|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Пространственно-временная изменчивость углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования (факультет почвоведения)НИР
Spatial and temporal variability of the carbon balance of terrestrial ecosystems of the European part of Russia according to measurements and mathematical modeling (soil science faculty)
- Руководитель НИР: Рыжова И.М.
- Участники НИР: Глухова А.В., Кузнецов В.А.
- Подразделение: Кафедра общего почвоведения
- Срок исполнения: 1 августа 2023 г. - 31 декабря 2025 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 23-Ш07-55
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Рациональное использование природных ресурсов
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: возможность эффективного ответа российского общества на большие вызовы
- ПН России: Рациональное природопользование
- Направление технологического прорыва России: Стратегические информационные технологии
- Критическая технология России: Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения
-
Рубрики ГРНТИ:
- 27.35.43 Математические модели биологии
- 34.35.01 Общие вопросы
- 34.35.25 Биоценозы. Экосистемы
- 34.35.51 Антропогенные воздействия на экосистемы
- 68.05.01 Общие вопросы
- Классификатор OECD: Почвоведение
-
Ключевые слова:
модели земной системы, углеродный баланс, парниковые газы, карбоновый полигон «чашниково», растительность, фотосинтез, почвенный покров, суперкомпьютерное моделирование, дыхание
earth system models, vegetation, carbon balance, "сhashnikovo" carbon polygon, soil cover, greenhouse gases, supercomputer modeling, respiration, photosynthesis -
Описание:
исследование пространственно-временной изменчивости углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования.
-
Abstract:
The aim of this project is to investigate the spatial and temporal variability of the carbon balance of terrestrial ecosystems of the ETR based on measurements and mathematical modeling. Achievement of the goal implies solving the following tasks: - Creation of a universal constructor of carbon cycle (CC) models in soil and vegetation (NIVC) within the framework of the numerical model of the land active layer (LAL) of the IWM RAS-MSU. - Verification and calibration of the DSS model on the data of point measurements of CO2 fluxes and carbon (C) pools in soil and vegetation, including data from carbon polygons in the ETR ("Chashnikovo"), as well as on digital maps of CO2 fluxes and C pools in soil and vegetation in the ETR (NIVC, Department of Soil Science, Faculty of Geography). - Development of a reliable and robust measurement, reporting and verification (MRV) platform in the assessment of CO2 emissions and changes in soil C pools based on the RothC carbon model, using experimental data on CO2 fluxes of carbonaceous polygons in the ETR ("Chashnikovo", etc.) (NIVC, Department of Soil Science, Faculty of Geography). - Development of a conceptual model of a new generation of soil CA with different pools in terms of turnover rates and stabilization mechanisms, its numerical implementation and verification using experimental data from carbon polygons (Faculty of Soil Science).- Implementation of the RothC carbon model and conceptual model of a new generation of soil CA together with parameterizations of key physical processes responsible for the conditions of CA formation in the DSS within the framework of the CA Designer of the DSS model (SIVC, Faculty of Soil Science).- Creation of updated coordinated digital maps of the stockpile. Taking into account the adopted strategy of decarbonization of the Russian economy and the key role of natural ecosystems of Russia in achieving carbon neutrality, the developed model and experimental data will make a significant contribution to obtaining representative estimates of carbon balance and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems of the Russian Federation. Also, the results obtained can make a significant contribution to solving the tasks of the Federal Scientific and Technical Program of the Government of the Russian Federation in the field of environmental development of the Russian Federation and climate change for 2021 - 2030. The project corresponds to the fulfillment of task 6.5 of the "Strategy of long-term development of the Russian Federation with low greenhouse gas emissions until 2050" - "modeling of processes occurring in the climate system, including modeling of consequences of various forms of active impact on these processes on global, regional and local scales".
