CC BY
63
Роль климатических изменений в формировании потоков СО2 на верховом болоте
УДК : 551.51
РОЛЬ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ПОТОКОВ С02 НА ВЕРХОВОМ БОЛОТЕ
© 2009 Ю.А. Курбатова1, Н.В. Шалухина1, А.В. Варлагин1, Ч. Ли2
'Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, г. Москва;
e-mail:kurbatova.j@gmail.com
^Институт исследования Земли, океанов и космоса университета Нью Хемпшира,
США, Нью Хемпшир
Модель денитрификации - декомпозиции (Forest-DNDC) была применена для оценки потоков С02 на верховом болоте южной тайги в европейской части РФ (Тверская обл.). Исследование было проведено в два этапа. На первом этапе результаты моделирования сравнивались с экспериментальными данными за потоками СО которые были получены с помощью техники пульсационных наблюдений. На втором этапе были выполнены прогнозные оценки потоков С02 между экосистемами и атмосферой при возможных изменениях уровня грунтовых вод и температуры воздуха. Установлено, что рост температуры воздуха и увеличение глубины уровня грунтовых вод может привести к существенному росту потоков СО2 в атмосферу в экосистемах южной тайги Европейской части РФ.
Ключевые слова: потоки СО2, южная тайга, верховое болото, модель Forest-DNDC .
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия в контексте проблемы глобального изменения климата исследования роли природных экосистем в формировании баланса парниковых газов сохраняют особую актуальность. Болота и заболоченные земли с наличием торфа являются важными элементами ландшафта, способными к аккумуляции углерода в геологическом масштабе времени. В северном полушарии в зоне бореальных лесов Евразии и Северной Америки площадь торфяных болот составляет около 3.5х106 км2 [16]. По различным оценкам запасы углерода в заболоченных землях бореального пояса равны 114-882х 109 тС [5, 12, 17]. Россия обладает одним из самых больших в мире запасов торфяных болот. Болота и заболоченные земли занимают не менее 20% территории и представляют около 2/5 площади всех торфяных болот мира [1]. Запасы углерода в болотах РФ оцениваются от 113,5х109т [20] до 200х109 т [8], что составляет от 20% до 50% запасов углерода в торфяных болотах в целом. Несмотря на то, что болота и заболоченные земли занимают около 3 % земной поверхности, они, как правило, не входят в глобальные климатические модели и не рассматриваются в климатических сценариях. Исследования в основном сосредоточены на влияние глобальных климатических изменений на лесные и морских экосистемы [11]. Болота и заболоченные земли традиционно оцениваются как источник водяного пара для атмосферы и как экосистемы, депо-
нирующие углерод. Однако экспериментальные исследования, выполненные в последнее время, подтвердили значительную изменчивость неттопотока углерода между болотными экосистемами и атмосферой, которая определяется комплексом факторов [4, 6]. Математические модели, позволяющие рассчитывать основные составляющие углеродного баланса на основе связей углеродного цикла с температурой, влажностью, уровнем грунтовых вод, интенсивностью солнечной радиации и характеристиками почвенного профиля являются важным инструментом экологических исследований, позволяющим расширить представления о механизме формирования баланса углерода и оценить влияние климатических изменений на потоки С02.
