Статья: Мониторинг циклов диоксида углерода и водяного пара на полигоне Лог таежный (Валдайский национальный парк)

Мониторинг циклов диоксида углерода и водяного пара на полигоне «Лог таежный» (Валдайский национальный парк)

Д. Г. Замолодчиков

Резюме. Полигон «лог Таежный» имеет 75-летнюю историю гидрологических и экологических исследований. С конца 2000-х годов на полигоне проводятся интенсивные исследования и мониторинг потоков парниковых газов с использованием методов микродинамических пульсаций и закрытых камер. Пульсационные измерения стартовали в мае 2010 г. и были прекращены по техническим причинам в августе 2011 г. Для этого периода были получены оценки испарения и обменного потока CO₂. За календарный год (16 августа 2010 г. - 15 августа 2011 г.) суммарное испарение составило 324 мм (41% годовой суммы осадков). Южно-таежный ельник в целом является стоком атмосферного углерода, нетто-поглощение составляет около 300 г С м^-2 год^-1. Однако в период аномальной жары летом 2010 г. экосистема была источником диоксида углерода. Среднесуточная пороговая температура смены знака углеродного баланса составила 28°C.

Ключевые слова. Лесная экосистема, мониторинг, диоксид углерода, водяной пар, осадки, испарение, изменения климата.

За период 1880-2012 гг. средняя глобальная температура увеличилась примерно на 0.85°С (Изменение климата, 2013). В масштабах планеты это значительная величина, приводящая к еще более выраженным изменениям региональных климатов. В частности, средняя температура приземного воздуха на территории России за то же время возросла почти на 2°С (Второй оценочный доклад…, 2013). Одной из главных причин современного глобального потепления признан рост антропогенных выбросов парниковых газов, в первую очередь диоксида углерода. При этом от глобальных антропогенных выбросов CO₂, ныне составляющих около 9.0 Гт С в год, в атмосфере остается меньше половины (4.4 Гт С), в то время как 2.6 Гт С растворяются в океане, а 2.0 Гт С поглощаются на суше (Global carbon project, 2015). Приблизительные соотношения 50 на 50, характерные как для остающейся в атмосфере и поглощаемой биосферой частей антропогенного выброса диоксида углерода, так и разделения его поглощения сушей и океаном сохраняются на протяжении индустриального периода. Иначе говоря, поглотительная способность океана и суши возрастают пропорционально величине антропогенного выброса CO₂.

Причины роста поглотительной способности океана имеют в первую очередь физико-химическую природу и связаны с растворением CO₂ в недонасыщенной по сравнению с атмосферой морской воде. Усиление поглощения углерода на суше чаще всего объясняют активизацией продукционных процессов в растительном покрове, связанной с фертилизацией растущими концентрациями атмосферного CO₂, усилением выпадений оксидов азота с осадками и прямым воздействием потепления. Встречаются точки зрения, оспаривающие роль перечисленных механизмов и выражающие сомнение в том, что наземные экосистемы и в будущем останутся значимым стоком диоксида углерода (Sitch et al., 2015 и др.). Тем не менее, обязательства стран принимать во внимание наилучшие имеющиеся научные знания о фактической емкости поглотителей при оценке национальных уровней выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов закреплены в статье 4 Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК ООН). При этом и Конвенция, и принятое на 21 Конференции Сторон РКИК ООН в 2015 году Парижское соглашение, подчеркивают необходимость обеспечения экологической целостности, прозрачности, точности, полноты, сопоставимости и согласованности учета антропогенных выбросов и абсорбции парниковых газов на национальном уровне. мониторинг поток парниковый газ

В то же время следствием неоднозначности научных суждений о динамике выбросов и поглощений парниковых газов в лесных и других естественных экосистемах является высокая неопределенность количественных оценок поглощений в национальных кадастрах парниковых газов, представляемых в органы РКИК ООН. Поэтому развитие экспериментальных и теоретических исследований по уточнению углеродного цикла естественных экосистем является актуальной задачей. И здесь исключительно велика роль долговременных стационарных наблюдений, которые обеспечивают возможность выявления долгосрочных трендов в функционировании экосистем и их возможные зависимости от изменений внешней среды и климата.