-
Планируемые результаты:
Создание в рамках численной модели деятельного слоя суши (ДСС) ИВМ РАН-МГУ универсального конструктора моделей углеродного цикла (УЦ) в почве и растительности для возможности реализации широкого спектра существующих и перспективных моделей УЦ для задач климатологии, экологии и рационального природопользования.• Реализация в модели ДСС передовых параметризаций биохимических и физических процессов, ответственных за формирование пулов углерода и потоков CO2 в ДСС; потоки СО2 будут увязаны с процессами фотосинтеза растений и потерями СО2 за счет автотрофного дыхания растениями и гетеротрофного дыхания почвенных организмов. Потоки будут учитывать изменение температуры, баланса питательных веществ и воды. Получаемые измерения динамики СО2 с помощью непрерывных пульсационных и камерных измерений потоков СО2 будут впоследствии использованы для оценки способности модели ДСС воспроизводить сезонную и межгодичную динамику СО2.• Верификация и калибровка модели ДСС на данных точечных измерений потоков CO2 и пулов углерода в почве и растительности, включая данные карбоновых полигонов на ЕТР («Чашниково»); после калибровки модель ДСС позволит более качественно моделировать отдельные составляющие нетто экосистемного обмена, которые не могут быть измерены непосредственно с помощью непрерывных пульсационных измерений и экстраполировать данные о потоках CO2 и пулах С в почве и растительности во времени (ежедневная, сезонная и межгодичная динамика) и пространстве.• Верификация и калибровка модели ДСС по доступным региональным цифровым картам потоков CO2 и пулов углерода в почве и растительности на ЕТР; для калибровки по пулам С в почве планируется использование «Информационной системы “Почвенно-географическая база данных России”», включая цифровую карту запасов органического углерода в 30-см слое почв России с пространственным разрешением сетки ½ угловой минуты, цифровой карты «Продукционные характеристики естественных экосистем» и карты современной распаханности территории ЕТР»; будет отработана методика экстраполяции точечных данных моделирования.• Создание уточнённых согласованных цифровых карт запасов и составляющих баланса углерода экосистем ЕТР для условий современного климата на основе усовершенствованной и калиброванной модели ДСС; для создания карт будет проведено пространственно-временное моделирование с учётом классов растительности, типов землепользования, почвенных разностей в условиях современного климата.• Разработка достоверной и надёжной платформы измерений, отчётности и верификации (MRV) в оценке эмиссии СО2 и количественного описания изменения пулов почвенного углерода на основе классической динамической углеродной модели RothC, с использованием экспериментальных данных по потокам CO2 и её интеграция с моделью ДСС по данным карбонового полигона УОПЭЦ МГУ Чашниково и карбоновых полигонов на ЕТР; платформа MRV будет использована для исследования, насколько прямые регулярные измерения с помощью непрерывных пульсационных и камерных измерений потоков СО2 и мониторинг изменений запасов органического углерода в почве за короткие промежутки времени адекватно отражают длительные тенденции в возможностях управления пулами и потоками С.• Разработка концептуальной модели почвенной составляющей углеродного цикла нового поколения с различными по скоростям оборота пулами, отражающей современные концепции о механизмах стабилизации органического вещества в почве, ее численная компьютерная реализация и верификация с использованием экспериментальных данных по почвам карбоновых полигонов МГУ, оценка возможности использования её в качестве модуля усовершенствованной модели ДСС; будет проведена оценка возможности модели экстраполировать результаты на различные типы землепользования и условия окружающей среды.Результаты экспериментальных исследований на карбоновых полигонах ограничены локальным участком и складывающимися погодными условиями. Моделирование свободно от подобных ограничений, его результаты могут быть экстраполированы на бόльшую территорию, а влияние различных возможностей управления запасами и потоками С может быть оценено комплексно. Для достижения данной задачи предусмотрено два последовательных этапа развития модели ДСС за счёт универсального конструктора моделей углеродного цикла. Первый состоит в реализации в рамках конструктора УЦ модели ДСС углеродной модели RothC с параметризацией процессов формирования пулов углерода и потоков CO2. Второй состоит в использовании концептуальной модели почвенного углеродного цикла нового поколения с различными по скоростям оборота пулами в рамках конструктора УЦ ДСС. Таким образом, снижаются риски отрицательного результата в использовании мониторинговых данных пульсационных и камерных измерений потоков СО2 для параметризации сложной биосферной модели. Модель ДСС после усовершенствования может быть использована для оценки, какие факторы регулируют наблюдаемые изменения пулов углерода и потоков CO2, как можно ими управлять, а также будут ли проводимые меры экономически эффективными.