Основной целью данной работы стало исследование влияния температурных условий и глубины залегания грунтовых вод на динамику потоков углерода между поверхностью болотной экосистемы и атмосферой на основе анализа результатов математического моделирования.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Математическое моделирование. Модель Forest-DNDC (денитрификации - декомпозиции), используемая в данном исследовании, является математической моделью, описывающей потоки воды, углерода, азота и метана в лесных и болотных экосистемах [19]. Модель оценивает гидрологические и биохимические процессы в экосистеме, что позволяет описывать как анаэ-
1501
Известия Самарского научного центраРоссийской академии наук. Т 11, № 1(7), 2009
робные, так и аэробные процессы. Модель Forest - DNDC состоит из двух основных блоков. Первый блок включает три подмодели, описывающие: температурно-влажностный режим почвы, растительный покров, процессы декомпозиции почвенного углерода. Подмодели оценивают зависимости между климатическими факторами, структурой почвы, растительным покровом, антропогенной активностью и характеристиками почвенного профиля. Второй блок состоит из подмоделей: нитрификации, денитрификации и ферментации и описывает трансформацию углерода и азота под воздействием факторов окружающей среды. Результаты моделирования позволяют оценивать суточные и годовые потоки С02, N2O, NO, N2, CH4. Расчетные значения нетто-экосистемного обмена С02 (NEE) равны разнице между нетто-первичной продукцией (GPP) и дыханием автотрофов (Ra) и гетерот-рофов (Rh). Динамика почвенного увлажнения оценивается на основе данных о суточных сум -мах осадков и испарения, структуры почвы, потерь влаги из-за процессов вымывания. Для моделирования потоков газов в болотных экосистемах необходимы ежедневные данные об уров -не грунтовых вод (WT) с целью определения степени увлажнения торфяной залежи. В качестве данных о WT могут быть использованы результаты полевых наблюдений, данные эмпирических зависимостей, результаты расчетов гидрологических моделей, описывающих динамику воды в болотных экосистемах. Модель Forest-DNDC была протестирована на основе данных наблюдений за потоками С02 в лесных экосистемах РФ и Европы [9, 10, 14, 15]. В данном исследовании модель Forest-DNDC была использована с целью оценки потоков С02 между поверхностью верхового болота и атмосферой при возможных климатических изменениях.
Исследование было выполнено в два этапа. На первом этапе результаты численного моделирования были сопоставлены с экспериментальными значениями потоков С02, которые были получены на верховом болоте. В качестве гидрометеорологических данных (минимальная и минимальная температура воздуха, суточные суммы осадков, потоки солнечной радиации) были использованы наблюдения ближайшей к болотному массиву метеорологической станции, расположенной в 5 км от болотного массива данные измерительного комплекса, установленного на верховом болоте. Для расчета были использованы следующие характеристики почвенной залежи: глубина торфяного горизонта - 1,5 м; плотность торфа - 0,1 г см3; пористость - 0,8; общее содержание углерода в торфяной залежи мощностью 1,5 м - 313 300 кг С га-1. При расчетах растительный покров был охарактеризован как моховой (3000 кг С га-1) и состоящий из сосудистых растений (3000 кг С га-1). Основные физиологические параметры растительного покрова приведены в таблице 1. После уточнения параметров модели, на втором этапе нашего исследования Forest - DNDC была использована с целью оценки влияния роста температуры воздуха и изменения уровня грунтовых вод на NEE верхового болота. Пять альтернативных сценариев изменения температуры воздуха и уровня грунтовых вод были использованы при оценке NEE. Потоки оценивались при последовательном росте температуры воздуха на 2,4°С и/или увеличении глубины залегания грунтовых вод на 10 или 20 см. Выбор данных сценариев был обусловлен существующими прогнозами роста летних температур воздуха и увеличение частоты экстремальных погодных явлений, в том числе засух, в данном регионе при прогнозируемых климатических изменениях [13].
Таблица 1. Параметры моховой и сосудистой растительности верхового болота,
используемы в модели Forest-DNDC
Вид Максимальный фотосинтез, мкмоль М-2С-1 Минимальная температура фотосинтеза, °е Максимальная температура фотосинтеза, °е Оптимальная температура фотосинтеза, °е Макс. LAI Глубина корней, м
Мхи 10 5 35 20 0,1 0,5
Сосудистые растения 10.3 5 30 20 0,28 0,3
Объект исследования и экспериментальные наблюдения. В качестве объекта исследования было выбрано верховое болото, расположенное на территории Центрально-Лесного государственного природного биосферного запо-
ведника (ЦЛЗ) в Тверской обл. (56oN, 33oE). Территория ЦЛЗ находится в зоне умеренно-континентального климата, со среднегодовой температурой воздуха 3,8oC и годовой суммой осадков 731 мм. Продолжительность безморозного
1502
Роль климатических изменений в формировании потоков СО2 на верховом болоте
периода в среднем составляет 111 дней [2]. Согласно классификации, принятой в Гидрометеослужбе РФ [3], выбранный для исследования болотный массив относится к выпуклым талым олиготрофным комплексным грядово-мочажин-ным болотам с сезонным промерзанием. Площадь болотного массива 617 га. Состав болотных формаций характеризуется значительной неоднородностью. Наибольшее распространение имеет сфагново-пушицевый тип микроландшафта.
