Круговорот углерода в Арктике: комплекс связей экосистема-атмосфера-климат Д.Г. Замолодчиков Биологический факультет

Круговорот углерода в Арктике: комплекс связей
экосистема-атмосфера-климат
Д.Г. Замолодчиков
Биологический факультет
Московского государственного университета
Изменение концентрации CO2 в атмосфере по данным
станций атмосферной химии NOAA
Бэрроу
Мауна Лоа
Самоа
Южный полюс
380
370
Годы
360
350
340
330
320
1973
1978
1983
1988
CO2, ppm
1993
1998
Запасы углерода в фитомассе и продукции тундр России
Регион
Площадь,
Фитомасса,
10 га
10 тC
10 тC год-1
КОЛЬСКИЙ ПОЛУОСТРОВ
6.2
52.9
6.2
ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКАЯ ПРОВИНЦИЯ
27.4
384.6
38.2
ПОЛЯРНЫЙ УРАЛ
3.8
20.7
2.8
ЗАПАДНЫЕ ОСТРОВА ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА
12.5
11.4
2.6
ЗАПАДНО-СИБИРСКАЯ НИЗМЕННОСТЬ
39.0
338.5
60.9
ЦЕНТРАЛЬНАЯ СИБИРЬ
91.1
876.2
135.3
ЯКУТСКАЯ ПРОВИНЦИЯ
47.6
416.4
65.6
ВОСТОЧНЫЕ ОСТРОВА ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА
4.5
12.9
2.3
ЧУКОТСКО-АНАДЫРСКАЯ ПРОВИНЦИЯ
51.4
621.9
64.1
Итого
283.5
2735.3
378.0
Карелин и др., Доклады РАН, 1994
6
NPP
6
6
Запасы углерода в почвах тундр России
Общий запас равен 28.6 ГтС
Честных и др., Экология, 1999
Камерный метод измерения потоков CO2
Суточная динамка потоков CO2 в типичной тундре Восточной
Чукотки (19.07.2001)
Чистый поток CO2
Дыхание
Валовая продукция
0.15
-2
Поток CO2, гС м час
-1
0.1
0.05
0
-0.0522:00
2:00
6:00
10:00
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
-0.3
Время суток
14:00
18:00
22:00
Микрометеорологический метод измерения газовых потоков
Суточная динамка потока CO2 в типичной тундре Восточной
Чукотки (19.07.2001)
поток CO2 (микрометеорология)
0.1
поток CO2 (камерный метод)
-2
Поток CO2, гC м час
-1
0.05
0
22:00
-0.05
2:00
6:00
10:00
-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
Время суток
14:00
18:00
22:00
Точки полевых измерений потоков CO2
1. Хальмер-Ю
2. Тальник
3. Пура
4. Агапа
5. Кресты
6. Тарея
7. Ая-Турку
8. Иони
9. Чаплино
Zamolodchikov, Karelin., Global Change Biology, 2001
Простейшая модель влияния температуры на потоки CO2
Поток углерода
Источник
GR
GPP
NEP
Сток
Температура
0.6
40
0.4
35
30
o
0.2
Температура, C
-2
Поток углерода, гC м час
-1
Суточная динамика потоков CO2 в южной кустарниковой тундре
(Хальмер-Ю, 23.07.1995)
25
0
20
-0.2
15
-0.4
10
-0.6
5
-0.8
0
0:00
4:00
8:00
12:00
16:00
20:00
Время суток
Чистый поток
Дыхание
Продукция
Замолодчиков и др., Чтения памяти В.Н. Сукачева, 1997
Температура воздуха
Влияние температуры на суточный ход углеродных
потоков в южной кустарниковой тундре
Поток углерода, гС м -2 час-1
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
10
15
20
25
30
35
-0.4
-0.6
Чистый поток
-0.8
o
Температура, C
Дыхание
Валовая продукция
Сезонная динамика потока CO2 и температуры воздуха в
южной кустарниковой тундре (Хальмер-Ю) в 1995 г.