-
Научный задел:
Компетенция и задел руководителей и основных исполнителей: 1) Степаненко В.М., д.ф.-м.н., число цитирований Scopus 949, H-index=16, известный специалист в области численного моделирования термогидродинамики и биогеохимии водных объектов и деятельного слоя суши, лидер группы разработчиков модели ДСС ИВМ РАН-МГУ;2) Романенков В.А., д.б.н., число цитирований Scopus 2677, H-index=15, признанный специалист по балансу углерода и биогенных элементов в естественных и возделываемых почвах;3) Рыжова И.М., д.б.н., число цитирований Scopus 343, H-index=9, авторитетный специалист в области математического моделирования процессов почвенного углеродного цикла; 4) Ольчев А.В., д.б.н., число цитирований Scopus 1733, H-index=17, один из ведущих в России специалистов по измерениям и моделированию потоков CO2 между системой «почва-растительность» и атмосферой.
- Добавил в систему: Рыжова Ирина Михайловна
Источник финансирования НИР
| Программа развития Московского университета |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 августа 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Пространственно-временная изменчивость углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования |
| Результаты этапа: Результаты этапа: 1. Обзор существующих и перспективных математических моделей углеродного цикла в деятельном слое почвы, применяемых в моделях Земной системы и почвоведении (НИВЦ, факультет почвоведения) Подготовлены материалы для публикации обзора существующих и перспективных математических моделей углеродного цикла в деятельном слое почвы, применяемых в моделях Земной системы и почвоведении. Проанализированы традиционные модели и предлагаемые методы их модификации и привязки к результатам физического и химического фракционирования. Рассмотрены перспективные исследования по разработке моделей нового поколения, отражающие использование представлений о выделении пулов органического вещества не по скорости оборота, а в соответствии с механизмами стабилизации органического вещества, что может быть использовано в создании универсального конструктора моделей углеродного цикла. В настоящее время известно порядка 220-250 моделей (Manzoni, Porporato, 2009; Campbell, Paustian, 2015), значительно различающихся по используемым подходам и уровню сложности. Развитие моделирования динамики органического вещества почв в конце ХХ века отражают несколько обстоятельных обзоров (Jenkinson, 1990; McGill, 1996; Molina and Smith, 1998; Falloon and Smith, 2000; Van Keulen, 2001). Характеристике современного уровня развития биогеохимических моделей и обсуждению нерешенных проблем моделирования динамики органического вещества посвящены вышедшие в последнее время публикации (Manzoni, Porporato, 2009; Рыжова, 2011; Чертов, Комаров, 2013; Stockmann et al.,2013; Campbell, Paustian, 2015; Чертов, Надпорожская, 2016). Особенности моделей во многом определяются пространственно-временным масштабом описываемых процессов, а также обусловлены различиями основных концепций, лежащих в их основе. Трудности моделирования динамики органического вещества почв в первую очередь связаны с различной устойчивостью его компонентов к разложению. Различия в скорости разложения отдельных компонентов могут достигать нескольких порядков. Они обусловлены не только биохимическими особенностями различных органических соединений, но их локализацией в почве, органоминеральными взаимодействиями, условиями среды и др. Для решения этой проблемы предложены разные подходы. Например, в работе Agren, Bosatta (1998) использована концепция непрерывной потери качества субстрата, которое определяется как мера доступности углерода субстрата воздействию сообщества микробов. Значительно более широкое распространение получил подход, в котором органическое вещество почв представляют конечным числом пулов, каждый из которых характеризуется специфической константой скорости разложения и позицией в структуре модели. Обычно предполагается, что скорость разложения каждого пула следует кинетике первого порядка. Выбор пулов и их количество является умозрительным. Модели динамики органического вещества почв, в которых используется этот подход, имеют сходную структуру, которая представляет собой цепь, звеньями которой являются пулы с возрастающей устойчивостью. В некоторых моделях поступающие в почву растительные остатки представлены одним пулом, однако чаще двумя или большим количеством пулов. Чтобы разделить растительные остатки по устойчивости к разложению, как правило, используют отношение лигнина к азоту или