Том 37, номер 09, статья № 6

Аннотация:

Современные изменения глобального климата сопровождаются ростом температуры воздуха и почвы. Как они отражаются на почвенном дыхании и следует ли ожидать изменение эмиссии парниковых газов? На эти вопросы невозможно ответить без исследования газообмена почвы и атмосферы. В настоящей работе приводятся результаты анализа удельных потоков парниковых газов на границе раздела «почва – атмосфера», измеренных в обсерватории «Фоновая» в 2023 г. Для измерения потоков были использованы три статические камеры: прозрачная и непрозрачная – на участках почвы с растительностью, и еще одна прозрачная – на участке почвы без растительности. Для СО₂ и СН₄ был зафиксирован устойчивый сток в течение всего вегетационного сезона, для N₂O, наоборот, – слабая положительная эмиссия. Устойчивый сток углекислого газа из атмосферы наблюдался в период с мая до середины августа, его величина достигала -600 мг × м^-2 × ч^-1 в июне и июле, а величина стока метана составляла -0,08 мг × м^-2 × ч^-1. Поток закиси азота колебался вблизи нуля, а его среднесуточные вариации почти укладывались в коридор ± 0,02 мг × м^-2 × ч^-1. Установлена нелинейная положительная зависимость увеличения интенсивности дыхания экосистемы, т.е. эмиссии СО₂, от температуры почвы. Для метана получены линейные отрицательные зависимости во всех трех камерах – рост температуры почвы усиливает его поглощение. У N₂O очень слабые положительные зависимости в обеих прозрачных камерах (с растительностью и без нее). Оценки вклада эмиссии CO₂ из почвы показали, что в ночное время микробное дыхание может вносить вклад в общее дыхание экосистемы от 46,7 до 77,9%. В среднем за сутки доля поглощения метана почвой, обусловленного диффузией и свободной метанотрофией, изменяется от 5,3 до 48,3%. Меньше она становится в дневное время и увеличивается в ночное. Вклад почвы без растительности в общую эмиссию N₂O может составлять до 92,3%. Полученные результаты должны расширить сведения о газообмене «почва – атмосфера» в условиях меняющегося климата.

Ключевые слова:

атмосфера, воздух, закись азота, метан, поток, углекислый газ, эмиссия

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Tollefson J. Earth’s hottest month: These charts show what happened in July and what comes next // Nature. 2023. V. 620, N 7975. P. 703–704. DOI: 10.1038/d41586-023-02552-2.
2. IPCC: Summary for Policymakers // Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2021. P. 1–41.
3. Ramonet M., Ciais Ph., Sha M.K., Steinbacher M., Sweeney C. CO₂ in the atmosphere: Growth and trends since 1850 // Oxford Research Encyclopedias, Climate Change. 2023. 44 p. DOI: 10.1093/acrefore/9780190228620.013.863.
4. Киселев А.А., Кароль И.Л. С метаном по жизни. СПб.: Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, 2019. 73 с.
5. Thompson R.L., Lassaletta L., Patra P.K., Wilson C., Wells K.C., Gressent A., Koffi E.N., Chipperfield M.P., Winiwarter W., Davidson E.A., Tian H., Canadell J.G. Acceleration of global N₂O emissions seen from two decades of atmospheric inversion // Nature Clim. Change. 2019. V. 9, N 12. P. 993–998. DOI: 10.1038/s41558-019-0613-7.
6. Алферов А.М., Блинов В.Г., Гитарский М.Л., Грабар В.А., Замолодчиков Д.Г., Зинченко А.В., Иванова Н.П., Ивахов В.М., Карабаню Р.Т., Карелин Д.В., Калюжный И.Л., Кашин Ф.В., Конюшков Д.Е., Коротков В.Н., Кровотынцев В.А., Лавров С.А., Марунич А.С., Парамонова Н.Н., Романовская А.А., Трунов А.А., Шилкин А.В., Юзбеков А.К. Мониторинг потоков парниковых газов в природных экосистемах. Саратов: Амирит, 2017. 279 с.
