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

Новости проекта

Китайские ученые изучили влияние скорости прорастания семян на урожайность сельскохозяйственных культур и выбросы метана с рисовых полей

Для снижения выбросов парниковых газов без снижения урожайности срочно необходимы сельскохозяйственные стратегии. Норма высева на холмик влияет на количество и качество почвопокровников, что может повлиять на урожайность риса и выбросы CH4. Поэтому предполагается, что высокая урожайность при низком уровне выбросов CH4 может быть достигнута при оптимальной норме высева на холм. Был проведен полевой эксперимент с тремя плотностями (низкая норма высева, LSR; умеренная норма высева, MSR; и высокая норма высева, HSR) в течение двух последовательных сезонов риса. Потоки CH4 определялись с использованием статической камеры. Результаты показали отсутствие существенных различий в урожайности риса, сезонных выбросах CH4 или выбросах CH4 в пересчете на урожай между тремя вариантами обработки. Для раннего риса HSR способствовал получению высокой урожайности без увеличения масштаба выбросов CH4. Что касается позднего риса, то MSR показал схожую урожайность риса и более низкие выбросы CH4 в пересчете на урожай по сравнению с HSR. Результаты показывают, что выбор подходящей нормы высева на холм для повышения урожайности зерна при сохранении более низких или сопоставимых выбросов CH4 в пересчете на урожай может быть перспективным вариантом сокращения выбросов CH4 на рисовых полях.

Исследование опубликовано в журнале Atmosphere.

Российские ученые изучили потоки углерода в процессе газообмена СО2 и СН4 прибрежной зоны Байкала

В статье рассматриваются результаты измерений концентраций углекислого газа и метана в приводной атмосфере и их потоков в системе «атмосфера ‒ водная среда» на акватории, примыкающей к западному побережью Южного Байкала (координаты 51°54'N, 105°05'E). Измерения проводились с 2012 г. по 2023 г. Показано, что в пункте наблюдений сток из атмосферы массы углекислого газа в озеро в расчете на один квадратный метр водной поверхности за весь период открытой воды приблизительно в 100 раз превышает выход метана из водной среды в атмосферу. С учетом соотношения этих потоков и потенциалов глобального потепления (ПГП) СО2 и СН4 сделано заключение о том, что на исследуемой акватории в период открытой воды сток углекислого газа, как минимум, компенсирует радиационное воздействие, обусловленное эмиссией метана.

Американские ученые опубликовали результаты наблюдений за распределением потоков воды и CO2 на объектах Национальной сети экологических обсерваторий

Долгосрочные временные ряды транспирации, испарения, чистого фотосинтеза растений и дыхания почвы необходимы для решения многочисленных исследовательских вопросов, связанных с функционированием экосистем. Однако количественная оценка этих потоков затруднена из-за отсутствия надежных и прямых методов измерения, что оставляет пробелы в понимании их временных циклов и пространственной изменчивости. Чтобы помочь решить эту проблему, мы создали набор данных по этим четырем компонентам, применив пять (традиционных и новых) подходов к разделению потоков общего испарения (ET) и CO2 на потоки растений и почвы на 47 участках Национальной сети экологических обсерваторий (NEON). Окончательный набор данных (https://doi.org/10.5281/zenodo.12191876; Zahn and Bou-Zeid, 2024) охватывает 5-летний период и различные экосистемы, включая леса, луга и сельскохозяйственные угодья. Это первый комплексный набор данных, охватывающий столь широкое пространственно-временное распределение. В целом, мы наблюдали хорошее согласие между большинством методов для компонентов ET, что повышает доверие к этим оценкам. Разделение компонентов CO2, с другой стороны, оказалось менее надежным и более зависимым от предварительных знаний об эффективности водопользования. Это подчеркивает некоторые ограничения данных методов, которые мы обсуждаем, подчеркивая более широкую проблему, связанную с отсутствием точного эталонного метода для проверки. Несмотря на эти недостатки, данный набор данных имеет ряд потенциальных применений, особенно для решения важнейших вопросов, связанных с реакцией экосистем на экстремальные погодные явления, которые, как ожидается, станут более суровыми и частыми в связи с изменением климата.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data .