отношение С/N. В большинстве моделей органическое вещество почвы представлено несколькими пулами, различающимися по устойчивости к разложению. Это связано с тем, что компоненты органического вещества почвы различаются по скоростям оборота в десятки раз, а ошибки динамических моделей заметно возрастают уже при агрегировании переменных, различающихся по скоростям оборота более чем в три раза (Gardner et al., 1982). Проверка моделей показала, что после предварительной калибровки хорошее согласие с результатами наблюдений за многолетней динамикой общего углерода почвы дают модели, в которых представлено, по меньшей мере, два – три пула органического вещества, которые значительно различаются по скоростям оборота (Elliott et al., 1996). Большинство пулов органического вещества почв, используемых в современных моделях, являются концептуальными и не имеют экспериментально определяемых аналогов. Это создает серьезные трудности для инициализации и детальной проверки моделей. Многочисленные попытки «измерить моделируемое» методами химического фракционирования органического вещества почв не привели к успеху. Результаты физического фракционирования органического вещества почв имели большое значение для развития моделей круговорота углерода, так как показали, что значительная доля органического вещества почв физически защищена от разложения в результате включения в состав агрегатов и органо-минеральных взаимодействий. Но остается еще много нерешенных вопросов. В настоящее время нет стандартной методики физического фракционирования органического вещества почв. Используемые методы существенно различаются по приемам фракционирования (гранулометрические, денсиметрические или их сочетание). Наиболее успешными оказались исследования, опирающиеся на сочетание различных методов. Например, Zimmermann et al. (2007) предложили эффективную схему фракционирования, основанную на комбинации химических методов и физического фракционирования, которая позволяет выделять фракции, коррелирующие с пулами Ротамстедской модели RothC. Традиционные модели (CENTURY, RothC, DNDC и др.), в которых выделение концептуальных пулов основано на времени оборота, а разложение органического вещества описано в соответствии с кинетикой первого порядка, просты в математическом отношении и могут быть полезными для решения разных экологических проблем. Они не отражают современные достижения в описании органического вещества, поскольку не включают в явном виде механизмы микробного разложения и физико-химической устойчивости (Lehmann, Kleber, 2015), но продолжают использоваться, поскольку базируются на общих принципах динамики органического углерода почвы (Lee at al., 2020). В настоящее время можно выделить несколько конкурирующих направлений исследования в данной области, базирующихся на традиционных подходах в моделировании. Один из них основывается на увеличении сложности существующих моделей, например, за счёт включения в структуру RothC функций почвенной влаги, представлений о разнокачественности (лигнин, холоцеллюлоза, растворимое органическое вещество) экзогенного органического материала и изменении качества поступающего материала для наземных, подземных растительных остатков и ризодепозитов (Jebari et al., 2021). Другой подход базируется на представлении об использовании новых методов изучения качества органического вещества почвы совместно с алгоритмами машинного обучения для определения начального состояния пулов органического С модели. Примером может служить недавнее исследование Kanari et al.(2021), в котором результаты термического анализа качества органического вещества почвы и алгоритм случайного регрессионного леса использованы для настройки двухкомпоненетной модели Henin & Dupuis (1945). Более часто на настоящий момент используются модификации различных методов физического и химического фракционирования, что реализовано в ряде работ (Skjemstad et al., 2004; Nemo et al., 2016; Herbst et al.,2018). Важным моментом, отмечаемым этими исследователями, является независимое определение фракций органического углерода почвы для инициализации моделей, более точно отражающих распределение пулов органического углерода. Подход, заключающийся в использовании экспериментально определяемых фракций, не нуждается в предположении о равновесном состоянии системы на момент начала моделирования. Такая ситуация является более реальной для пахотных почв, обнаруживающих как тенденции потери, так и накопления органического вещества при неизменности используемых агротехнологий. Развитие экспериментальных