Одним из наиболее долгосрочных пунктов стационарных наблюдений за функционированием лесных экосистем в нашей стране является полигон «лог Таежный» Валдайского филиала Государственного гидрологического института (ВФ ГГИ), расположенный на территории Национального парка «Валдайский». Наблюдения за поверхностным стоком здесь были начаты в 1939 г. (Молчанов, 1973), прерваны войной и возобновлены с начала 1950-х годов. В 1970-е на полигоне проводились детальные исследования всех компонентов водного баланса (Федоров, 1977), а также многих других структурных и функциональных характеристик лесной экосистемы, в частности, первичной продукции (Ватковский и др., 1972, 1974), дыхания почвы (Гришина и др., 1979), биомассы почвенных беспозвоночных (Гришина, Коротков, 1976), опада и подстилки (Гришина, Владыченский, 1979). С начала 2010-х годов, при поддержке Росгидромета, на полигоне были начаты интенсивные исследования и мониторинг потоков парниковых газов с использованием методов микродинамических пульсаций и закрытых камер. К настоящему времени опубликованы некоторые результаты этих работ, в частности, по оценке эмиссий CO₂ от почвы (Карелин и др., 2014) и валежной древесины (Сафонов и др., 2012), а также поглощения этого газа при фотосинтезе ели (Юзбеков и др., 2014). Цель настоящей работы состоит в изложении современных оценок испарения и экосистемного обмена CO₂ на полигоне «лог Таежный».

Материалы и методы

Полевые работы проводились на исследовательском полигоне «лог Таежный» Валдайского филиала ГГИ. Полигон расположен на территории Валдайского р-на Новгородской обл. Основной массив полевых данных по дыханию почвы был получен в 110-летнем ельнике мелкотравно-зеленомошном (57°57.76ґ с. ш., 33°20.34ґ в. д., 218 м над у. м.). Согласно лесотаксационным работам, проведенным в 2010 г., древостой имеет формулу 9Е1С, средний диаметр равен 37 см; средняя высота 31 м, полнота 0.6, бонитет 1. Объемный запас стволовой древесины составляет 479 м³ га^-1, сухостоя 109 м³ га^-1, валежа 70 м³ га^-1.

Регистрацию компонентов углеродного и водного баланса проводили методом микродинамических пульсаций (eddy covariance). Основные компоненты установки представлены регистратором CR500 (Campbell Scientific Inc., USA), акустическим анемометром CSAT-3 (Campbell Scientific Inc., USA) и инфракрасным CO₂-H₂O анализатором открытого типа LI-7500 (LI-COR Inc., USA). Ключевой набор сенсоров был размещен на высотной мачте на высоте 37 м при высоте окружающего древостоя 32 м (рис. 1). Дополнительный набор сенсоров включал регистраторы радиационного баланса, фотосинтетически активной радиации (ФАР), осадков, влажности воздуха, температуры воздуха и почвы на различных уровнях, потоков почвенного тепла, влажности почвы.

Рисунок 1. Акустический анемометр CSAT-3 и инфракрасный CO₂-H₂O анализатор LI-7500 на высотной мачте над пологом южно-таежного ельника

Эксплуатация установки осуществлялась Валдайским филиалом ГГИ совместно с НПО «Тайфун» в период с 15 мая 2010 по 18 августа 2011 г. Контроль работы установки одновременно с предварительным расчетом потоков энергии, CO₂ и H₂O проводился при помощи программного обеспечения, предоставленного Campbell Scientific Inc. Поскольку в установке был использован анализатор открытого типа LI-7500, программное обеспечение при расчете потоков включало применение поправок частотных характеристик и на флуктуации плотности воздуха (Бурба и др., 2016). Результаты были представлены значениями балансового потока CO₂ между экосистемой и атмосферой, также называемого чистым экосистемным обменом (NEE), испарения (эвапотранспирации), турбулентного потока тепла, затрат тепла на испарение для 30-минутных интервалов всего периода измерений, а также величинами температур и прочих параметров, усредненных на тех же 30-минутных интервалах.