25
Температура, oC
15
0
10
-2
5
T
NF
0
1.VII
-4
10.VII
20.VI
I
Замолодчиков и др., Доклады РАН, 1998
1.VIII
Дата
10.VI
20.VIII
Поток углерода, oC
2
20
Влияние температуры на поток СO2 в различных экосистемах
подзоны южных тундр (Тальник, 1996 г.)
Поток углерода, гС м-2 сут-1
2
1
0
-1
Кустарниковая тундра
Кустарничковая тундра
Осоковое болото
Ряд4
Полиномиальный (Ряд4)
-2
-3
-4
4
6
8
10
12
14
Температура, oC
Zamolodchikov et al., Water, Air and Soil Pollution, 2000
16
18
20
Влияние температуры на поток CO2 в типичных тундрах
Восточной Чукотки (2000-2001 гг.)
Поток CO2, гС м-2 сут-1
1.5
1
0.5
0
2
3
4
5
6
-0.5
-1
-1.5
Температура, oC
7
8
9
Исходные данные и составные части модели "Углеродные потоки
тундровой зоны России"
Исходные материалы
Блоки ГИС
Полевые измерения потоков CO2
Имитационная модель
(423 пробные площади)
углеродных потоков
База данных метеорологических
Исходные данные для
ГИС "Углеродные
характеристик
модели
потоки
(135 метеостанций)
потоков
База
данных
по
фитомассе
тундровых экосистем
Модель
Результат
углеродных
зоны России"
сезонной
динамики фитомассы
(160 пробных площадей)
Карта
ландшафтов
России
тундровой
Компьютерная
масштаба 1:4 000 000
границ
(Исаченко и др., 1988)
тундровой зоны
карта
ландшафтов
10
5
0
-5
-10
-5
0
5
10
15
Температура воздуха, oC
20
25
-1
10
-2
Поток углерода, гС м сут
Связь суточных величин
валовой первичной
продукции (GPP) и
валового дыхания (GR) со
среднесуточной
температурой воздуха,
суточной суммой ФАР и
массой листвы сосудистых
растений в тундрах России
5
0
-5
-10
0
5
10
ФАР, МДж м-2 сут-1
15
10
5
0
-5
-10
0
50
100
150
Листва сосудистых растений, г м -2
Zamolodchikov, Karelin., Global Change Biology, 2001
GPP
GR
Регрессионная модель потоков СО2 в тундрах
GPP = 0.9 - 0.099*PAR - 0.086*Ta - 0.0452*GS - 0.0207*GG - 0.00361*WDS -0.00179*M
(n= 423, R2 = 0.67, S.E.= 1.06)
GR = -0.57 + 0.029*PAR + 0.164*Ta + 0.0205*GS + 0.0049*GDS + 0.0091*GG + 0.00117*WS +
0.00335*WDS + 0.00146*M - 0.00076*L
(n= 423, R2 = 0.75, S.E.= 0.75)
GPP - валовая первичной продукции (гС м-2 сут-1)
GR - валовая первичной продукции (гС м-2 сут-1)
PAR - суточная сумма ФАР (МДж м-2 сут-1)
Ta – среднесуточная температура воздуха (оС)
GS – масса листвы кустарников
GDS – масса листвы кустарничков
GG – масса надземной части трав
WS – масса надземной древесной части кустарников
WDS - масса надземной древесной части кустарничков
M – масса мхов
L – масса лишайников
(все значения фитомассы приведены в г м-2)
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
Эмиссия CO2 тундрами в холодный период года
0.8
-2
Эмиссия углерода, гC м сут
-1
1
1
2
3
0.6
0.4
0.2
0
3.09
2.11
1.01
2.03
1.05
Дата
WE = 0.640 + 0.00893*NOR - 0.00225*(WD-18)2
(n = 37, R2 = 0.64, S.E.=0.22)
WE – эмиссия CO2 в холодный период года (гС м-2 сут-1)
NOR - географическая широта (оN)
WD - номер декады, начиная с первой декады холодного периода
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
Сравнение результатов моделирования и независимого набора
данных (южные тундры, Тальник, 1999 г.)
