ПРЯМЫЕ И КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА В ЛЕСНЫХ И БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СИБИРИ Е.Ваганов Институт леса им.В.Н.Сукачева СО РАН

Краткий план -Немного истории: от работ по МБП к более полному пониманию биосферной роли наземной растительности -Увеличение концентрации углекислоты и других парниковых газов в атмосфере и вопросы изменения климата -Бореальные леса и их значение для стабильности биосферы -Особенности углеродного цикла в бореальных лесах -Исследования углеродного цикла в разных пространственных и временных масштабах -Наземные, дистанционные измерения и моделирование углеродного цикла - Успехи и неопределенности -Выполняемые международные проекты

МБП: исследования природных ресурсов биосферы Впервые унифицированные методы измерений продуктивности были использованы исследователями из разных стран. Измерения продуктивности, состава, трофических связей в экосистемах были выполнены впервые во многих районах земного шара. Впервые максимально возможное число параметров, характеризующих биологические ресурсы, были измерены на коротких и длительных временных интервалах. Впервые разрабатывался общий язык для описания функционирования экосистем. Для многих территорий большие международные экспедиции проводили совместные исследования впервые.

Карта расположения участков работ по МБП в Сибири

Годичная первичная продукция и общая биомасса некоторых крупных наземных биомов Biome Net primary productivity, g/m 2 Net primary productivity over the globe, billion T Biomass density, kg/m 2 Total global biomass, billion Ton billion Ton 1 Tropical rain forests , Tropical savanna and grasslandss Evergreen temperate forests 13006, Deciduous temperate forests 12008, Taiga8009, Tundra1401,145 7Steppe605,40,614

КПД фотосинтеза в различных биомах 2 0,002 0,04 0,1 0,5 КПД, % (логарифмическая шкала) Фотосинтетически активная радиация, KJ/м 2 · year Coniferous forest Deciduous forest Steppe Semi-desert

Пропорциональная связь между первичной продукцией и общей биомассой растений в тундровых сообществах

Carbon, т/га Биомасса деревьев и наземной растительности в светлохвойных лесах вдоль градиента температуры Temperature, 0 С

: начало «космической эры» в экологии. Пространственная неоднородность и временная изменчивость природных экосистем создавала проблемы при трансформации точечных (на участках) измерений на большие территории. Экология нуждалась в новых подходах. И эти подходы были реализованы дистанционными измерениями со спутников. С начала 1980 th спутники были снабжены инструментами, которые позволяли получать непрерывную информацию о состоянии атмосферы и поверхности Земли в разных диапазонах излучений с разным разрешением (Ресурс, NOAA, Landsat)

Okean-О 1 Terra (EOS AM-1), radiometer MODIS Aqua (EOS PM-1), radiometer MODIS " Prozrachni Mir " " Meteor-3М " " Monitor ", stream 1R Functioning satellite Satellite, p lanned to launch " Econ " АПК ЕОСкан/АМ diameter of mirror 2.3 м IRS-P4, device OCM

Пример LANDSAT: спектральные и радиометрические характеристики, используемые для картографирования Band Wavelength Basic primary rationale for vegetation TM 1 0,45-0,52 Sensitivity to chlorophyll and carotenoid concentration concentration TM 2 0,52-0,60 Slight sensitivity to chlorophyll plus green region characteristics characteristics TM 3 0,63-0,69 Sensitivity to chlorophyll TM 4 0,76-0,90 Sensitivity to vegetation density or biomass TM 5 1,55-1,75 Sensitivity to water in plant leaves TM 6 2,08-2,35 Sensitivity to water in plant leaves TM 7 10,4-12,5 Thermal properties

Пример карты растительности Енисейского меридиана (проект IGBP-NES) Для всей территории Енисейского меридиана (IGBR- NES) выделено 8 основных классов растительности только по дистанционным измерениям