Исследования потоков двуокиси углерода между поверхностью болотного массива и атмосферой были проведены в рамках проекта ЕС «Eurosiberian Carbonflux». В целом измерения, обработка и анализ данных были выполнены с использованием унифицированных подходов, принятых на европейской сети станций долговременного мониторинга потоков С02 [7]. Экспериментальные данные о NEE были получены как ковариация между пульсациями концентрации С02 и вертикальной составляющей скорости ветра на высоте 6 м над поверхностью болота. Для измерения пульсаций температуры и составляющих скорости ветра использовался ультразвуковой анемометр (Solent R3, Gill Instruments, Lumington, UK). Наблюдения за пульсациями С02 были выполнены с помощью инфракрасного газоанализатора (IRGA, Li-Cor 6262, Lincoln, USA). Потоки С02 в процессе обработки и анализа усреднялись за 30 минут. Для оценки пространственного осреднения была использована модель Shuepp [18]. Согласно расчетам по этой модели, при установке датчиков на высоте 6 м в среднем за
сутки 90% значений измеряемого потока соответствует взвешенному среднему значению вдоль траектории переноса с линейными размерами 1100-1200 м. Соответственно, анализируемые данные в целом характеризуют потоки С02 на экосистемном уровне осреднения. Дополнительно измерялись температура и влажность воздуха, температура почвы на глубинах 5, 15, 50 и 100 см, давление, основные составляющие радиационного баланса. Подробности измерений описаны в работе [6]. Наблюдения за потоками проводились в течение трех вегетационных сезонов 1998-2000 гг. В данной работе анализировались данные только 1999 г., что было обусловлено двумя основными причинами: (1) 1999 г характеризовался наиболее длительным и полным рядом наблюдений; (2) в 1999 г болотный массив функционировал как источник С02 для атмосферы (т.е. кумулятивный поток экосистемного дыхания был выше общей первичной продукции), что может служить прототипом функционирования верхового болота в условиях роста температуры воздуха и опускания уровня грунтовых вод, а также во время длительных засух.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Основной характеристикой модели, по которой проводилось сопоставление экспериментальных и расчетных величин являлся нетто-экосистемный обмен С02 (С). Именно эта характеристика носит комплексный характер, т.к. именно на NEE влияет вся совокупность параметров, вхо-
Рис. Экспериментальные и расчетные значения NEE для 1999 г.
1503
Известия Самарского научного центраРоссийской академии наук. Т 11, № 1(7), 2009
дящих в модель. NEE (или за более длительные периоды времени - нетто-экосистемная продукция (NEP) является важнейшей характеристикой экосистемы, т.к. на основании этой величины можно определить характер функционирования экосистемы (доминируют ли в ней процессы синтеза или деструкции). На рисунке приведено сопоставление результатов измерения и расчетов суточных сумм NEE для 1999 г.
Полученные результаты подтвердили, что модель Forest-DNDC адекватно описывает потоки С02 на верховом болоте. Результаты моделирования позволяют лучше интерпретировать полученные экспериментальные данные и объяснять механизмы формирования углеродного ба-ланса болотной экосистемы. Выполненные прогнозные оценки показали, что в условиях изменения климата, которые могут сопровождаться ростом температуры воздуха и увеличением глубины уровня грунтовых вод верховые болота могут стать значительным источников С02 для атмосферы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сирин А.А., Минаева Т.Ю. Торфяные болота
России: к анализу отраслевой информации. М.: Ееос. 2001. 190 с.
2. Минаева Т.Ю., Шапошников Е.С. Характерис-
тика региона и природные условия территории заповедника // Сукцессионные процессы в заповедниках России и проблемы сохранения биологического разнообразия. Спб. 1999. С. 296-299.
3. Наставления гидрометеорологическим станци-
ям и постам. Вып. 8. Л.: Еидрометеоиздат, 1972. 295 с.
4. Alm J., Talanov A., Saarnio S et al. Reconstruction
of the carbon balance for
mirosites in a boreal oligotrophic pine fen // Finland - Oecologia 1997. V 110. P. 423 - 431.
5. Armentano T., Menges E. Patterns of change in the
carbon balance of organic soil wetlands of the temperate zone // J. Ecol. 1986. V 74. P. 755774.
6. Arneth A., Kurbatova J., Kolle O. et al. Comparative ecosystem-atmosphere exchange of energy
and mass in a European Russian and a central Siberian bog II. Interseasonal and interannual variability of CO2 fluxes // Tellus. 2002. V 54B. P. 514-530.