7. Куричева О.А., Авилов В.К., Варлагин А.В., Гитарский М.Л., Дмитриченко А.А., Дюкарев Е.А., Загирова С.В., Замолодчиков Д.Г., Зырянов В.И., Карелин Д.В., Карсанаев С.В., Курганова И.Н., Лапшина Е.Д., Максимов А.П., Максимов Т.Х., Мамкин В.В., Марунич А.С., Мигловец М.Н., Михайлов О.А., Панов А.В., Прокушкин А.С., Сиденко Н.В., Шилкин А.В., Курбатова Ю.А. Мониторинг экосистемных потоков парниковых газов на территории России: сеть RuFlux // Изв. РАН. Сер. географическая. 2023. Т. 87, № 4. C. 512–535. DOI: 10.31857/S2587556623040052.
8. Глаголев М.В. К методу «обратной задачи» для определения поверхностной плотности потока газа из почвы // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2010. Т. 1, № 1. С. 17–36.
9. Riederer M., Serafimovich A., Foken T. Net ecosystem CO₂ exchange measurements by the closed chamber method and the eddy covariance technique and their dependence on atmospheric conditions // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7, N 4. P. 1057–1064. DOI: 10.1038/s41558-019-0613-7.
10. Wang X., Wang C., Bond-Lamberty B. Quantifying and reducing the differences in forest CO₂-fluxes estimated by eddy covariance, biometric and chamber methods: A global synthesis // Agric. Forest Meteorol. 2017. V. 247. P. 93–103. DOI: 10.1016/j.agrformet.2017.07.023.
11. Pavelka P., Acosta M., Kiese R., Altimir N., Brümmer C., Crill P., Darenova E., Fuß R., Gielen B., Graf A., Klemedtsson L., Lohila A., Longdoz B., Lindroth A., Nilsson M., Jiménez S.M., Merbold L., Montagnani L., Peichl M., Pihlatie M., Pumpanen J., Ortiz P.S., Silvennoinen H., Skiba U., Vestin P., Weslien P., Janous D., Kutsch W. Standardisation of chamber technique for CO₂, N₂O, and CH₄ fluxes measurements from terrestrial ecosystems // Int. Agrophys. 2018. V. 32, N 12. P. 569–587. DOI: 10.1515/intag-2017-0045.
12. Глаголев М.В., Сабреков А.Ф., Казанцев В.С. Методы измерения газообмена на границе почва/атмосфера. Томск: ТГПУ, 2010. 96 с.
13. Курганова И.Н., Гончарова О.Ю., Ильясов Д.В., Карелин Д.В., Лопес де Гереню В.О., Матышак Г.В., Мигловец М.Н., Мошкина Е.В., Осипов А.Ф., Хорошаев Д.А., Шарков И.Н. Методическое руководство по определению эмиссии СО₂ из почв в различных типах экосистем. Пущино: [Б.И.], 2022. 63 с.
14. Fiedler J., Fuß R., Glatzel S., Hagemann U., Huth V., Jordan S., Jurasinski G., Kutzbach L., Maier M., Schäfer K., Weber T., Weymann D. Best Practice Buiedeline. Measurement of carbon dioxide, methane and nitrous oxide fluxes between soil-vegetation-systems and the atmosphere using non-steady state chambers / Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft. 2022. 70 p.
15. Задорожний А.Н., Семенов М.В., Ходжаева А.К., Семенов В.М. Почвенные процессы продукции, потребления и эмиссии парниковых газов // Агрохимия. 2010. № 10. С. 75–92.
16. Antonovich V.V., Antokhin P.N., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Balin Yu.S., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Kokhanenko G.P., Novoselov M.M., Panchenko M.V., Penner I.E., Pestunov D.A., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Tolmachev G.N., Fofonov A.V., Chernov D.G., Smargunov V.P., Yausheva E.P., Paris J.-D., Ancellet G., Law K.S., Pelon J., Machida T., Sasakawa M. Station for the comprehensive monitoring of the atmosphere at Fonovaya Observatory, West Siberia: Current status and future needs // Proc. SPIE. 2018. V. 10833. P. 108337Z. DOI: 10.1117/12.2504388.