Пример более детальной классификации экотона лес-тундра по данным AHVRR 1 – rocky desert 2 – mountain tundra 3 – arctic and dwarf tundra 4 – tussock tundra 5 – dwarf tundra 6 – shrub tundra 7 – sparse forest-tundra (0,1 and less closure) 8 – low density larch forests (0,1- 0,3) 9 – middle density larch forests (0,3-0,7) 10 – water and open bogs 11 – territory with not enough data for classification

Динамика NDVI (съемка NOAA/AVHRR)

Конец 20- начало 21 столетия: глобальные процессы на Земле и стабилизирующая роль биосферы Основные последствия ускоренного роста населения планеты и его технологической активности: Увеличение техногенных выбросов и концентрации парниковых газов в атмосфере; Увеличение технологического мусора и продуктов жизнедеятельности; (Население Земли: 1960 – 3,02 млрд, 1990 – 5,29 млрд) (к примеру США ежегодно производит отходов производств: муниципальных – 178, индустриальных – 628(265 – химически активные), сельскохозяйственных – 1400, добычи ископаемых – 1300) Потери лесной площади; (лесопокрытая площадь уменьшилась на 6% в течение последних 2-х десятилетий, в тропических лесах – на 18%) Увеличение земель индустриального использования (площади нетронутых земель не превышают 30% от всей суши и расположены в основном в Сибири и Северной Америке) Нестабильность климата (глобальное потепление)

Увеличение концентрации двуокиси углерода в атмосфере в последние десятилетия

Упрощенная схема влияния парниковых газов на потепление

Изменения экотона лес-тундра в течение последних десятилетий в горах Урала

Увеличение углекислоты в атмосфере и реакция биосферы: -Какова будет реакция в росте и продуктивности наземных экосистем разных климато-географических зон на повышение содержания углекислоты в атмосферы? -Может ли наземная растительность быть буфером изменений в газовом составе атмосферы (дополнительно аккумулировать углерод)? -Какие действия могут способствовать аккумулированию углекислоты из атмосферы и какова цена этих действий?

Основные уравнения для оценки бюджета углерода NPP = GPP – RES Масштаб: от отдельных растений до их сообществ NEE= NPP – SoRES Масштаб: от древостоев до ландшафтов (мозаики растительности) NBP = NEE – DIST Масштаб: биомы (эко регионы) Пример северной тайги в Средней Сибири: DIST составляет примерно % от NPP, и достигает % от NEE Ежегодные колебания DIST: от 5 % до 30 % от NPP засушливые годы

Сложности в исследовании углеродного цикла -Пространственная неоднородность (на региональном и локальном уровнях) -Вертикальная неоднородность внутри лесных экосистем -Различные «характерные времена» процессов ассимиляции и эмиссии углерода (фотосинтез, деструкция органики, и др.) etc) -Влияние природных и антропогенных факторов (периодическое или случайное)

Упрощенная классификация методов измерения и расчета потоков и пулов углерода Данные инвентаризации лесов (данные лесной таксации) Наземные измерения -Измерения пулов на экспериментальных участках -Измерения потоков (eddy-covariance) Атмосферные измерения -Измерения вертикальных профилей концентрации углекислоты -Измерения потоков углекислоты на высотных мачтах (до 300 м) Дистанционные (спутниковые) измерения -Оценка наземной биомассы и продуктивности -Оценка дыхания и первичной продукции, эмиссии углерода вследствие пожаров Моделирование (комбинирование разных методов измерений и расчетные схемы)

Преобладающие древесные породы российских лесов (x10 6 га) Zone Distribution of forested areas (FA) by dominant species x 10 6 ha PineSpruceFirLarchCedarBirchAspenOtherShrubsFA T FT MT ST TF S SD Total

Полный бюджет углерода по данным лесной инвентаризации за 5-летний период ( )

Динамика потоков углерода для двух сезонов в сосновом древостое

NEE – чистая продукция экосистемы (сосновый древостой, Зотино, средняя тайга)

Расчеты общего бюджета углерода для отдельного древостоя по измеренным пулам и потокам (сосновый древостой, Зотино) Расчеты общего бюджета углерода для отдельного древостоя по измеренным пулам и потокам (сосновый древостой, Зотино)

