Высокочастотный СО2-мониторинг газообмена почвы и растительности с атмосферой для оценки локального углеродного баланса элемента зеленой инфраструктуры

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Актуальная в контексте зеленой повестки Environmental–Social–Governance задача оценки локального углеродного баланса элементов зеленой инфраструктуры может быть успешно решена на базе современных программируемых логгеров с NDIR-технологией детекции СО2 в воздухе. Основная идея полностью автоматизированного непрерывного мониторинга углеродного газообмена состоит в периодической прокачке атмосферного воздуха через закрытые камеры для почвы и растительности с последующей экспозицией для оценки трендов прироста (эмиссия СО2) или стока (фотосинтез) диоксида углерода встроенными в камеру СО2-логгерами. Эта разработка реализована в Серебряноборском опытном лесничестве ИЛАН РАН в г. Москве на примере посадок голубой ели (Picea pungens Engelm.) на окультуренной дерново-подзолистой супесчаной почве. В качестве СО2-логгеров использовали бюджетные газоанализаторы HT-401/5 (Китай) с регистрацией каждую минуту. Результаты мониторинга выявили сильные изменения растительной и почвенной составляющей С-газообмена с неоднократной в течение года сменой локального углеродного баланса с источника на сток. Эмиссионные углеродные потери почвой в холодный период составили 8%, а растениями – 17% от годовых потоков и не прекращались полностью даже в сильные морозы. Доля брутто-фотосинтеза вечнозеленого растения превышает 15% за счет периодических зимних оттепелей. Несмотря на положительную за год интегральную оценку порядка 100 г С/(м2 год), динамика С-баланса имеет сложный колебательный характер с нелинейными реакциями С-потоков на температуру, что девальвирует распространенную оценку по редким измерениям газовых потоков с последующей температурной экстраполяцией.

Об авторах

А. В. Смагин

МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт лесоведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: smagin@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-3483-3372
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; ул. Советская, 21, Успенское, 143030

Н. Б. Садовникова

МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт лесоведения РАН

Email: smagin@list.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; ул. Советская, 21, Успенское, 143030

