ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2019, № 5, С.435-448


НАТУРНАЯ И МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКИ ДЫХАНИЯ ЛЕСНОЙ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ В ПРИОКСКО-ТЕРРАСНОМ БИОСФЕРНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ
И. Н. Курганова1, В. О. Лопес де Гереню1, Т. Н. Мякшина1, Д. В. Сапронов1, И. В. Ромашкин2, В. А. Жмурин1, В. Н. Кудеяров1
1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН
Россия,142290 Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2
2Институт леса Карельского научного центра РАН
Россия, 185910 Петрозаводск, Республика Карелия, ул. Пушкинская, 11
E-mail: ikurg@mail.ru


Поступила в редакцию 10.02.2019 г.
Построение моделей круговорота углерода в лесных экосистемах часто сводится к разработке моделей его основных составляющих – эмиссионной (дыхание почвы и древесного дебриса) и продукционной (депонирование углерода в растительности и почвах). Настоящее исследование было направлено на анализ применимости различных версий T&P-модели для численной оценки месячных, сезонных и годовых потоков СО2 из дерново-подзолистой почвы в смешанном лесу Приокско-Террасного биосферного государственного заповедника (Московская область). Параметризация модели, ее последующая верификация и оценка точности моделирования проводились на базе данных круглогодичного 20-летнего мониторинга эмиссии СО2 из почвы с использованием в качестве независимых переменных основных метеорологических характеристик (среднемесячной температуры воздуха и месячной суммы осадков). Численные эксперименты показали, что все версии T&Р-модели (исходные и параметризованные на основе обучающих выборок в различных временных интервалах) удовлетворительно описывают многолетнюю временную динамику среднемесячной интенсивности дыхания дерново-подзолистой почвы под лесной растительностью (SRm). Параметризация T&P-модели с использованием экспериментальных данных в качестве обучающих выборок практически не улучшила качество моделирования ни в одном из тестовых интервалов. Использование осредненных за 20 лет метеорологических данных для расчета SRmod-mean и оценки на их основе сезонных и годовых потоков СО2 из почвы (SeSRmod-mean) в большинстве случаев завышало соответствующие экспериментально полученные величины (SeSRexp). Полученные значения SeSRmod-mean для годового, летнего и зимнего потоков СО2 из почвы были в среднем на 4.5-6.7% выше, чем SeSRexp, а значения SeSRmod-mean для теплого сезона показали переоценку, составляющую около 3%. Самое значительное несоответствие расчетных оценок экспериментальным данным было выявлено для весеннего периода - завышение составило ~22%. Таким образом, использование осредненных за 20 лет метеорологических данных показало применимость ансамбля из различных версий T&P-модели для оценки сезонных и годовых потоков СО2 из почвы в условиях умеренно-континентального климата.
Ключевые слова: эмиссия СО2 из почвы, эмпирическое моделирование, метеорологические характеристики, лесные экосистемы, умеренно-континентальный климат, параметризация, верификация, точность моделирования.
Работа выполнена в рамках Государственного задания (рег. № АААА-А18-118013190177-9) и при финансовой поддержке Программы Президиума РАН № 51 (рег. № AAAA-A18-118013190179-3) и РФФИ (проект № 19-04-01282a).
DOI: 10.1134/S002411481905005X            


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



  • Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Краев Г.Н. Динамика бюджета углерода лесов России за два последних десятилетия // Лесоведение. 2011.  № 6. C. 16–28.

  • Замолодчиков Д.Г., Грабовский В.И., Честных О.В. Динамика баланса углерода в лесах федеральных округов Российской Федерации // Вопросы лесной науки. 2018. том 1. № 1. С. 1‒24.

  • Замолодчиков Д.Г., Коровин Г.Н., Гитарский М.Л. Бюджет углерода управляемых лесов Российской Федерации // Лесоведение. 2007. № 6. C. 23‒34.

  • Замолодчиков Д.Г., Гитарский М.Л., Шилкин А.В., Марунич А.С., Карелин Д.В., Блинов В.Г., Иващенко А.И. Мониторинг газообмена H2O и CO2 на полигоне «Лог Таежный» (Валдайский национальный парк) // Фундаментальная и прикладная климатология. 2017. Том 1. С. 54‒68.

  • Иванов А.В., Браун М., Татауров В.А. Сезонная и суточная динамика эмиссии СО2 из почв кедровых лесов южного Сихотэ-Алиня // Почвоведение. 2018. № 3. С. 297–303

  • Комаров А.С., Чертов О.Г., Надпорожская М.А., Пhипутина И.В. Моделирование динамики органического вещества лесных почв / Отв. ред. В. Н. Кудеяров. М: Наука. 2007. 380 с.

  • Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Аблеева В.А., Быховец С.С. Климат южного Подмосковья: современные тренды и оценка экстремальности // Фундаментальная и прикладная климатология. 2017. Том 4. С. 62‒78.

  • Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Ромашкин И.В., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В. Применение Т&P модели для численной оценки годовых потоков СО2 из почв лесных экосистем // Научные основы устойчивого управления лесами: Материалы Всероссийской научной конференции. – М.: Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, 2018. С. 196‒197.

  • Лукина Н.В., Исаев А.С., Крышень А.М., Онучин А.А., Сирин А.А., Гагарин Ю.Н., Барталев С.А. Приоритетные направления развития лесной науки как основы устойчивого управления лесами // Лесоведение. 2015. № 4. С. 243‒254.

  • Осипов А.Ф. Эмиссия диоксида углерода с поверхности почвы сосняка чернично-сфагнового средней тайги // Почвоведение. 2013. № 5. С. 619‒626.

  • Тейл Г. Экономические прогнозы и принятие решений. М.: Статистика, 1971. 488 с.

  •  Чертов О.Г., Надпорожская М.А. Модели динамики органического вещества почв: проблемы и перспективы // Компьютерные исследования и моделирование. 2016. Т. 8. № 2. С. 391−399.

  • Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г. Углеродный бюджет лесов России // Сибирский лесной журнал. 2014. № 1. С. 69–92.

  • Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Тольятти: Изд-во Института экологии Волжского бассейна РАН, 2003. 463 с.

  • Bukvareva E.N., Grunewald K., Bobylev S.N., Zamolodchikov D.G., Zimenko A.V., Bastian O. The current state of knowledge of ecosystems and ecosystem services in Russia: A status report // AMBIO. 2015. V. 44(6), p. 491–507. DOI 10.1007/s13280-015-0674-4

  • Chen S., Huang Y., Zou J., Shen Q., Hu Z., Qin Y., Chen H., Pan G. Modeling interannual variability of global soil respiration from climate and soil properties // Agricultural and Forest Meteorology. 2010. Vol. 150. No. 4. P. 590-605.

  •  

  • Gauthier S., Bernier P., Kuuluvainen T., Shvidenko A.Z., Schepaschenko D.G. Boreal forest health and global change // Science. 2015. V. 349. No. 6250, P. 819‒822.

  • Hashimoto S., Carvalhais N., Ito A., Migliavacca M., Nishina K., Reichstein M. Global spatiotemporal distribution of soil respiration modeled using a global database // Biogeosciences. 2015. V. 12. P. 4121–4132.

  • Isaev A.S., Soukhovolsky V.G., Khlebopros R.G.  Model approaches to description of critical phenomena in forest ecosystems // Contemporary Problems of Ecology. 2011. V. 4. N 7. P. 699-705.

  • Janssens I.A., Pilegaard K. Large seasonal changes in Q10 of soil respiration in a beech forest // Global Change Biology. 2003. Vol. 9. No. 6, P. 911-918.

  • Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Isaev A.S. Unconsidered sporadic sources of carbon dioxide emission from soils in taiga forests // Doklady Biological Sciences. 2017. V. 475. N 1. P. 165‒168.

  • Karelin D.V., Pochikalov A.V., Zamolodchikov D.G., Gitarskii M.L. Factors of Spatiotemporal Variability of CO2 Fluxes from Soils of Southern Taiga Spruce Forests of Valdai // Contemporary Problems of Ecology. 2014. V. 7. N 7. P. 743‒751.

  • Kätterer T., Reichstein M., Andrén O., Lomander A. Temperature dependence of organic matter decomposition: a critical review using literature data analyzed with different models // Biology and Fertility of Soils. 1998. V. 27. P. 258‒262.

  • Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Gallardo Lancho J. F., Oehm C.T. Evaluation of the Rates of Soil Organic Matter Mineralization in Forest Ecosystems of Temperate Continental, Mediterranean, and Tropical Monsoon Climates // Eurasian Soil Science. 2012. V. 45 (1). P. 68–79.

  • Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Kudeyarov V.N. CO2 Emission from Soils of Various Ecosystems of the Southern Taiga Zone: Data Analysis of Continuous 12-Year Monitoring // Doklady Biological Sciences.  2011а. V. 436. No. 1. P. 56‒58.

  • Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Savin I.Y., Shorohova E.V. Carbon balance in forest ecosystems of southern part of Moscow region under a rising aridity of climate // Contemporary Problems of Ecology. 2017. V. 10. N. 7. P. 748–760.

  • Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Petrov A.S., Myakshina T.N., Sapronov D.V., Ableeva V.A., Kudeyarov V.N. Effect of the Observed Climate Changes and Extreme Weather Phenomena on the Emission Component of the Carbon Cycle in Different Ecosystems of the Southern Taiga Zone // Doklady Biological Sciences.. 2011b. V. 441. No. 1. P. 412–416.

  • Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O., Rozanova L.N., Sapronov D.V., Myakshina T.N., Kudeyarov V.N. Annual and seasonal CO2 fluxes from Russian southern taiga soils // Tellus B: chemical and physical meteorology. 2003. V. 55. No. 2. P. 338‒344.

  • Lal R. Forest soils and carbon sequestration // Forest Ecology & Management. 2005. V. 220. P. 242–258.

  • Le Quéré C., Peters G.P., Andres R.J., Andrew R.M., Boden T.A., Ciais P., Friedlingstein P., Houghton R.A., Marland G., Moriarty R., Sitch S., Tans P., Arneth A., Arvanitis A., Bakker D.C.E., Bopp L., Canadell J.G., Chini L.P., Doney S.C., Harper A., Harris I., House J.I., Jain A.K., Jones S.D., Kato E., Keeling R.F., Klein Goldewijk K., Körtzinger A., Koven C., Lefèvre N., Maignan F., Omar A., Ono T., Park G.-H., Pfeil B., Poulter B., Raupach M.R., Regnier P., Rödenbeck C., Saito S., Schwinger J., Segschneider J., Stocker B.D., Takahashi T., Tilbrook B., Van Heuven S., Viovy N., Wanninkhof R., Wiltshire A., Zaehle S. Global carbon budget 2014 // Earth System Science Data Discussion 2014. V. 6. No. 1. P. 235‒263.

  • Liu Y., Shang Q., Wang Z., Zhang K., Zhao C. Spatial Heterogeneity of Soil Respiration Response to Precipitation Pulse in a Temperate Mixed Forest in Central China // Journal Plant and Animal Ecology. 2017. V. 1(1). P. 1‒13.

  • Lopes de Gerenyu V.O., Kurganova I.N., Rozanova L.N., Kudeyarov V.N. Annual emission of carbon dioxide from soils of the Southern Taiga soils of Russia // Eurasian Soil Science. 2001. V. 34. No. 9. P. 931‒944.

  • Lopes de Gerenyu V.O., Kurganova I.N., Rozanova L.N., Kudeyarov V.N. Effect of temperature and moisture content on СO2 evolution rate of cultivated Phaeozem: analyses of long-term field experiment // Plant, Soil and Environment. 2005. V. 51 (5). P. 213‒219.

  • R Core Team. (2018). (Version R-3.5.1). Retrieved from https://cran.r-project.org/bin/windows/base/

  • Raich J.W., Potter C.S. Global patterns of carbon dioxide emission from soils // Global Biogeochem. Cycles. 1995. V. 9. No. 1. P. 23-36.

  • Raich J.W., Potter C.S., Bhagawatti D. Interannual variability in global soil respiration, 1980‒94 // Global Change Biology. 2002. V. 8. No. 8. P. 800‒-812.

  • Reichstein M., Rey A., Freibauer A., Tenhunen J., Valentini R., Banza J., Casals P., Grünzweig J.M., Irvine J., Joffre R., Law B.E., Loustau D., Miglietta M., Oechel W., Ourcival J.-M., Pereira J.S., Peressotti A., Ponti F., Qi Y., Rambal S., Rayment M., Romanya J., Rossi F., Tedeschi V., Tirone G., Xu M., Yakir D. Modeling temporal and large spatial variability of soil respiration from soil water availability, temperature and vegetation productivity indices // Global Biogeochemical Cycles. 2003. V. 17. N 4. 1104

  • Song X., Peng C., Zhao Z., Zhang Z., Guo B., Wang W., Jiang H., Zhu Q. Quantification of soil respiration in forest ecosystems across China // Atmospheric Environment. 2014. V. 94. P. 546-551.

  • Vygodskaya N.N., Varlagin A.V., Kurbatova Yu.A., Olchev A.V., Panferov O.I., Tatarinov F.A., Shalukhina N.V. Response of taiga ecosystems to extreme weather conditions and climate anomalies // Doklady Biological Sciences. 2009. V. 429. N 6. P. 571–574.

  • Wang X., Jiang Y., Jia B., Wang F., Zhou G. Comparison of soil respiration among three temperate forests in Changbai Mountains, China // Canadian Journal of Forest Research. 2010. V. 40 (4). P. 788‒795

  • www.worldclim.org

  • Zamolodchikov D.G., Grabovsky V.I., Shulyak P.P., Chestnykh O.V. Recent Decrease in Carbon Sink to Russian Forests // Doklady Biological Sciences.  2017. V. 476. P. 200‒202.

  • Zheng Z.M., Yu G.R., Fu Y.L., Wang Y.S., Sun X.M., Wang Y.H. Temperature sensitivity of soil respiration is affected by prevailing climatic conditions and soil organic carbon content: a trans-China based case study // Soil Biology and Biochemistry. 2009. V. 5. Issue 7. P. 1‒10.