Углеродный бюджет елового древостоя, Шерридон, Канада)

Сезонные изменения концентрации углекислоты на двух уровнях вертикального профиля атмосферы, Зотино

Схема вычислений NPP из многоканальных спектральных космоснимков Channel 1 Apparent light Channel 2 Infrared light Channel 3 Infrared thermo Channel 4 Infrared thermo NDVI 1. Phenology 2. Absorbed PAR Transformed NDVI (TVX) Annually absorbed PAR (APAR) Annual Photosynthesis (Eg) NPP Respiration (Ra) Temperature differences Minimized Reflected PAR Soil surface Moisture (CSI) Air temperature Ta Surface radiometric Temperature (Ts) Atmospheric moisture Air water deficit (VPD) Moisture of dew-point Aboveground phytomass

Изменения в активности лесной растительности, оцененные по снимкам спутника LANDSAT

Оценка углеродного пула, комбинируя спутниковые данные и данные инвентаризации лесов

Карта глобального распределения NPP по результатам расчетов вегетационных моделей

Сопряженность между трендами NDVI (ассимиляционной активностью растительности) и трендами в приросте древесных растений в Сибири

Система лазерного сканирования поверхности и лесного полога

Пример сигнала, измеряемого лазерным сканером с высокой разрешающей способностью (Altex Observer)

Основные неопределенности в оценке углеродного бюджета связаны с крупными нарушениями -Лесные пожары -Вспышки насекомых -Нелегальные вырубки -Индустриальное землепользование

Снимок LANDSAT, показывающий участки сплошных рубок

Карта распределения поллютантов Норильского комбината (по контрасту со снеговым покровом )

Krasnoyarsk Abakan Снимок NOAA южной части Енисейского меридиана, показывающий несколько лесных пожаров на

Пример России: площади, пройденные пожарами ежегодно в 1970 – 2000 Bio – climatic zone Estimates of annual burned areas (million ha) Crownfire Surface fire Peatfire Incl. GF Total FAUFANFL Arctic desert and semi- desert Sub – arctic and tundra Forest tundra and northern taiga Middle taiga Southern taiga Temperate forests Steppe Semi – desert and desert Total

Оценка площадей пожаров в 1998 г по данным космоснимков NOAA AVHRR

Пожары в Северной Евразии в 1998 г. Burnt area (million Ha) 11 Of which in Russia 10.4 Including forest land 7.1 Official data 3.8 Consumed Carbon, Tg 176

Динамика пожаров (съемка MODIS)

Леса Северной Евразии и глобальный углеродный цикл в 1990 – 2000 гг. ~ 500 Tg С/year – net accumulation of carbon ~ 200 – 350 Tg С/year – total emission to the atmosphere due to fires, insect outbreaks, logging etc. ~ 100 Tg С/year – turnover to hydrosphere and soil due to biological processes in soil

Глобальный углеродный цикл

Выполняемые международные научные проекты по углеродному циклу в сибирских лесах Поддерживаемые Европейским Сообществом -TCOS (Terrestrial carbon observing system) 10 международных групп 10 международных групп - SIBERIA-II (remote sensing data to account full carbon budget of Siberian forests) forests) 12 международных групп 12 международных групп Поддерживаемые Обществом Макса Планка (Германия) -Siberian High Tower (long-term carbon flux- climate relationships) 6 международных групп 6 международных групп Поддерживаемые NASA (US Aerospace Agency) -Carbon emission from large forest fires in Eurasia 5 международных групп 5 международных групп Поддерживаемые Американско-российским фондом (CRDF) -Large fires and carbon storage and emission in long-term and short-term scales 3 международные группы 3 международные группы Поддерживаемые Сибирским отделением РАН -Моделирование углеродного цикла в лесных экосистемах 7 учреждений СО РАН и Министерства образования и науки 7 учреждений СО РАН и Министерства образования и науки Поддерживаемые IIASA (Международный институт прикладного системного анализа (Австрия) -Forestry Project 6 международных групп 6 международных групп