Межгодовая вариабельность и климатическая детерминация углеродного баланса агроэкосистем ярового ячменя на дерново-подзолистых почвах южной тайги

Аннотация

В условиях глобальной трансформации климата и реализации национальных стратегий низкоуглеродного развития критически важной задачей становится прецизионная оценка секвестрационного потенциала агроэкосистем. Работа посвящена анализу межгодовой динамики потоков диоксида углерода (NEE, GPP, Reco) в агроценозах ярового ячменя (Hordeumvulgare L.) в южно-таёжной зоне на дерново-подзолистых почвах (Московская область). Исследование базируется на массиве данных метода турбулентных пульсаций (eddycovariance) за сезоны с контрастными гидротермическими условиями (2013, 2016 и 2023 гг.). Выявлен нелинейный отклик углеродного обмена на климатические драйверы: максимальные значения валовой первичной продукции зафиксированы за сезон наиболее тёплого 2016 г. (GPP=775г Cм−2), однако рекордное нетто-поглощение наблюдалось в 2013 г. (NEE=−245г Cм−2) при оптимальном увлажнении. Установлено, что определяющим фактором продуктивности является не только теплообеспеченность, но и режим увлажнения в сочетании с долей диффузной радиации. Обнаружена закономерность снижения эффективности углеродного обмена (отношение GPP:Reco) с 2,27 в умеренно продуктивные годы до 1,25 в высокопродуктивные сезоны, что свидетельствует об опережающем росте экосистемного дыхания при интенсификации ассимиляции. Полученные результаты имеют фундаментальное значение для верификации моделей углеродного цикла и разработки региональных систем мониторинга климатически активных газов.

Литература

1.    Замолодчиков Д.Г., Валентини Р. Климатические изменения в России: прошлое, настоящее и будущее // Лес и климат / Отв. ред. Д.Г. Замолодчиков. М., 2020. С. 45–58.
2.    Карелин Д.В.,Замолодчиков Д.Г., Краев Г.Н. и др. Межгодовые изменения ФАР и влажности почвы определяют величину нетто-обмена СО2 в экосистемах кустарничковой тундры (Чукотка) // Журнал общей биологии. 2013. Т. 74, № 1. С. 11–23.
3.    Карелин Д.В., Азовский А.И., Куманяев А.С. и др. Значение пространственного и временного масштаба при анализе факторов эмиссии СО2 из почвы в лесах Валдайской возвышенности // Лесоведение. 2019. № 1. С. 29–37. https://doi.org/10.1134/S0024114819010078
4.    Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, общие оценки // Почвоведение. 2005. № 9. С. 1112–1121.
5.    Курганова И.Н.,Лопес де Гереню В.О.,ШвиденкоА.З. и др. Изменение запасов органического углерода в почвах залежных земель России в 1990–2004 гг. // Почвоведение. 2010. № 3. С. 361–368.
6.    Курганова И.Н.,Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А. и др. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско-Террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1220–1236. DOI: 10.31857/S0032180X20100111
7.    Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н. и др. Температурная чувствительность дыхания почв луговых ценозов в зоне умеренно-континентального климата: анализ данных 25-летнего мониторинга // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1059–1076. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600476
8.    Куричева О.А., Авилов В.К., Варлагин А.В. и др. Мониторинг экосистемных потоков парниковых газов на территории России: сеть RuFlux // Известия РАН. Сер. географическая. 2023. Т. 87, № 4. С. 512–535. https://doi.org/10.31857/S2587556623040052
9.    Лопес де Гереню В.О., Курганова И.Н., Хорошаев Д.А. Влияние контрастных режимов увлажнения на эмиссию СО2 из серой лесной почвы под сеяным лугом и чистым паром // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1244–1258.https://doi.org/10.1134/S0032180X18100039
10.    Люри Д.И., Горячкин С.В., Караваева Н.А. и др. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв. М., 2010. 415 с.
11.    Смагин А.В., Карелин Д.В. О влиянии ветра на газообмен почвы и атмосферы // Почвоведение. 2021. № 3. С. 337–348. https://doi.org/10.31857/S0032180X21030138
12.    Суховеева О.Э., Золотухин А.Н., Карелин Д.В.Климатообусловленные изменения запасов органического углерода в пахотных черноземах Курской области // Аридные экосистемы. 2020. Т. 26, № 2(83). С. 72–79. https://doi.org/10.24411/1993-3916-2020-10098
13.    Хорошаев Д.А., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О. Оценка отклика гетеротрофного почвенного дыхания на режим выпадения летних осадков и разную глубину снежного покрова в условиях умеренно-континентального климата // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1400–1417. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600749
14.    Allen M., Dube O.P., Solecki W. et al. Special report: Global warming of 1.5 C. // Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 2018. Vol. 677,№ 393.P. 49–92.
15.    Aubinet M., Vesala T., Papale D. (Eds.) Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis. Springer Atmospheric Sciences, 2012. 438 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2351-1
16.    Baldocchi D.D. Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: past, present and future // Global Change Biology. 2003. Vol. 9, № 4. P. 479–492. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2003.00629.x
17.    Durand M., Murchie E.H., Lindfors A.V. et al. Diffuse solar radiation and canopy photosynthesis in a changing environment // Agricultural and Forest Meteorology. 2021. Vol. 311. С. 108684. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108684
18.    Emmel C., D′Odorico P., Revill A. et al. Canopy photosynthesis of six major arable crops is enhanced under diffuse light due to canopy architecture // Global Change Biology. 2020. Vol. 26, № 9. С. 5164–5177. https://doi.org/10.1111/gcb.15226
19.    Kljun N., Calanca P., Rotach M.W. et al. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP) // Geoscientific Model Development. 2015. Vol. 8, № 11. P. 3695–3713. https://doi.org/10.5194/gmd-8-3695-2015
20.    Kumari S., Kambhammettu B.V.N.P., Adams M.A. et al. Analysis of flux footprints in fragmented, heterogeneous croplands // Meteorology and Atmospheric Physics. 2024. Vol. 136, № 2. С. 9. https://doi.org/10.1007/s00703-023-01004-w
21.    Lasslop G., Reichstein M., Papale D. et al. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation // Global Change Biology. 2010. Vol. 16, № 1. P. 187–208. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2009.02041.x
22.    Papale D., Reichstein M., Aubinet M. et al. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation // Biogeosciences. 2006. Vol. 3, № 4. P. 571–583.https://doi.org/10.5194/bg-3-571-2006
23.    Reichstein M., Falge E., Baldocchi D. et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm // Global Change Biology. 2005. Vol. 11, № 9. P. 1424–1439.https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.001002.x
24.    Webb E.K., Pearman G.I., Leuning R. Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapour transfer // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1980. Vol. 106. P. 85–100. DOI: 10.1002/qj.49710644707
25.    Wiesner S., Desai A.R., Duff A.J. et al. Quantifying the natural climate solution potential of agricultural systems by combining eddy covariance and remote sensing // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2022. Vol. 127, № 9. С. e2022JG006895. https://doi.org/10.1029/2022JG006895
26.    Wutzler T., Lucas-Moffat A., Migliavacca M. et al. Basic and extensible post-processing of eddy covariance flux data with REddyProc // Biogeosciences. 2018. Vol. 15, № 16. С. 5015–5030. https://doi.org/10.5194/bg-15-5015-2018
27.    Zhou Y., Wu X., Ju W. et al. Global parameterization and validation of a two‐leaf light use efficiency model for predicting gross primary production across FLUXNET sites // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2016. Vol. 121, № 4. С. 1045–1072. https://doi.org/10.1002/2014JG002876