Влияние температуры и влажности на эмиссионные потоки СО2 с поверхности почвы в сосняках среднетаежной подзоны Средней Сибири

Актуальность темы. Бореальные леса занимают около 11% земной
поверхности суши, являясь одним из крупнейших наземным биомов. Эти
леса играют значительную роль в глобальном углеродном цикле и особенно
чувствительны к потеплению климата (Lindroth et al., 1998; Mitchell et al.,
1989). Почвы бореальной зоны содержат значительные запасы углерода,
поэтому их реакция на текущие изменения климата (IPCC, 2007; Ваганов и
др., 2005; Ведрова, 2011) существенно отразится на устойчивости лесных
экосистем и будущей концентрации CO2 в атмосфере.
Потенциальное увеличение почвенной эмиссии CO2, вызванное
повышением температуры, может увеличить скорость роста концентрации
атмосферного CO2, в том числе за счет положительной обратной связи (Fang,
Moncrieff, 2001; Sa’nchez et al. 2003; Клименко, Микушина, 2011). Измерения
потоков СО2 в европейских лесах показывают, что при расчете на единицу
площади, в бореальных лесах депонируется меньше атмосферного СО2, чем
леса более южных регионов (Valentini et al., 2000; Курбанов и др., 2008),
главным образом за счет высоких темпов дыхания почвы по отношению к
фотосинтетической активности (Janssens et al., 2001). При потеплении будет
наблюдаться увеличение скорости почвенного дыхания, которое будет
способствовать постепенному снижению скорости связывания углерода
(Raich and Schlesinger, 1992; Davidson et al., 2000). Несмотря на значительный
вклад в круговорот углерода, дыхание почвы оказалось чрезвычайно
сложным для точной количественной оценки. Как и во многих других
почвенных процессах, почвенное дыхание демонстрирует высокие уровни
пространственной гетерогенности, и может сильно варьироваться в
суточных, сезонных и межгодовых временных масштабах (Law et al., 1999;
Buchmann, 2000; Xu and Qi, 2001).
В течение сезона потоки СО2 из почвы сильно коррелируют с
изменениями температуры почвы, особенно в условиях оптимальной
влажности (Yuste et al., 2003). Значительное подавление скорости потоков
наблюдается при низком содержании воды в почве (Borken et al., 2002; Irvine
and Law, 2002). До сих пор плохо изучена сезонная зависимость почвенной
эмиссии СО2 от влажности почвы, поскольку изменения температуры почвы
и влажности почвы часто коррелируют между собой, и независимое влияние
каждой переменной трудно выделить или интерпретировать (Davidson et al.,
1998).
При крупномасштабном моделировании почвенной эмиссии обычно
используют температуру почвы (Buchmann, 2000), влажность почвы
(Davidson et al., 2000), а также их взаимодействие (Lee et al., 2004). Однако
они недостаточны для объяснения пространственных изменений дыхания
почвы в пределах участка и между участками (Xu и Qi, 2001).
Пространственное масштабирование дыхания почвы от полевых измерений
до уровней экосистем требует изучения его пространственных изменений.
Поэтому необходимо включить как временную, так и пространственную
неоднородность почвенного дыхания в модель с целью перехода от масштаба
с камерных измерений дыхания почвы до уровня экосистемы (Tang and
Baldocchi, 2005).
Цель работы – выявить закономерности влияния температуры и
влажности на эмиссионные потоки СО2 с поверхности почвы в сосняках
среднетаежной подзоны Средней Сибири
Задачи исследования:
1. Оценить пространственную вариацию почвенной эмиссии СО2 в
разных типах экосистем;
2. Выявить особенности динамики почвенной эмиссии на
различных временных масштабах: суточная, сезонная, межсезонная
динамика;
3. Проанализировать влияние основных факторов среды
(температура, влажности почты) на формирование потока СО2;
4. Определить пороговое значение влажности почв для
максимальной почвенной эмиссии для среднетаежной зоны;
5. Построить адекватную модель сезонного потока почвенной
эмиссии СО2 для разных типов экосистем.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В пределах одного типа почв величина почвенной эмиссии СО2
определяется типом растительного покрова.
2. Условия увлажнения выступают основным лимитирующим
фактором для почвенной эмиссии СО2 на песчаных подзолах в активной
части вегетационного сезона.