17. Белан Б.Д., Аршинов М.Ю., Давыдов Д.К., Козлов А.В., Ивлев Г.А. Автоматическая камера для измерения потоков парниковых газов на поверхности раздела почва–атмосфера. Патент на полезную модель № 169373 от 15 марта 2017 г.
18. Rafalska A., Walkiewicz A., Osborne B., Klumpp K., Bieganowski A. Variation in methane uptake by grassland soils in the context of climate change – A review of effects and mechanisms // Sci. Total Environ. 2023. V. 871. P. 162127. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.162127.
19. Schubert C.J., Wehrli B. Contribution of methane formation and methane oxidation to methane emission from freshwater systems / A. Stams, D. Sousa (eds.) // Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology. Springer, 2018. P. 1–31.
20. Крапивин В.Ф., Шалаев В.С., Бурков Д.В. Моделирование глобальных циклов углерода и метана // Лесной вестник. 2015. № 1. С. 170–178.
21. Глаголев М.В., Смагин А.В. Количественная оценка эмиссии метана болотами: от почвенного профиля – до региона (к 15-летию исследований в Томской области) // Доклады по экологическому почвоведению. 2006. № 3, вып. 3. С. 75–114.
22. Глаголев М.В., Филиппов И.В. Инвентаризации поглощения метана почвами // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2011. Т. 2, № 2. С. 1–20.
23. Ge M., Korrensalo A., Laiho R., Kohl L., Lohila A., Pihlatie M., Li X., Laine A.M., Anttila J., Putkinen A., Wang W., Koskinen M. Plant-mediated CH₄ exchange in wetlands: A review of mechanisms and measurement methods with implications for modeling // Sci. Total Environm. 2024. V. 914. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.169662.
24. Potter C.S., Davidson E.A., Verchot L.V. Estimation of global biogeochemical controls and seasonality in soil methane consumption // Chemosphere. 1996. V. 32, N 11. P. 2219–2246. DOI: 10.1016/S1352-2310(97)80971-5.
25. Kammann C., Grünhage L., Jäger H.-J., Wachinger G. Methane fluxes from differentially managed grassland study plots: The important role of CH₄ oxidation in grassland with a high potential for CH₄ production // Environ. Pollut. 2001. V. 115, N 2. P. 261–273. DOI: 10.1016/s0269-7491(01)00103-8.
26. Wang F., Bettany J. Methane emission from Canadian prairie and forest soils under short term flooding conditions // Nutr. Cycl. Agroecosystem. 1997. V. 49, N 1. P. 197–202. DOI: 10.1023/A:1009758308457.
27. Guenet B., Gabrielle B., Chenu C., Arrouays D., Balesdent J., Bernoux M., Bruni E., Caliman J.-P., Cardinael R., Chen S., Ciais P., Desbois D., Fouche J., Frank S., Henault C., Lugato E., Naipal V., Nesme T., Obersteiner M., Zhou F. Can N₂O emissions offset the benefits from soil organic carbon storage? // Glob. Change Biol. 2020. V. 27, N 2. P. 237–256. DOI: 10.1111/gcb.15342.
28. Shurpali N.J., Rannik U., Jokinen S., Lind S., Biasi C., Mammarella I., Peltola O., Pihlatie M., Hyvonen N., Raty M., Haapanala S., Zahniser M., Virkajarvi P., Vesala T., Martikainen P.J. Neglecting diurnal variations leads to uncertainties in terrestrial nitrous oxide emissions // Nat. Sci. Report. 2016. V. 6, N 1. Article 25739. DOI: 10.1038/srep25739.
29. Keane J.B., Morrison R., McNamara N.P., Ineson P. Real-time monitoring of greenhouse gas emissions with tall chambers reveals diurnal N₂O variation and increased emissions of CO₂ and N₂O from miscanthus following compost addition // GCB Bioenergy. 2019. V. 11. P. 1456–1470. DOI: 10.1111/gcbb.12653.