методов изучения органического вещества почв и новые данные изменили представление о механизмах, определяющих его устойчивость. В соответствии с новой концепцией устойчивость органического вещества почв рассматривается как экосистемное свойство и определяется соотношением между его доступностью для микроорганизмов и защитой от разложения в результате образования агрегатов и органо-минеральных взаимодействий (Семенов, Когут, 2015; Schmidt et al., 2011; Blankinship et al., 2018). Эти представления лежат в основе моделей нового поколения, в которых пулы выделяются на основе конкретных механизмов стабилизации органического вещества и являются измеримыми. В отличие от традиционных моделей, модели нового поколения явно описывают субстрат-микробные взаимодействия. В качестве примеров моделей нового поколения можно привести Millennial (Abramoff et al., 2018), MEMS (Robertson et al., 2019). Отсутствие данных, в том числе длительных временных рядов, ограничивает параметризацию и оптимизацию таких моделей, а также способность прогноза долгосрочных изменений запасов и качества почвенного углерода (Lee at al., 2020). Большой интерес представляет сравнение традиционных моделей и моделей нового поколения, структуры которых представляют разнообразный набор допущений, связанных с микробным контролем процессов разложения и механизмами стабилизации органического вещества в почве. Отмечается высокая структурная вариативность моделей нового поколения, отражающая пробелы в знаниях о биогеохимических процессах в почве (Sulman et al. 2018). Для поиска адекватной структуры модели динамики органического вещества почв, уменьшающей неопределенность прогнозов, важны комбинированные усилия по синтезу результатов экспериментов и моделированию. 2. Разработка базовых моделей почвенной составляющей углеродного цикла нового поколения, отражающих различные представления о механизмах стабилизации органического вещества почв (ф-т почвоведения). Разработана базовая (не отягощенная деталями) модель, описывающая динамику свободного (незащищенного) и защищенного органического углерода почвы. Она отражает концепцию насыщения почвы углеродом, которая допускает существование верхнего предела («уровня насыщения») количества органического углерода, которое может закрепляться в почве в результате органоминеральных взаимодействий и физической защиты от микробного разложения при включении в микроагрегаты. В этой модели мы не описываем в явном виде каждый из механизмов стабилизации органического вещества в почве, а оцениваем их интегральное влияние на поведение системы. В отличие от традиционных линейных моделей, в которых пулы выделяются по скорости оборота и являются концептуальными, в предлагаемой модели они имеют экспериментальные аналоги и могут быть определены методами грануло-денсиметрического фракционирования. Модель основана на предположении, что по мере заполнения углерод протекторной емкости почв уменьшается ее способность к защите органического вещества от микробного разложения. Углерод-протекторная емкость почв зависит от их минералогического и гранулометрического состава. Сравнение результатов моделирования на основе предложенной модели и традиционной линейной модели с двумя пулами, выделенными по скоростям оборота (быстрым и меленным) позволит оценить необходимость включения концепции насыщения в модели динамики органического вещества почв с целью уменьшения неопределенности прогнозов. 3. Проведение качественного исследования динамики органического вещества почв на основе разработанных базовых моделей, с учётом возможности интеграции с усовершенствованной моделью ДСС (ф-т почвоведения, НИВЦ). Проведен сравнительный анализ динамики органического углерода почв на основе традиционной линейной модели с быстрым и медленным пулами (Модель 1) и модели, отражающей концепцию насыщения почвы органическим углеродом (Модель 2). В качестве объекта исследования были выбраны черноземы Ростовской области. Оценка параметров модели проведена путем калибровки по данным о запасах углерода в пахотных и целинных средне и тяжелосуглинистых черноземах настоящих степей Южно-Русской провинции (Чернова и др. 2020). Оценка параметра, характеризующего углерод-протекторную емкость черноземов основана на литературных данных (Артемьева, 2010; Когут, Семенов, 2020). Проведенный анализ показал, что в отличие от модели 1, демонстрирующей линейность между уровнем поступления органического углерода в почву в стационарном состоянии и его запасами в черноземах настоящих степей, в модели 2 линейно возрастает только