Немецкие ученые разработали подход к оценке ежедневных потоков углерода на пахотных землях

Повышение точности мониторинга обмена CO2 на пахотных землях в неоднородных пространственных масштабах имеет большое значение для уменьшения пространственной и временной неопределенности в оценке динамики углерода на суше. В данном исследовании разработан и опробован подход к оценке ежедневных потоков углерода на пахотных землях путем объединения временных рядов данных о потоках CO2 пульсационных измерений на полях и индексов растительности (ИР) со спутника Sentinel-2 после соответствующего учета пространственного выравнивания между двумя наборами данных временных рядов. Исследование проводилось для сельскохозяйственного поля (118 га) в низменности на северо-востоке Германии. Оценивалась способность различных ИР оценивать ежедневный чистый экосистемный обмен NEE и валовую первичную продуктивность GPP на основе моделей линейной регрессии. Большинство ИР показали высокие (>0,9) и статистически значимые (p<0,001) корреляции с GPP и NEE, хотя некоторые ИР отклонялись от сезонного распределения интенсивности обмена CO2. В отличие от этого, корреляции между интенсивностью дыхания экосистемы Reco и ИР были слабыми и статистически не значимыми, и попыток оценить Reco по ИР не предпринималось. Линейные регрессионные модели объясняли в целом более 80 % и 70 % изменчивости NEE и GPP, соответственно, при высокой изменчивости между отдельными ИР. Эффективность оценки суточных потоков углерода варьировала среди ИР в зависимости от компонента потока углерода (NEE или GPP) и периода наблюдений. Среднеквадратичная ошибка (RMSE) изменялась от 1,35 гС м-2 сут-1 при использовании индекса зеленой нормализованной разницы растительности (GNDVI) для NEE до 5 гС м-2 сут-1 при использовании простого отношения (SR) для GPP. Это привело к недооценке чистого поглощения углерода всего на 41 гС м-2 (18 %) и переоценке валового поглощения углерода на 854 гС м-2 (73 %). Различия между измеренными и оцененными потоками углерода объяснялись главным образом отклонением потока углерода и сигнала ИР в зимний период, когда поглощение углерода оставалось низким, в то время как значения ИР указывали на повышенное поглощение углерода из-за относительно высокой площади листьев культуры. В целом, результаты продемонстрировали схожие пределы погрешности с механистическими моделями сельскохозяйственных культур. Таким образом, они указывают на пригодность и расширяемость предложенного подхода для мониторинга обмена углерода на пахотных землях с помощью ИР, полученных со спутника.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Международный коллектив ученых проконтролировал выбросы метана из бореальных торфяников

Выбросы в холодное время года вносят существенный вклад в годовой бюджет метана северных водно-болотных угодий, однако они остаются недооцененными в моделях, основанных на процессах. Модели демонстрируют значительную неопределенность в параметризации процессов, особенно во время переходных фаз температур замерзания и оттаивания в плечевые сезоны. Наша цель состояла в том, чтобы определить экологический контроль над компонентами потоков метана - производством, окислением и переносом метана - из бореального торфяника в плечевые сезоны. Мы разделили чистую эмиссию метана на составляющие, объединив ручные камерные измерения потоков при удалении растительности с отбором проб поровой воды для определения концентрации и соотношения стабильных изотопов углерода растворенного метана во влажных котловинах болота Сийканева в южной Финляндии во время сезонных полевых кампаний в 2021 и 2022 годах. Полученные результаты свидетельствуют о том, что снижение эмиссии метана, вызванное уменьшением скорости производства при снижении температуры торфа в плечевые сезоны, было сдержано несколькими процессами. Во-первых, высокоэффективный транспорт метана через аэренхиму торфяных осок продолжался вне вегетационного периода после сенисценции растений. Во-вторых, разлагающиеся сосудистые растения предоставляли дополнительный субстрат для производства метана в конце вегетационного периода. В-третьих, накопление метана в поровой воде частично задерживало эмиссию метана, произведенного летом и зимой, по сравнению с плечевыми сезонами. Однако скорость окисления, ограниченная субстратом, в значительной степени компенсировала более высокую скорость диффузии, связанную с высокой концентрацией поровой воды осенью. Учет этих процессов, характерных для плечевых сезонов, путем раздельного моделирования компонентов потоков метана, вероятно, поможет избежать недооценки эмиссии метана из северных торфяников в холодное время года.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Австрийские ученые оценили методы фильтрации для надежных расчетов потоков CO2

Оценка чистого обмена CO2 в экосистеме часто основывается на измерениях вихревой ковариации. В стабильных условиях с низкой турбулентностью измеренный поток может не отражать чистый экосистемный обмен (NEE), поскольку неизмеренные потоки (например, адвекция) могут стать значимыми. Следовательно, такие периоды должны быть отфильтрованы для надежных расчетов потоков. Как правило, основное внимание уделяется фильтрации только в ночное время, однако дневные измерения потоков также могут быть нерепрезентативными. В данном исследовании оцениваются хорошо известные и новые методы фильтрации, применяемые как в ночное, так и в дневное время на участке горного леса в Тироле, Австрия (участок Forest-Atmosphere-Interaction-Research (FAIR), AT-Mmg). Сравниваются известные методы, включая фильтрацию по скорости трения, ее аналог, использующий стандартное отклонение вертикальных колебаний скорости σw, и метод максимума потока после захода солнца (обычно называемый методом ван Горселя). Кроме того, для фильтрации мы используем более современный подход с физически обоснованной мерой расцепления потоков. Более того, мы вводим новый подход кластеризации с использованием K-средних, который группирует ситуации с потоками в кластеры на основе вертикальных профилей температуры, σw и скорости ветра. Кластеры, в которых измеренный поток, как ожидается, будет разумной оценкой NEE, сохраняются. Такими сценариями являются периоды фёна, ранние ночные ситуации с высокой турбулентностью и низкой стабильностью или хорошо перемешанные условия во второй половине дня. Несмотря на то, что различные подходы к фильтрации основывались на совершенно разных предположениях, они дали сходные оценки бюджета углерода за 14 месяцев измерений (от -224 до -286 гС м-2 для ночной фильтрации и от -440 до -382 гС м-2 для дневной фильтрации), в отличие от нефильтрованного бюджета в -534 гС м-2. Ночная фильтрация приводит к увеличению интенсивности дыхания в течение ночи, в то время как дневная фильтрация предполагает увеличение утреннего поглощения углерода по сравнению с нефильтрованными данными.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.