30. Araujo P.I., Piñeiro-Guerra J.M., Yahdjian L., Acreche M.M., Alvarez C., Alvarez C.R., Costantini A., Chalco Vera J., De Tellería J., Della Chiesa T., Lewczuk N.A., Petrasek M., Piccinetti C., Picone L., Portela S.I., Posse G., Seijo M., Videla C., Piñeiro G. Drivers of N₂O emissions from natural forests and grasslands differ in space and time // Ecosystems. 2021. V. 24, N 2. P. 335–350. DOI: 10.1007/s10021-020-00522-7.
31. Сабреков А.Ф., Глаголев М.В., Фастовец И.А., Смоленцев Б.А., Ильясов Д.В., Максютов Ш.Ш. Cвязь потребления метана с дыханием почв и травяно-мохового яруса в лесных экосистемах южной тайги Западной Сибири // Почвоведение. 2015. № 8. С. 963–973.
32. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Козлов А.В., Фофонов А.В. Потоки парниковых газов на границе «почва – атмосфера» в фоновом районе Томской области // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 12. С. 1021–1028. DOI: 10.15372/AOO20221209; Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.C., Kozlov A.V., Fofonov A.V. Soil – atmosphere greenhouse gas fluxes in a background area in the Tomsk Region (Western Siberia) // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 2. P. 152–161.
33. Краснов О.А., Maksyutov Sh., Давыдов Д.К., Фофонов А.В., Глаголев М.В., Inoue G. Мониторинг эмиссии метана и двуокиси углерода из почвы в атмосферу и параметры почвы. Бакчарское болото Томской области (2014 г.) // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 7. С. 630–637. DOI: 10.15372/AOO20150707.
34. Глаголев М.В., Ильясов Д.В., Терентьева И.Е., Сабреков А.Ф., Краснов О.А., Максютов Ш.Ш. Эмиссия метана и диоксида углерода в заболоченных лесах южной и средней тайги Западной Сибири // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 4. С. 301–309. DOI: 10.15372/AOO20170407.
35. Serikova S., Pokrovsky O.S., Ala-Aho P., Kazantsev V., Kirpotin S.N., Kopysov S.G., Krickov I.V., Laudon H., Manasypov R.M., Shirokova L.S., Soulsby C., Tetzlaff D., Karlsson J. High riverine CO₂ emissions at the permafrost boundary of Western Siberia // Nat. Geosci. 2018. V. 11, N 11. P. 825–829. DOI: 10.1038/s41561-018-0218-1.
36. Mustamo P., Maljanen M., Hyvärinen M., Ronkanen A.-K., Kløve B. Respiration and emissions of methane and nitrous oxide from a boreal peatland complex comprising different land-use types // Boreal Environ. Res. 2016. V. 21, N 5–6. P. 405–426.
37. Feigenwinter I., Hortnagl L., Zeeman M.J., Eugster W., Fuchs K., Merbold L., Buchmann N. Large inter-annual variation in carbon sink strength of a permanent grassland over 16 years: Impacts of management practices and climate // Agricult. Forest Meteorol. 2023. V. 340. P. 109613. DOI: 10.1016/j.agrformet.2023.109613.
38. Бобрик А.А., Рыжова И.М., Гончарова О.Ю., Мартышак Г.В., Макаров М.И., Волкер Д.А. Эмиссия СО₂ и запасы органического углерода в почвах северотаежных экосистем Западной Сибири в различных геокрилогических условиях // Почвоведение. 2018. № 6. С. 674–682.
39. Glagolev M., Kleptsova I., Filippov I., Maksyutov S., Machida T. Regional methane emission from West Siberia mire landscapes // Environ. Res. Lett. 2011. V. 6, N 4. P. 045214. DOI: 10.1088/1748-9326/6/4/045214.
40. Sabrekov A.F., Runkle B.R.K., Glagolev M.V., Kleptsova I.E., Maksyutov S.S. Seasonal variability as a source of uncertainty in the West Siberian regional CH₄ flux upscaling // Environ. Res. Lett. 2014. V. 9, N 4. P. 045008. DOI: 10.1088/1748-9326/9/4/045008.
41. Sabrekov A.F., Runkle B.R.K., Glagolev M.V., Terentieva I.E., Stepanenko V.M., Kotsyurbenko O.R., Maksyutov S.S., Pokrovsky O.S. Variability in methane emissions from West Siberia’s shallow boreal lakes on a regional scale and its environmental controls // Biogeosci. 2017. V. 14, N 15. P. 3715–3742. DOI: 10.5194/bg-14-3715-2017.