стационарный запас незащищенного органического углерода почвы, тогда как стационарный запас защищенного органического углерода асимптотически стремится к величине углерод-протекторной емкости черноземов. Для изучения отклика пахотных черноземов на увеличение поступления углерода в почву с растительными остатками и органическими удобрениями использованы результаты длительного полевого опыта Ростовского ФАНЦ «Эффективность минеральных и органических удобрений в зависимости от насыщенности ими севооборота». В рамках этого опыта была прослежена динамика содержания органического углерода в верхнем слое (0-30 см) чернозема обыкновенного тяжелосуглинистого в период 1974-2010 г. Расчеты на основе сравниваемых моделей проведены для трех вариантов опыта: абсолютный контроль без удобрений (вариант 1); навоз 80 т/га +N3300P190K190 за ротацию севооборота (вариант 2); навоз 100 т/га + N580P330K330 за ротацию севооборота (вариант 3). Результаты показали, что в варианте «контроль» обе модели хорошо согласуются с экспериментом. В варианте с удобрениями, как результаты полевого опыта, так и анализ динамики запасов углерода на основе модели 2 свидетельствуют о низком потенциале секвестрации изучаемых черноземов, так как увеличение поступления углерода с растительными остатками и удобрениями в варианте 3 имеет слабый эффект, тогда как линейная модель 1 его завышает. Полученные результаты демонстрируют необходимость отражения в моделях динамики органического вещества почв концепции насыщения в условиях увеличения чистой первичной продуктивности растительного покрова при повышении концентрации СО2 в атмосфере. | ||
| 2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Пространственно-временная изменчивость углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования |
| Результаты этапа: Отчёт за 4 квартал 2024 г. В четвертом квартале 2024 года были продолжены исследования динамики запасов органического углерода в почве на основе модели SOCS, отражающей концепцию насыщения почвы углеродом. Для калибровки и проверки модели были использованы имеющиеся в литературе оценки пулов дисперсного органического вещества POM (Particulate Organic Matter) и минерально - ассоциированного органического вещества МАОМ (Mineral-Associated Organic Matter) в естественных и пахотных дерново-подзолистых почвах и черноземах, которые приняты в качестве экспериментальных аналогов переменных состояния модели, характеризующих пулы свободного и защищенного органического углерода в верхнем слое (0-20 см) почв. Многочисленные исследования были посвящены определению углерод-протекторной емкости почв. Проведенный на предыдущем этапе выполнения проекта анализ литературы позволил уточнить величину параметра модели Сm, характеризующую углерод-протекторную емкость почв, зависящую от их гранулометрического и минералогического состава. В отчетный период исследовалась зависимость стационарного запаса защищенного органического вещества почвы (С2) от количества поступающих растительных остатков (I) при разных величинах углерод-протекторной емкости почв. Расчеты по модели SOCS проведены для черноземов луговых степей ЕТР тяжелого гранулометрического состава с преобладанием минералов 2:1. Значение параметра Сm оценивалось по работам (Когут, Семенов, 2020; Six et al.(2024). Представленные результаты свидетельствуют о том, что пул защищенного органического вещества достигает насыщения при оценке углерод-протекторной емкости 35 г С/кг почвы, полученной в работе Б.М.Когута и В.М.Семенова (2020) и согласуется с их выводом о насыщенности целинных черноземов. При величине углерод- протекторной емкости 82 г C /кг (ил + глина), предложенной в работе Six et al.(2024) целинные черноземы ЕТР не достигают уровня насыщения даже при высоких величинах продуктивности луговых степей. Таким образом, чистая первичная продуктивность луговых степей при современных климатических условиях недостаточна для насыщения тяжелосуглинистых целинных черноземов органическим углеродом. Аналогичные результаты были получены другими исследователями, показавшими, что поступление углерода в почву являются серьезным ограничением для насыщения углерод-протекторной емкости почв (Poeplau et al., 2024). Результаты моделирования свидетельствуют о высоком потенциале секвестрации углерода почвами европейской территории России. Степень насыщения почв органическим углеродом даже в целинных черноземах составляет 60%, в дерново-подзолистых почвах лесных экосистем она в три раза ниже. В пахотных почвах она снижается в черноземах и дерново-подзолистых