С. В. Сухоруков

Институт лесоведения РАН

Email: smagin@list.ru
Россия, ул. Советская, 21, Успенское, 143030

Е. А. Беляева

Институт лесоведения РАН

Email: smagin@list.ru
Россия, ул. Советская, 21, Успенское, 143030

Список литературы

  1. Брянская И.П., Васенев В.И., Брыкова Р.А., Маркелова В.Н., Ушакова Н.В., Госсе Д.Д., Гавриленко Е.В., Благодатская Е.В. Анализ ввозимых почвогрунтов для прогнозирования запасов углерода в почвенных конструкциях Московского мегаполиса // Почвоведение. 2020. № 12. С. 1537–1546. http://doi.org/10.31857/S0032180X20120047
  2. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1995. 320 с.
  3. Епихина А.С., Визирская М.М., Васенев В.И., Мазиров И.М., Васенев И.И., Валентини Р. Инновационные методы мониторинга парниковых газов представительных ландшафтов мегаполиса // Вестник РУДН. Сер. Агрономия и животноводство. 201. № 4. С. 43–55.
  4. Когут Б.М., Семенов В.М., Артемьева З.С., Данченко Н.Н. Дегумусирование и почвенная секвестрация углерода // Агрохимия. 2021. № 5. С. 3–13. http://doi.org/10.31857/S0002188121050070
  5. Кудеяров В.Н. Почвенное дыхание и секвестрация углерода (обзор) // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1011–1022. http://doi.org/10.31857/S0032180X23990017
  6. Михайлов О.А., Загирова С.В., Гончарова Н.Н., Мигловец М.Н. Суточная динамика СО2-газообмена в системе “болото-атмосфера” в период отсутствия активной вегетации растений // Изв. Коми НЦ УрО РАН. 2013. Вып. 3. С. 35–40.
  7. Мoлчанов А.А. Продуктивность биологической массы в лесах различных зон. М.: Наука, 1977. 276 с.
  8. Молчанов А.Г. Баланс СО2 в экосистемах сосняков и дубрав в разных лесорастительных зонах. Тула: Гриф и К, 2007. 284 с.
  9. Мoлчанов А.Г. тетическая продуктивность дубового древостоя в различных условиях водообеспеченности // Физиология растений. 2005. Т. 52. № 4. С. 522–531.
  10. Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России. М.: Наука. 2007. 315 с Смагин А.В. Режимы функционирования динамических биокосных систем // Почвоведение. 1999. № 12. С. 1433–1447.
  11. Строганова М.Н., Мягкова А.Д., Прокофьева Т.В. Роль почв в городских экосистемах // Почвоведение. 1997. № 1. С. 82–86.
  12. Шевелуха В.С. Рост растений и его регуляция в онтогенезе. М.: Колос, 1992. 600 с.
  13. Шибистова О.Б., Ллойд Д., Колле О., Арнет А., Чебакова Н.М., Золотухин Д.А., Зражевская Г.К., Шульце Э.-Д. Оценка аккумулирования СО2 сосновым древостоем методом микровихревых пульсаций // Доклады АН. 2002. Т. 383. № 3. С. 425–429.
  14. Юзбеков А.К., Замолодчиков Д.Г. Углекислотный газообмен хвои ели европейской в южнотаежном ельнике // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16, биология. 2017. Т. 72. № 2. С. 106–112.
  15. Юзбеков А.К., Замолодчиков Д.Г., Иващенко А.И. Фотосинтез у ели европейской в лесных экосистемах экспериментального полигона “Лох таежный” // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16, биология. 2014. № 4. С. 32–35.
  16. Bag P., Chukhutsina V., Zhang Z. Suman P., Ivanov A.G., Shutova T., Croce R., Holzwarth A.R., Jansson S. Direct energy transfer from photosystem II to photosystem I confers winter sustainability in Scots Pine // Nat. Commun. 2020. V. 11. P. 6388. http://doi.org/10.1038/s41467-020-20137-9
  17. Brooks P.D., Grogan P., Templer P.A., Groffman P., Oquist M.G., Schimel J. Carbon and nitrogen cycling in snow-covered environments // Geogr. Compass. 2011. V. 5. P. 682–699. http://doi.org/10.1111/j.1749-8198.2011.00420.x
  18. Contosta A.R., Burakowski E.A., Varner R.K., Frey S.D. Winter soil respiration in a humidtemperate forest: The roles of moisture, temperature, and snowpack // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2016. V. 121. P. 3072–3088. http://doi.org/10.1002/2016JG003450
  19. Gamon J.A., Huemmrich K.F., Wong C.Y.S., Ensminger I., Garrity S., Hollinger D.Y., Noormets A., Peñuelas J. A remotely sensed pigment index reveals photosynthetic phenology in evergreen conifers // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016. V. 113. P. 13087–13092.
  20. Gavrichkova O., Brykova R.A., Brugnoli E., Calfapietra C., Cheng Z., Kuzyakov Y., Liberati D., Moscatelli M.C., Pallozzi E., Vasenev V.I. Secondary soil salinization in urban lawns: Microbial functioning, vegetation state, and implications for carbon balance // L. Degrad. Dev. 2020. V. 31. № 17. P. 2591–2604. http://doi.org/10.1002/ldr.3627
  21. Eddy Covariance – A Practical Guide to Measurement and Data Analysis / Eds. Aubinet M. et al. Dordrecht: Springer, 2012. 438 p.
  22. Freeland R.O. Apparent Photosynthesis in Some Conifers during Winter // Plant Physiol. 1944. V. 19. P. 179–185.
  23. Fry D.J., Phillips I.D.J. Photosynthesis of conifers in relation to annual growth cycles and dry matter production. II. Seasonal photosynthetic capacity and mesophyll ultrastructure in Abies grandis, Picea sitchensis, Tsuga heterophylla and Larix leptolepis growing in S.W. England // Physiol. Plant. 1977. V. 40. P. 300–306. http://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1977.tb04077.x