3. Усовершенствование экспоненциальной модели почвенной
эмиссии СО2 для конкретного региона среднетаежных лесов позволяет более
детально изучить сезонную динамику почвенной эмиссии СО2 и дает
инструмент для масштабирования потоков СО2 на исследуемую территорию.
Научная новизна. Впервые проведены длительные измерения
сезонной динамики – 5 сезонов измерений для участков с разными типами
напочвенного покрова в пределах одной растительной подзоны. Получена
характеристика влияния климатических условий территории на величину
почвенной эмиссии СО2 в течение вегетационного сезона.
Усовершенствована и верифицирована комбинированная экспоненциальная
модель почвенной эмиссии СО2, с учетом специфических особенностей
вегетационного сезона и типа напочвенного покрова.
Теоретическая и практическая значимость работы. Значимым
вкладом научной работы в развитие теоретической базы существующих
данных по почвенной эмиссии углерода является актуализированные оценки,
необходимые как для составления бюджета углерода лесных экосистем, так и
для верификации глобальных вегетационных моделей. Модификация
экспоненциальной модели позволяет более точно проследить изменения
потока СО2 с поверхности почв с учетом особенности вегетационного сезона.
Практическая значимость работы обусловлена оценкой взаимозависимостей
между типом развития территории и почвенной эмиссией СО2 на территории
лесов бореальной зоны.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в
проведении полевых измерительных работ, отборе образцов почв, опада и
живого напочвенного покрова. Участвовал в разработке и конструировании
экспериментов по рассмотрению влияния факторов среды на динамику
сезонного потока СО2 с поверхности почвы, а также в усовершенствовании и
верификации модели.
Апробация работы. Результаты и выводы основных частей работы
были представлены на всероссийских и международных конференциях,
среди которых можно отметить: Japan Geoscience Union Meeting 2016,
Международную конференцию «BIOGEOMON 2017», IV Всероссийскую
конференции молодых ученых «Биоразнообразие: глобальные и
региональные процессы» (Улан-Удэ, 2016), Всероссийскую научную
конференцию «Научные основы устойчивого управления лесами» (Москва,
2014), III Всероссийской молодежной конференции «Перспективы развития и
проблемы современной ботаники» (Новосибирск, 2014), Международной
научно-практической конференции «Наука — инновационному развитию
лесного хозяйства» (Гомель, 2015), X Международном симпозиуме «Баланс
углерода, воды и энергии и климат бореальных и арктических регионов с
особым акцентом на Восточную Евразию» (Якутск, 2016), International
conference “Climate Change constrains and opportunities in the Asian Pacific
Region: Human-Biosphere-Atmosphere Interactions and Green Growth“
(Владивосток, 2017), «SPARC 2018» (Kyoto, Japan), “ENVIRONMIS 2018”
(Томск, Россия), EGU Assembly 2017, 2019 (Vienna, Austria), ISEB 2019
(Potsdam, Germany).
Публикации. Основные положения научной работы были
опубликованы в материалах и сборниках всероссийских и международных
конференций, а также 8 статей в изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав и выводов. Текст работы изложен на 158 страницах, содержит 39
рисунков и 12 таблиц. Список использованной литературы содержит 218
источников, 174 из которых на английском языке.
Благодарности. За ценные советы, рекомендации и поддержку автор
выражает огромную благодарность А.С. Прокушкину С.В. Верховцу, О.В.
Меняйло, В.В. Шишову, Н.Н. Кошурниковой, И.И. Тычкову, А.В. Урбан,
А.В. Рубцову и Д.А. Полосухиной. Автор также признателен коллективу
Лаборатории биогеохимических циклов Института леса им. В.Н. Сукачева
СО РАН за помощь в отборе, транспортировке образцов и установке
экспериментальных конструкций. Автор благодарит коллектив станции
высотной мачты «ZOTTO» за неоценимую поддержку в проведении полевых
работ в течение всех измерительных сезонов, особенно при работе на
экспериментальных участках. Автор выражает благодарность сотрудникам
Лаборатории биогеохимии экосистем и Кафедры экологии и
природопользования Института экологии и географии ФГАОУ ВО
«Сибирский федеральный университет» за ценные комментарии и советы
при работе над диссертацией.
Используемые в работе сокращения