7. Aubinet M., Grelle A., Ibrom A. et al. Estimates of
annual net carbon and water exchange of forests: the EUROFLUX methodology // Adv. Ecol. Res. 2000. V 30. P. 113-175.
8. BotchM.S., KobakK..,, Vinson T.S. Carbon pools and accumulation in peatlands of the former Soviet Union // Global Biogeochem Cycles. 1995. V. 9. P. 37-46.
9. Butterbach-Bahl K., KesikM., Miehle P, Papen H., Li C. Quantifying the regional
source strength of N trace gases across agricultural and forest ecosystems with process based models // Plant and Soil. 2004. V 260. P. 311 - 329.
10. Cui J., Li C., Sun G., Trettin C. Linkage of MIKE SHE to Wetland-DNDC for carbon
budgeting and anaerobic biogeochemistry simulation // Biogeochemistry. 2005 V 72.
P. 147-167.
11. Fan S., Gloor M., Mahlman J. et al. A large
terrestrial carbon sink in North America implied by atmospheric and oceanic carbon dioxide data and model // Science. 1998. V
282. P. 442 - 447.
12. Gorham E. Northern peatlands: role in the carbon cycle and probable responses to climate warming / / Ecol. Appl. 1991. V 1. P. 182-195.
13. IPCC 2007 Climate Change: The Physical Science Basis. Contribution ofWorking Group
I to the Fourth Assessment Report of the IPCC. Cambridge University Press: 2007. 960 p.
14. Kurbatova J., Li C., Varlagin A., Xiao X., Vygodskaya N. Modeling carbon dynamics in two
adjacent spruce forests with different soil conditions in Russia // Biogeosciences. 2008.
V. 5. P. 969-980.
15. Miehle P, Livesley S. J., Feikema P M., Li C., Arndt S. K. Assessing productivity and
carbon sequestration capacity of Eucalyptus globulus plantations using the process model Forest-DNDC: Calibration and validation // Ecological Modelling. 2006. V 192. P. 83-94.
16. Minayeva T., Bleuten W., Sirin A., Lapshina E. Eurasian Mires of the Southern Taiga Belt:
Modern Features and Response to Holocene Paleoclimate // Wetlands and Natural Resource Management. Springer-Verlag Berlin Heidelberg: Ecological studies. 2006. V 190. P. 315-341.
17. Post W., Emanuel W., Zinker P Soil carbon pools and word life zones // Nature. 1982.
V 298. P. 156-159.
18. Shuepp PH., Leclers M.Y., Pherson J.I., Desjardings R.L. Footprint prediction of scalar fluxes
from analytical solutions of diffusion equation // Bound. Layer Meteorol. 1990. V 50. P. 335374.
19. URL: http://www.dndc.sr.unh.edu
20. Vompersky S., Tsyganova O., Valyeva N. Peat covered wetlands of Russia and carbon pool of their peat // Peatland use - present, past and future / Proc. Intern. Peat. Congr. 1996. V 10. P. 381 -390.
1504
Роль климатических изменений в формировании потоков СО2 на верховом болоте
MODELING IMPACT OF CLIMATE CHANGE ON CARBON DIOXIDE FLUXES
FROM A OMBROTROPHIC BOG
© 2009 Ju.A. Kurbatova x, N.V. Shalukhina x, A.V. Varlagin x, C. Li2
A.N. Severtsov Institute of Ecology and Evolution of RAS, Moscow, Russia; e-mail:kurbatova.j@gmail.com
2Institute for the Study of Earth, Oceans and Space University of New Hampshire, USA;
A process-based model (Forest-DNDC) was applied for modeling impacts of climate change on carbon dioxide fluxes from a peat bog in European Russia. At first, Forest-DNDC was tested against carbon dioxide (CO2) fluxes measured by the eddy covariance method on an ombrotrophic bog in region of southern taiga (56°N 33°E). The results from the tests showed that Forest-DNDC was capable of quantifying CO2 fluxes from the bog ecosystem. The validated model was then utilized to estimate how climate changes could affect the C dynamics in the bogs under several assumed temperature-hydrology scenarios. The modeling study reported in this paper implicated that the bog ecosystems could become a significant source of atmospheric CO2 under certain temperature and water table changes in future.
Keywords: CO2 fluxes, Forest-DNDC model, bog ecosystem, southern taiga.
1505