42. Сабреков А.Ф., Филиппов И.В., Глаголев М.В., Терентьева И.Е., Ильясов Д.В., Кошорбенко О.Р., Максютов Ш.Ш. Эмиссия метана тростниковыми болотами лесостепи и подтайги Западной Сибири // Метеорол. и гидрол. 2016. № 1. С. 53–59.
43. Veretennikova E.E., Dyukarev E.A. Comparison of methane fluxes of open and forested bogs of the southern taiga zone of Western Siberia // Boreal Environ. Res. 2021. V. 26, N 1–6. P. 43–59.
44. Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Maksutov Sh.Sh., Fofonov A.V. Comparison of flows of greenhouse gases at the atmosphere–soil interface for three areas of the Tomsk Region // Proc. SPIE. 2020. V. 11560. P. 115607M. DOI: 10.1117/12.2576745.
45. Gong Y., Wu J., Vogt J., Le T.B., Yuan T. Combination of warming and vegetation composition change strengthens the environmental controls on N₂O fluxes in a boreal peatland // Atmosphere. 2018. V. 9, N 12. P. 480. DOI: 10.3390/atmos9120480.
46. Tangen B.A., Bansa A. Prairie wetlands as sources or sinks of nitrous oxide: Effects of land use and hydrology // Agricult. Forest Meteorol. 2022. V. 320. P. 108968. DOI: 10.1016/j.agrformet.2022.108968.
47. Li J., Jin Y., Liu Y., Zhang Y., Grace J., Song Q., Sha L., Lin Y., Chen A., Li P., Fei X. Effect of precipitation exclusion on N₂O emissions in a savanna ecosystem in SW China // Atmos. Environ. 2018. V. 187. P. 1–8. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2018.05.035.
48. Wangari E.G., Mwanake R.M., Kraus D., Werner C., Gettel G.M., Kiese R., Breuer L., Butterbach-Bahl K., Houska T. Number of chamber measurement locations for accurate quantification of landscape-scale greenhouse gas fluxes: Importance of land use, seasonality, and greenhouse gas type // J. Geophys. Res.: Biogeosci. 2022. V. 127, N 9. P. E2022JG006901. DOI: 10.1029/2022JG006901.
49. Zou J., Tobin B., Luo Y., Osborne B. Differential responses of soil CO₂ and N₂O fluxes to experimental warming // Agricult. Forest Meteorol. 2018. V. 259. P. 11–22.
50. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Хорошаев Д.А., Аблеева В.А. Температурная чувствительность дыхания почв луговых ценозов в зоне умеренно-континентального климата: анализ данных 25-летнего мониторинга // Почвоведение. 2023. № 9. C. 10591076. DOI: 10.31857/S0032180X23600476.
51. Ueyama M., Takeuchi R., Takahashi Y., Ide R., Ataka M., Kosugi Y., Takahashi K., Saigusa N. Methane uptake in a temperate forest soil using continuous closed-chamber measurements // Agricult. Forest Meteorol. 2015. V. 213. P. 1–9. DOI: 10.2480/agrmet.D-23-00013.
52. Cai Y., Sawada K., Hirota M. Spatial variation in forest soil respiration: A systematic review of field observations at the global scale // Sci. Total Environ. 2023. V. 874. P. 162348. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023. 162348.
53. Brændholt A., Larsen K.S., Ibrom A., Pilegaard K. Overestimation of closed-chamber soil CO₂ effluxes at low atmospheric turbulence // Biogeosci. 2017. V. 14, N 6. P. 1603–1616. DOI: 10.5194/bg-14-1603-2017.
54. Kandel T.P., Lærke P.E., Elsgaard L. Annual emissions of CO₂, CH₄, and N₂O from a temperate peat bog: Comparison of an undrained and four drained sites under permanent grass and arable crop rotations with cereals and potato // Agricult. Forest Meteorol. 2018. V. 256–257. P. 470–481. DOI: 10.1016/j.agrformet.2018.03.021.