NF
GR
GPP
NF*
GR*
GPP*
-2
Поток углерода, гC м сут
-1
5
2.5
0
-2.5
-5
20/06
5/07
20/07
4/08
Дата
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
19/08
3/09
18/09
Эмиссия углерода, гC м-2 сут-1
Сравнение результатов моделирования и независимого набора
данных по эмисии CO2 в холодный период года (южные тундры,
Тальник, 1998-1999 гг.)
1
0.8
WE
WE*
0.6
0.4
0.2
0
17/09
16/11
15/01
Дата
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
16/03
15/05
Распределение величин годичной валовой продукции по
ландшафтам тундровой зоны России
1: 0-15; 2: 15-150; 3: 150-300; 4: 300-450 гC м-2 год-1; 5 - лесотундра
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
-2
Поток углерода, гC м сут
-1
Сезонная динамика потоков СО2 в тундрах России по
результатам моделирования
3
GPP
GR
NF
2
1
0
-1
-2
-3
1.04
1.06
1.08
1.10
1.12
Дата
GPP = -485±35 МтС год-1
GR = +474±35 МтС год-1
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
NF = -12±41 МтС год-1
Основные углеродные потоки тундр России (235 . 106 га)
GR=Ra + Rh
474 МтС год-1
GPP
486 МтС год-1
Ra
193 MtC год-1
NPP
234 МтС год-1
Rh
281 МтC год-1
NEP or NF
11 МтС год-1
Transport by water
Fires
Wind erosion
Deposition in permafrost
Суммарный поток CO2 по результатам моделирования и
динамика концентрации CO2 в воздухе по данным станции
Бэрроу сети CMDL
CO2 в воздухе, ppm
372
368
1
0.5
0
364
-0.5
360
-1
-1.5
356
352
1/04
-2
1/06
1/08
Дата
Zamolodchikov, Karelin, Global Change Biology, 2001
1/10
-2.5
1/12
Суммарный NF, гC м-2
Концентрация
CO2
Суммарный NF
Результаты микрометеорологических измерений и модельные оценки
потока CO2 для типичных тундр Восточной Чукотки
-2
Поток CO2, гС м сут
-1
1
0.5
0
11.6
1.7
21.7
10.8
30.8
19.9
9.10
-0.5
-1
2000
2001
модель
-1.5
Дата
Zamolodchikov et al., Tellus, 2003
Погодные условия и баланс CO2 в тундрах России
за 1994-1996 гг.
45
T ( oC), ФАР (МДж сут-1 ),
-1
поток СО2 (МтС год )
T
ФАР
NF
30
15
0
1994
1995
1996
-15
Годы
средние
Усложненная схема отклика потоков углерода на изменение
температуры
Поток углерода
Источник
Сток
Температура
R1
R2
R3
R4
GP1
GP2
GP3
GP4
NF
Акклимация кочкарной тундры Аляски к потеплению климата
Oechel et al., Nature, 2000
Долговременное воздействие температуры на тундровые
экосистемы (на примере долин горячих ключей Чукотки)
Валовая продукция
Валовое дыхание
250
200
9
150
6
100
3
50
0
0
2
Поток CO , гC м
-2
сез
12
-1
Температура почвы
o
Температура, C
15
Температура воздуха
Осоковая
термальная
Осоковая
контрольная
Кустарниковая
термальная
Кустарниковая
контрольная
Zamolodchikov, Karelin, Memories of National Institute of Polar Research, 2001
Группа исследователей углеродного цикла в Арктике
К. б. н. Д.В. Карелин, Биофак МГУ
А.И. Иващенко, Биофак МГУ
К. б. н. О. В. Честных, Биофак МГУ
К. т. н. В.О. Лопес де Гереню, ИФХБП РАН