Немецкие ученые представили новый метод определения предельной частоты для корректировки потока

Использование инфракрасных газоанализаторов (IRGA) с закрытым контуром для измерения потоков пульсационным методом приводит к непреднамеренному затуханию высоких частот в трубке из-за диффузии и смешивания отобранного газа внутри трубки. Применение нагрева трубки и установка фильтров твердых частиц по всей длине трубки также вносит свой вклад в высокочастотное затухание. Целью данного исследования является, во-первых, количественная оценка влияния различных конфигураций нагрева трубки и фильтров на потоки CO2 и H2O. Во-вторых, представить модифицированный спектральный подход (PSA), основанный на теоретических спектрах мощности, для расчета эффективной отсекающей частоты fc. Измерения для каждой экспериментальной конфигурации проводились на станции Integrated Carbon Observation System (ICOS), оснащенной стандартным IRGA LI-7200 с закрытой траекторией и трехмерным звуковым анемометром Gill HS-50. Для каждого набора данных были определены поправочные коэффициенты, которые вводились при постобработке. Мы обнаружили лишь очень незначительные эффекты ослабления потоков CO2 между исследованными конфигурациями. В согласии с предыдущими исследованиями, мы обнаружили, что затухание ухудшается с увеличением относительной влажности rH в потоках H2O. Как и ожидалось, самый высокий (наилучший) fc для H2O был обнаружен в самом низком исследованном классе rH 45-50 % с конфигурацией нагрева, без фильтра. Самый низкий (худший) fc для H2O находился в самом высоком классе rH 90-95 % при конфигурации нагрев выключен с фильтром 7 мкм. Наши результаты подтверждают, что эффекты затухания в трубках для стандартной установки ICOS незначительны для CO2 и малы для H2O, в зависимости от настроек нагрева трубки и использования фильтров твердых частиц. Мы также показали, что постобработка эффектов затухания, особенно для H2O, может повысить точность долгосрочных пульсационных измерений. Мы рекомендуем рассмотреть этот новый подход пользователям наборов данных, полученных с помощью IRGA с закрытым трактом LI-7200.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Международный коллектив ученых предложил новый метод отделения автотрофного дыхания (Ra) от экосистемного дыхания (Re)

Эффективность использования углерода растительностью (CUE) - соотношение между чистой первичной продуктивностью (NPP) и валовой первичной продуктивностью (GPP) - дает представление о способности экосистем переносить большое количество углерода C из атмосферы в потенциальные поглотители C. Хотя закономерности и обратная связь CUE с изменением климата были изучены ранее, остаются большие неопределенности из-за методологических ограничений. Для решения этой проблемы мы предложили новый метод, который позволяет отделить автотрофное дыхание (Ra) от экосистемного дыхания (Re), предполагая, что Ra связано с нижней границей связи между Re и GPP. Применяя этот метод, мы проанализировали данные о потоках, полученные со 195 площадок по всему миру, для исследования пространственно-временной динамики CUE. Результаты показали, что среднее глобальное значение CUE составляет 0,50 ± 0,13, причем наибольшие значения приходятся на пахотные земли, а наименьшие - на смешанные леса. В пространственном отношении CUE был наибольшим в средиземноморских и субтропических регионах и наименьшим - в тропических. Временные колебания CUE наблюдались в большинстве биомов: CUE увеличивался в начале вегетационного периода, а затем снижался по мере его продолжения. Мы также исследовали реакцию CUE на изменения в нескольких экологических факторах (например, температура воздуха, влажность почвы и падающая солнечная радиация) с помощью машинного обучения, в частности, с использованием метода экстремального градиентного усиления (xgboost) и интерпретации на основе SHAP-значений (SHAP Additive exPlanation). Была показана отрицательная связь между концентрацией CO2 в окружающей среде и CUE, что подтверждает гипотезы, связывающие транслокацию и накопление неструктурных углеводов в тканях растений. Эти результаты подчеркивают возможность и ценность использования данных о потоках с помощью передовых методов для углубления нашего понимания динамики CUE и их регулирования в глобальном масштабе.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Китайские ученые изучили атмосферный обмен метаном в глобальных горных и водно-болотных экосистемах