почвах, соответственно до 45% и 12%. С помощью модели RothC оценено влияние влажных и сухих лет на величину гетеротрофного дыхания в эмиссии СО2 почвами. Расчёты проведены для участка многолетних злаковых трав 2 года пользования с изменениями запасов органического С 46-68 т/га, в соответствии с данными о его пространственной изменчивости. Для расчётов использованы 20-летние погодные данные, из которых были выбраны наиболее сухой и наиболее влажный год. Моделирование проведено для 20-летнего периода, исходя из ранее полученного распределения пулов органического С, отражающих равновесное состояние, при последовательном повторении последовательности сухих либо влажных лет. Данные сравнивались с расчётами при повторении среднемноголетних погодных условий. Среднемесячный поток С-СО2 (т/га) оценивался для вегетационного периода, поступление С происходило стадийно, в соответствии с распределением, принятым в модели для сельхозземель. Полученные результаты сравнивались со среднемесячными температурами (оС) и ежемесячным дефицитом влажности (мм), определяемым как разность между осадками и испаряемостью. Из полученной зависимости видно, что в сухие годы (соответствующие отрицательным значениям дефицита влажности) рост температуры приводит к 1,5-2-х кратному росту гетеротрофного дыхания, в то время как во влажные годы возрастание потока СО2 может составить 8-10 и более раз, что соответствует ранее полученным данным о эффективности секвестрации С почвами агроэкосистем в Нечерноземной зоне. Изменчивость гетеротрофного дыхания во влажные периоды может составлять 40% и происходит пропорционально изменению запасов С. Для оценки пространственной и временной изменчивости потоков диоксида углерода с поверхности почвы, а также параметризации их зависимости от факторов внешней среды в четвертом квартале 2024 года были продолжены регулярные наблюдения за потоками диоксида углерода с поверхности почвы камерным методом. Измерения проводились на 6 заранее выбранных площадках в разных типах ландшафтов на карбоновом полигоне в Чашниково (Московская область): Во вторичном елово-осиновом щитовниково-медунично-звездчатковом лесу. Почва среднедерново-неглубокоподзолистая поверхностно-слабоглееватая языковатая среднесуглинистая (Epygleyic Glossic Retisol (Loamic)); На многолетних злаковых травах 2-го года использования. Почва дерново-мелкоподзолистая освоенная языковатая мелкопахотная среднесуглинистая слабосмытая (Glossic Antric Retisol (Loamic)); Во вторичном папоротниково-снытиево-кисличном ельнике. Почва глубокодерново-глубокоподзолистая легкосуглинистая (Retisol (Loamic)); На суходольном тимофеевко-таволговом разнотравном лугу. Почва глубокодерново-глубокоподзолистая поверхностно-оглеенная среднесуглинистая (Epygleyic Retisol (Loamic)); В переувлажненном ельнике. Почва торфяная болотно-низинная типичная торфяно-глеевая (Eutric Histosol); На черном паре. Почва дерново-неглубокоподзолистая освоенная языковатая среднепахотная легкосуглинистая (Glossic Antric Retisol (Loamic)). Измерения проводились, начиная с февраля 2023 года, с периодичностью каждые 2-3 недели. Для измерений использовался портативный газоанализатор PS-9000 (LICA, Китай), соединенный с автоматической камерой. На каждой площадке измерения проводились в 8-ми кратной повторности. Анализ временной изменчивости почвенного дыхания на разных площадках показал значительную временную и пространственную изменчивость потоков. Минимум почвенной эмиссии СО2 на всех площадках наблюдался в зимний период 2023 и 2024 года (декабрь-февраль), и увеличивался в летние месяцы. Максимальные значения почвенной эмиссии за исключением площадки в переувлажненном ельнике отмечались в летние месяцы 2023 достигая на суходольном разнотравном лугу в июне до 11.223.19 мкмоль СО2/м2с. Минимальные скорости эмиссии СО2 из почвы в атмосферу в зимние месяцы отмечались в 2024 году, варьируя от 0.323.19 мкмоль СО2/м2с в январе в переувлажненном ельнике до 0.920.27 мкмоль СО2/м2с на суходольном разнотравном лугу. Сравнение скорость эмиссии СО2 с поверхности почвы на травянистых участках (точки 2 и 4) с участком без растительности (пар, точка 6) позволяет оценить средний вклад корневого дыхания в интегральный поток СО2 с поверхности почвы. Результаты сравнения показывают, что, что скорость эмиссии СО2 с поверхности черного пара в летние месяцы 2023 года была в 1.5 – 2 раза ниже скорости эмиссии полевых и луговых участков, и не превышала в июне 2023 года - 4.6 мкмоль/м2с. В летние месяцы 2024 года на участке с паром отмечалась эмиссия СО2 на 