Окончательную обработку данных, полученных на пульсационной установке, проводили в пакете Miscrosoft Excel. Она состояла в фильтрации исходных массивов от выпадающих значений, заполнении пропусков данных, расчете суточных и сезонных сумм. Выпадающие значения регистрируются установкой при метеорологических явлениях, нарушающих свободный ход луча инфракрасного анализатора в колонне воздуха, например, при тумане или снегопаде. Формальными критериями для исключения выпадающих значений служили расхождение сумм разнонаправленных потоков энергии (подробнее критерий сходимости энергии охарактеризован в руководстве Бурба и др., 2016) более чем на 100 Вт м^-2, либо отличие NEE от среднего за декаду месяца для данного временного срока более чем на 0.01 ммоль м^-2 с^-1. Из общего числа 30-минутных интервалов, равного 17114, 4.2% пришлось на пропуски по техническим причинам (обслуживание установки, перерывы энергоснабжения), 8.4% на значения, исключенные по критерию сходимости энергии, 9.7% - исключенные по причине выпадающих значений NEE. В расчете на сутки, средняя доля пропущенных и исключенных значений составила 22.3%, что примерно соответствует 11 исключенным и 37 принятым значениям за сутки. Заполнение пропущенных и исключенных значений проводили по среднему из принятых за 10 дней значений для данного 30-минутного интервала. Например, исключенное значение для интервала 10:00-10:30 от 22 июня заполнялось средним по принятым значениям интервала 10:00-10:30 периода 21-30 июня. При дальнейшем расчете суммарных суточных (NEE, испарение, осадки) и среднесуточных (температура, влажность, ФАР, потоки энергии) величин принятые и заполненные значения рассматривались как единый массив.

Характеристика межгодовой изменчивости погодных условий в сравнении с климатическими нормами осуществлена по данным метеостанции «Валдай», хранящимся в архиве ВФ ГГИ.

Результаты и дискуссия

Особенности погодных условий периода наблюдений. Среднегодовые температуры в районе исследований в 2009-2015 гг. варьировали от 4.2 до 6.2°C (рис. 2), что на 0.5-2.5°C выше климатической нормы 1961-1990 г. Максимальная среднемесячная температура (+24.1°C) отмечена в июле 2010 г. Причиной тому был блокирующий антициклон, который установился на территории Европейской части России летом 2010 г. и привел к аномально высоким температурам. Но в целом 2010 г. оказался достаточно холодным для 7-летнего периода наблюдений, что связано с низкими зимними температурами. Можно отметить тренд к повышению температуры за 2009-2015 г., но он не является статистически значимым (P=0.14).

По годовому количеству осадков, варьировавшему от 639 (2015 г.) до 914.8 (2009 г.) мм, период 2009-2015 гг. несколько превышает климатическую норму 1961-1990 гг. (700.8 мм). Наименьшее количество осадков (6 мм) отмечено в июле 2010 г. Впрочем, высокое количество осадков, выпавших в конце августа 2010 г. (189 мм), компенсировало июльский минимум в годовой сумме. Минимальным по сумме осадков был 2014 г. (639 мм). Тренд к уменьшению осадков в 2009-2015 гг. статистически значим (P=0.01).

Рисунок 2. Современная динамика среднегодовой температуры воздуха и годовой суммы осадков по данным метеостанции «Валдай» в сравнении с климатическими нормами 1961-1990 гг.

Осадки и испарение. Период работы установки Сampbell, регистрирующей газовые потоки и широкий комплекс других метеорологических характеристик, включал лето 2010 г., часть которого в Европейской части России отличалась необычно высокой температурой и отсутствием осадков. На Валдае такие условия умеренно сказались на испарении, которое уменьшилось всего на 30% в сравнении с типичными условиями (рис. 3A). Поддержание уровня испарения шло за счет уменьшения влагозапаса почвы, что ярко выразилось в уменьшении влажности верхнего слоя почвы (рис. 3Б).