Измерение чистого обмена метаном CH4 в экосистемах (NEE-CH4) методом вихревой ковариантности имеет жизненно важное значение для оценки силы источника или поглотителя в экосистемах возвышенностей и водно-болотных угодий. Тем не менее, остаются неопределенности в величинах и движущих силах NEE-CH4 в экосистемах возвышенностей и водно-болотных угодий. Здесь мы провели обобщение данных, используя данные о NEE-CH4 за 472 года по 126 объектам в глобальном масштабе, чтобы изучить закономерности NEE-CH4 на возвышенностях и водно-болотных угодьях и факторы, их определяющие. Мы обнаружили, что на всех исследуемых участках экосистемы возвышенностей выступают в качестве слабого источника CH4 с годовым уровнем NEE-CH4 1,64 ± 0,24 гC м-2 год-1, что значительно ниже, чем в экосистемах водно-болотных угодий (19,35 ± 1,00 гC м-2 год-1). При этом NEE-CH4 во внутренних водно-болотных угодьях (20,18 ± 1,06 гC м-2 год-1) был значительно выше, чем в прибрежных водно-болотных угодьях (9,17 ± 1,67 гC м-2 год-1). NEE-CH4 в антропогенно нарушенных водно-болотных угодьях был значительно выше, чем в естественных водно-болотных угодьях. В экосистемах возвышенностей NEE-CH4 положительно коррелировал со среднегодовой температурой (MAT). В то время как в водно-болотных экосистемах глубина залегания грунтовых вод (WTD) и MAT были двумя наиболее важными предикторами для NEE-CH4, причем более высокие WTD и MAT соответствовали более высокому NEE-CH4. NEE-CH4 в болотных экосистемах также был положительно связан с валовой первичной продуктивностью (GPP), экосистемным дыханием (ER) и чистым экосистемным обменом углекислого газа (NEE-CO2). По сравнению с экосистемами возвышенностей, NEE-CH4 играл более важную роль в регулировании силы источника или поглотителя углерода в экосистемах водно-болотных угодий. В целом, наши результаты проливают свет на величины и определяющие параметры NEE-CH4 в экосистемах возвышенностей и водно-болотных угодий, что может помочь лучшему пониманию и прогнозированию бюджета CH4 в наземных экосистемах.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Немецкие ученые представили многокамерную систему для непрерывного измерения потоков CO2

Изучение динамики потоков парниковых газов (ПГ) и воды в интерфазе почва-растение-атмосфера имеет ключевое значение для понимания функционирования экосистем, поскольку они отражают реакцию экосистемы на изменения окружающей среды. Понимание этих реакций необходимо для разработки устойчивых сельскохозяйственных систем, которые помогут адаптироваться к глобальным вызовам, таким как усиление засухи. Как правило, первоначальное понимание динамики потоков ПГ и воды достигается в ходе лабораторных или тепличных горшечных экспериментов, где газообмен часто измеряется с помощью коммерчески доступных ручных замкнутых камерных (листовых) систем. Однако эти системы довольно дороги и часто трудоемки, что ограничивает количество различных обработок и их повторов, которые можно изучать. Здесь мы представляем полностью автоматическую, недорогую (до 1000 евро за единицу) многокамерную систему на базе Arduino. Она предназначена для непрерывного измерения потоков CO2 и эвапотранспирации (ET) под навесом. Система может работать в двух режимах: независимом и зависимом. В режиме независимых измерений используются недорогие NDIR (недисперсионные инфракрасные) датчики CO2 (K30 FR) и относительной влажности (SHT31), что делает каждое устройство полностью независимым измерительным устройством. В режиме зависимых измерений несколько тепличных гробов подключаются через недорогой мультиплексор (до 250 евро) к одному инфракрасному газоанализатору (LI-850, LI-COR Inc., Линкольн, США), что позволяет проводить измерения последовательно, достигая экономичности и одновременно получая большую гибкость в отношении измерений целевых потоков ПГ (с потенциальным расширением и на N2O, CH4 и стабильные изотопы). В обоих режимах потоки CO2 и ET определяются по соответствующему увеличению концентрации в течение времени закрытия. Мы протестировали оба режима и продемонстрировали, что представленная система способна обеспечить точные и достоверные измерения потоков CO2 и ET с помощью недорогих датчиков, при этом особое внимание уделяется калибровке датчиков для повышения точности измерений. Подключив несколько тепличных гробов через наш недорогой мультиплексор к одному инфракрасному газоанализатору в зависимом режиме, мы смогли дополнительно показать, что система может эффективно измерять потоки CO2 и ET в высоком временном разрешении при различных видах обработки с эффективностью как по трудозатратам, так и по стоимости. Поэтому ожидается, что разработанная система станет ценным инструментом для проведения тепличных экспериментов, позволяющим всесторонне тестировать динамические реакции растений и почвы на различные обработки и условия.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Российские ученые нашли способ оценки наибольшего удельного потока метана с поверхности водохранилищ