20 - 40% ниже, чем на суходольном разнотравном лугу. Скорость почвенного дыхания на участке с многолетними злаковыми травами отличалась значительной изменчивостью в летние месяцы 2024 года: если в июне скорость почвенной эмиссии СО2 была в среднем на 80% ниже почвенного дыхания с поверхности пара, то в августе их соотношение изменилось на противоположное (скорость эмиссии СО2 с поверхности почвы превышала эмиссию СО2 с поверхности пара более чем в 1.5 раза). Данная изменчивость может быть обусловлена различиями температурного и влажностного режима выбранных участков, а также разной чувствительностью автотрофного и гетеротрофного почвенного дыхания к изменению факторов внешней среды. Для параметризации зависимости скорости почвенного дыхания (R_s) от внешних факторов нами использовалась модифицированный алгоритм Hashimoto et al. (2015), учитывающий зависимость скорости почвенного дыхания от влажности почвы (Balogh et al., 2011): 〖R_s=C〗_0 exp(C_1 T+C_2 T)×f(W), где f(W)=exp(-D_0 (ln(W⁄W_opt ) )^2 ) , T – температура почвы, W - влажность почвы, С0-2 – эмпирические коэффициенты для зависимости скорости почвенного дыхания от температуры почвы, D0 – эмпирический коэффициент для описания зависимости скорости почвенного дыхания от влажности почвы, W_opt - оптимальное для почвенного дыхания влажность почвы. Модель была параметризована с использованием данных измерений на черном паре (точка 6). Для аппроксимации модели использовался алгоритм Левенберга — Марквардта — метод оптимизации, направленный на решение задач о наименьших квадратах. Результаты аппроксимации показали достаточно хорошее соответствие выбранной модели и экспериментальных данных (R2=0.65, p<0.05). Данный алгоритм для параметризации зависимости скорости почвенного дыхания от внешних параметров планируется интегрировать в модель деятельного слоя суши (ДСС) ИВМ РАН-МГУ. Верификация, калибровка и доработка модели ДСС с использованием данных пульсационных и камерных измерений потоков CO2 резервуаров углерода в почве и растительности, включая данные карбоновых полигонов на ЕТР («Чашниково») С моделью ДСС ИВМ РАН-МГУ (TerM) был проведён численный эксперимент по воспроизведению компонента баланса углерода в системе почва-растительность экосистемы вторичного елово-осинового леса в Чашниково. Задача эксперимента – оценить качество моделирования среднеклиматического опада растительности, который был ранее оценен решением обратной задачи по модели RothC. Для граничных условий были привлечены временные ряды основных метеорологических величин потоков радиации Метеорологической обсерватории МГУ. Эти данные за 2019 г. были использованы в модели TerM для периодического воздействия продолжительностью 20 лет. Начальное содержание углерода почвы было задано по данным измерений 4 кг/м2. Начальная масса углерода растительности была задана 13 кг/м2 – подобранное значение, обеспечивающее квазистационарность резервуара растительности в ходе численного эксперимента. В модели экосистеме был назначен тип «смешанный лес». Параметры гранулометрического состава почвы были заимствованы из БД GSDE. По результатам моделирование, настоящий лес не является выраженным источником или стоком углерода. Поглощение преобладает в ранней и поздней частях тёплого сезона (до 6 мкмоль/(м2*с)), когда фотосинтез достаточно велик (высокие значения температуры воздуха и ФАР), а суммарное дыхание ослаблено низкой температурой и повышенной влажностью почвы. Эмиссия CO2 в середине лета (до 6 мкмоль/(м2*с)) связана с локальным минимумом первичной продукции (до 8 мкмоль/(м2*с)) и одновременным пиком дыхания почвы (до 8 мкмоль/(м2*с)) и высокими значениями дыхания растительности (до 4 мкмоль/(м2*с)). Это вызвано, по-видимому, низкой влажностью почвы в середине лета, ограничивающей первичную продукцию. Полученные результаты будут сопоставлены на следующих этапах проекта с оценками растительного опада по данным модели RothC. Ссылки Когут Б.М., Семенов В.М Оценка насыщенности почвы органическимуглеродом // Бюл. Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып.102, 103-124. Poeplau C., Dechow R.,| Begill N., Do A. Towards an ecosystem capacity to stabilise organic carbon in soils// Glob Change Biol. 2024;30:e17453. Six J., Doetterl S., Laub M. et al. The six rights of how and when to test for soil C saturation// SOIL, 2024, 10, 275–279, https://doi.org/10.5194/soil-10-275-2024. | ||
| 3 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Пространственно-временная изменчивость углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".