Рисунок 3. Динамика испарения (А), осадков и влажности почвы (Б) за май 2010 г. - сентябрь 2011 г. в южнотаежном ельнике. Испарение и осадки представлены суточными суммами по 48-и 30-минутным интервалам, влажность - суточными средними по 48-и 30-минутным интервалам

Суммарные осадки в период с 15 мая по 30 сентября 2010 г. составили 233 мм, а испарение - 197 мм, то есть 85% от осадков. В монографии (Федоров, 1977) для того же самого полигона «лог Таежный» приводится оценка осадков за май-сентябрь 1950-1964 гг., равная 448 мм, а также ежегодные значения испарения за май-сентябрь с 1955 по 1973 гг., варьирующие от 367 (1970 г.) до 448 (1957 г.) мм при среднем значении 406 мм. Соотношение между испарением и осадками в этом случае составляет 90%. Отметим заметное различие в цитируемых и наших оценках испарения, что связано как со спецификой сухого 2010 г., так и различием в методических подходах к оценке испарения. В работе (Кучмент и др., 2012) проведен перерасчет испарения по полигону «лог Таежный» для 1971-1973 гг. на основе оригинальной модели гидрологического цикла лесного водосбора. Согласно этой работе, для периода 24 мая - 15 сентября 1971 г. осадки и испарение составляли 340 и 268 (79%), 1972 г. - 118 и 238 (202%), 1973 г. - 316 и 225 мм (71%), что ближе к полученным нами оценкам в сравнении с данными из источника (Федоров, 1977). Напомним, что лето 1972 г. на территории Европейской части России отличалось необычной жарой и сухостью. Приведенные данные свидетельствуют, что по соотношению компонентов гидрологического цикла в лесах Валдая оно было даже более экстремальным, чем лето 2010 г.

По сравнению с теплым, в холодный период года испарение существенно уменьшилось, составив в сумме за 3 зимних месяца 23 мм (0.3 мм за сутки). Осадки в форме снега не регистрируются установкой Campbell, согласно же данным метеостанции Валдай, за зиму 2010-2011 гг. сумма осадков составила 194 мм. Таким образом, за зиму испаряется примерно 12% выпавших осадков. Устойчиво высокие величины объемной влажности почвы, составившие в среднем 18.5%, были зарегистрированы в апреле 2011 г. (рис. 3А). Они вполне логично объясняются влагозапасом, образовавшимся при таянии снежного покрова.

Измерения в теплые периоды 2010 и 2011 гг. в сезонном аспекте пересекались для интервала 15 мая - 15 августа. Осадки в этот интервал составили 101 и 194 мм соответственно, а испарение - 143 и 154 мм соответственно. Эти величины являются очередным подтверждением стабилизирующего воздействия лесной экосистемы по отношению к гидрологическому циклу: при различии осадков на 90% разница между значениями испарения составляет всего 8%.

За период, равный календарному году (16 августа 2010 г. - 15 августа 2011 г.), суммарные осадки составили 793 мм. Эта величина составлена из двух компонентов: 1) осадков согласно установке Campbell для августа-октября 2010 г. и апреля-августа 2011 г.; 2) осадков согласно метеостанции Валдай с ноября 2010 г. по март 2011 г. Суммарное годовое испарение оценивается 324 мм, то есть в 41% от осадков. Доля испарения в зимний период (декабрь 2010 г. - февраль 2011 г.) от годового составила 7.3%.

NEE лесной экосистемы. Сезонный характер динамики NEE в южно-таежном ельнике (рис. 4) вполне соответствует найденному во многих других работах, выполненных с использованием метода турбулентных пульсаций (Загирова, Михайлов, 2016; Чебакова и др., 2014; Kurbatova et al., 2008 и др.): в безморозное время года (апрель-октябрь) преобладает сток углерода из атмосферы в лесную экосистему, в холодное (ноябрь-март) - источник. На рис. 4 и далее для обозначения стока углерода из атмосферы используются отрицательные значения. Среднесуточное значение NEE для безморозного периода составило -1.82 г C м^-2 сут^-1, в то время как для холодного периода оно равнялось 0.26 г C м^-2 сут^-1. Эти изменения вполне логично объясняются сезонными экофизиологическими реакциями лесной растительности и организмов деструкторов. Разложение мертвого органического вещества грибами и бактериями происходит в течение всего года, в то время как фотосинтез растений, формирующий валовую первичную продукцию (GPP) - лишь в течение безморозного периода. В исследуемом ельнике GPP превышает по абсолютной величине совокупность автотрофного и гетеротрофного дыхания, потому в безморозное время имеет место сток углерода. В холодное время действует лишь эмиссионная компонента потока CO₂, определяемая дыханием.