В работе приведены результаты обобщения измерений авторами и их коллегами удельного потока метана на разнотипных водохранилищах России, которые проводились методом «плавучих камер» в разные периоды годового гидроэкологического цикла. Наблюдениями охвачены следующие водоемы: Иваньковское, Рыбинское, Горьковское, Куйбышевское, Волгоградское, Можайское, Озернинское, Цимлянское, Богучанское, Саяно-Шушенское, Бурейское, Зейское, Чиркейское водохранилища. Выбранные водоемы различаются условиями формирования стока на водосборах, проточностью, трофическим статусом, характером изменчивости температуры воды и содержания растворенного кислорода, распределением органического вещества в донных отложениях. Измерения проводились по единой методике с определением содержания метана в пробах на хроматографе Хроматэк-Кристалл 5000.2, что обеспечило однородность рядов данных. Предложен подход для параметризации удельного потока метана для расчета максимально возможной эмиссии метана с искусственных водоемов при разработке количественных квот выбросов парниковых газов. Предложена оценка удельного потока метана как в разные фазы гидрологического режима (стратификация, гомотермия), так и для отдельных морфологических частей водохранилищ, раз- личающихся глубиной. Произведено сравнение результатов, полученных предложенной методи- кой с расчетами годовой эмиссии метана методом IPCC.

Исследование опубликовано в журнале Известия РАН. Физика атмосферы и океана.

Российские ученые изучили эмиссию метана и гидрологическую структуру Зейского водохранилища в теплый период

На основе результатов натурных измерений концентраций метана в воде и его удельных потоков с водной поверхности впервые проведена оценка эмиссии метана в теплый период года из Зейского водохранилища – одного из крупнейших искусственных гидроэнергетических объектов на территории России. Данные были получены в ходе экспедиционных исследований, выполненных в сентябре 2021 г. и в июле 2022 г. Гидролого-гидрохимические съемки позволили получить сведения о термической, кислородной и химической структуре водной толщи водохранилища, а также провести комплексное районирование его акватории. Разработана цифровая модель рельефа ложа Зейского водохранилища, которая вместе с районированием позволила выполнить детализированные вычисления общей эмиссии метана из Зейского водохранилища. Установлено, что для водохранилища основными источниками органического вещества и метана являются заболоченные притоки и сток органического вещества с берегов, который поступает в прибрежные участки акватории. Эти участки аккумулируют аллохтонную органику и характеризуются высокими значениями потоков метана. Общий поток СН4 с поверхности Зейского водохранилища значительно выше в летний период (когда наблюдается максимальный прогрев мелководий), чем в осенний. Полученные авторами коэффициенты эмиссии СН4 из Зейского водохранилища (8.6–17.2 кгСН4 /га) соответствуют коэффициентам, представленным в дополнениях к руководящим принципам МГЭИК 2019 года для бореальных водохранилищ.

Исследование опубликовано в журнале Известия РАН. Физика атмосферы и океана.