  24. Iles C.E., Samset B.H., Sandstad M., Schuhen N., Wilcox L.J., Lund M.T. Strong regional trends in extreme weather over the next two decades under high- and low-emissions pathways // Nat. Geosci. 2024. V. 17. P. 845–850. http://doi.org/10.1038/s41561-024-01511-4
  25. Ivashchenko K., Lepore E., Vasenev V., Ananyeva N., Demina S., Khabibullina F., Vaseneva I., Selezneva A., Dolgikh A., Sushko S., Marinari S., Dovletyarova E. Assessing soil-like materials for ecosystem services provided by constructed technosols // Land. 2021. V. 10. P. 1185. http://doi.org/10.3390/land10111185
  26. Jo H-K., McPherson E.G. Carbon Storage and Flux in Urban Residential Greenspace // J. Environ. Manage. 1995. V. 45. P. 109–133.
  27. Katterer T., Reichstein M., Andrén O., Lomander A. Temperature dependence of organic matter decomposition: a critical review using literature data analyzed with different models // Biol. Fertile Soils. 1998. V. 27. P. 258–262. http://doi.org/10.1007/s003740050430
  28. Keenan T., Gray J., Friedl M., Toomey M., Bohrer G., Hollinger D.Y., Munger J.W., O’Keefe J., Schmid H.P., Wing I.S., Yang B., Richardson A.D. Net carbon uptake has increased through warming-induced changes in temperate forest phenology // Nature Clim. Change. 2014. V. 4. P. 598–604. http://doi.org/10.1038/nclimate2253
  29. Kljun N., Calanca P., Rotach M.W., Schmid H.P. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP) // Geosci. Model Dev. 2015. V. 8. P. 3695–3713. http://doi.org/10.5194/gmd-8-3695-2015
  30. Mastepanov M., Sigsgaard Ch., Dlugokencky E.J. Houweling S., Ström E. Large tundra methane burst during onset of freezing // Nature. 2008. V. 456. № 4. P. 628–631.
  31. https://doi.org10.1038/nature07464
  32. Melaas E.K., Richardson A.D., Friedl M.A., Dragoni D., Gough C.M., Herbst M., Montagnani L., Moors E. Using FLUXNET data to improve models of springtime vegetation activity onset in forest ecosystems // Agric. For. Meteorol. 2013. V. 171–172. P. 46–56. http://doi.org/10.1016/j.agrformet.2012.11.01
  33. Morel J. L., Chenu C., Lorenz K. Ecosystem services provided by soils of urban, industrial, traffic, mining, and military areas (SUITMAs) // J. Soils Sediments. 2014. V. 15. P. 1659–1666. http://doi.org/10.1007/s11368-014-0926-0
  34. Nehemy M.F., Pierrat Z., Maillet J., Richardson A.D., Stutz J., Johnson B., Helgason W., Barr A.G., Laroque C.P., McDonnell J.J. Phenological assessment of transpiration: The stem-temp approach for determining start and end of season // Agric. For. Meteorol. 2023. V. 331. P. 109319. http://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109319
  35. Shaw R.K. Soils in urban areas: Characterization, management, challenges // Soil Sci. 2015. V. 180. № 4/5. P. 135. http://doi.org/10.1097/SS. 0000000000000138
  36. Shchepeleva A.S., Vasenev V.I., Mazirov I.M., Vasenev I.I., Prokhorov I.S., Gosse D.D. Changes of soil organic carbon stocks and CO2 emissions at the early stages of urban turf grasses’ development // Urban Ecosyst. 2017. V. 20. P. 309–321. http://doi.org/10.1007/s11252-016-0594-5
  37. Smagin A.V. Kinetic Assessment of Gas Exchange between the Soil and the Atmosphere by the Static Chamber Method // Eurasian Soil Sci. 2015. V. 48. P. 719–725. http://doi.org/10.1134/S1064229315070108.
  38. Smagin A.V. The Gas Function of Soils // Eurasian Soil Sci. 2000. V. 33. P. 1211–1223.
  39. Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Vasenev V.I., Smagina M.V. Biodegradation of Some Organic Materials in Soils and Soil Constructions: Experiments, Modeling and Prevention // Materials. 2018. V. 11. P. 1889. http://doi.org/10.3390/ma11101889
  40. Suсhko S., Ananyeva N., Ivashchenko K., Kudeyarov V., Vasenev V. Soil CO2 emission, microbial biomass, and microbial respiration of woody and grassy area in Moscow (Russia) // J. Soils Sediments. 2019. V. 19. P. 3217–3225. http://doi.org/10.1007/s11368-018-2151-8
  41. Suzuki R., Takahashi K. Responses of photosynthetic rates to temperature in two conifers dominating at different elevations // Landscape Ecol. Eng. 2022. V. 18. P. 389–395. http://doi.org/10.1007/s11355-022-00500-2
  42. Vasenev V., Varentsov M., Konstantinov P., Romzaykina O., Kanareykina I., Dvornikov Y., Manukyan V. Projecting urban heat island effect on the spatial-temporal variation of microbial respiration in urban soils of Moscow megalopolis // Sci. Total Environ. 2021. V. 786. P. 147457. http://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147457
  43. Yang Q., Blanco N.E., Hermida-Carrera C. Lehotai N., Hurry V., Strand A.Two dominant boreal conifers use contrasting mechanisms to reactivate photosynthesis in the spring // Nat. Commun. 2020. V. 11. P. 1–12. http://doi.org/10.1038/s41467-019-13954-0
  44. Zhang H., Bai J., Sun R., Wang Y., Pan Y., McGuire P.C., Xiao Z. Improved Global Gross Primary Productivity Estimation by Considering Canopy Nitrogen Concentrations and Multiple Environmental Factors // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 698. http://doi.org/10.3390/rs15030698

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Дополнительные материалы
Скачать (995KB)
Метаданные
3. Рис. 1. Пример суточной динамики содержания СО2 в периодически продуваемой камере на ветви (фрагмент данных от 4, 5 февраля 2024 г.).

Скачать (416KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Эмпирическая зависимость массы сухой хвои ели от ступеней толщины ствола (по экспериментальным данным [7]).

Скачать (123KB)
Метаданные
5. Рис. 3. Примеры динамики содержания СО2 в камере для мониторинга почвенного дыхания в холодный и теплый сезоны.

Скачать (936KB)
Метаданные
6. Рис. 4. Примеры динамики содержания СО2 в камере для мониторинга газообмена ветви в холодный и теплый сезоны. 1, 2 – светлое и темное время суток соответственно.

Скачать (988KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Среднесуточные потоки газообразного углерода в динамических камерах: (a) – почвенное дыхание, (b) – дыхание и нетто-фотосинтетический газообмен ветвей. Вставки – эмпирические модели связи потоков со среднесуточной температурой воздуха.

Скачать (948KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Вклады холодного и теплого сезонов года в интегральные потоки углеродного газообмена почвы и растительности с атмосферой. Примечание: под брутто-фотосинтезом подразумевается алгебраическая сумма потоков модуля нетто-фотосинтетического газообмена и темнового дыхания.

Скачать (141KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Оценка углеродного баланса элемента городской зеленой инфраструктуры (Q) в связи с условиями температуры воздуха (T) и продолжительности светового дня (n). (a) – расчет при постоянном соотношении светового и темнового периодов, (b) – учет сезонной динамики светового и темнового периодов суток.

Скачать (960KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025