КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеТемпературная чувствительность дыхания почв в различных экосистемах южной тайги: межгодовая вариабельность и влияние экстремальных погодных явлений

РуководительКурганова Ирина Николаевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук», Московская обл

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Аннотация
Дыхание почв (soil respiration, SR), или почвенная эмиссия СО2 представляет собой естественный источник углекислого газа в атмосферу и является вторым по величине потоком углерода (C) в наземных экосистемах. Считается, что дыхание почв в существенной степени может стимулироваться потеплением климата на планете. Учитывая, что интенсивность выделения СО2 из почв в результате дыхания связана с климатом системой прямых и обратных связей, оценка влияния современных климатических трендов и экстремальных погодных явлений на величину SR и ее температурную чувствительность приобретает сегодня особую актуальность. Зависимость дыхания почвы от температуры наиболее часто выражают экспоненциальной функцией, на основе которой определяется температурный коэффициент Q10, выступающий общепринятой характеристикой температурной чувствительности SR. В рамках запланированного исследования на базе уникальных 24-летних рядов непрерывных измерений SR, охватывающих широкий спектр самых разных лет по сочетанию гидротермических условий, будет выполнена оценка межгодовой вариабельности температурной чувствительности дыхания почв в пяти различных экосистемах южной тайги. Изучение влияния экстремальных погодных явлений различной продолжительности и интенсивности (засухи и ливневые осадки, глубокое промерзание и его полное отсутствие) на температурную чувствительность SR будет проводиться на базе данных, полученных в рамках полевого имитационного эксперимента с искусственно регулируемым уровнем иссушения/увлажнения в период вегетации и промерзания почв - зимой. Имеющиеся ряды экспериментальных данных, дополненные новыми исследованиями, позволят также впервые получить дифференцированную оценку температурного коэффициента Q10 в различных температурно-влажностных интервалах, что составит основу для более дифференцированного прогноза величины SR в условиях меняющегося климата. Используя обучающую и тестовые выборки в рамках 24-летних рядов данных по определению величины SR, будет проведена параметризация, верификация и оценка точности эмпирических регрессионных моделей в почвах пяти различных экосистем южной тайги и сделаны выводы об адекватности применения коэффициента температурной чувствительности в целях получения прогнозных оценок величины SR в условиях усиления экстремальности климата. Концептуальная новизна заявляемой тематики и планируемых исследований состоит прежде в уникальности имеющихся экспериментальных ресурсов и комплексности применяемых методов статистического анализа данных. Так, основу планируемых численных экспериментов по оценке температурной чувствительности почвенного дыхания и верификации регрессионных экспоненциальных моделей для прогноза величины SR составят 24-летние ряды непрерывных круглогодичных наблюдений за дыханием почв в пяти различных биогеоценозах южной тайги (2 лесных, 2 луговых и агроценоз), которые будут дополнены данными имитационного эксперимента по моделированию засух различной продолжительности в летний период и промерзания почв различной интенсивности – зимой. Таких длительных рядов наблюдений, выполненных с высокой периодичностью (3-5 раз в месяц) и включающих определение зимнего дыхания почв, нет не только в России, но и за рубежом. Оценка влияния летнего и зимнего дефицита осадков на температурную чувствительность SR в условиях полевого имитационного эксперимента, будет дополнена данными по моделированию ливневых осадков на величину SR и его температурную чувствительность, что позволит охватить основной спектр климатических аномалий в зоне умеренного климата. Таким образом, новизна тематики проекта, заключающаяся в оценке временной вариабельности температурной чувствительности SR и определении влияния на нее погодных аномалий, является более, чем очевидной.

Ожидаемые результаты
На основании проведенных исследований будет дана оценка средней величины температурного коэффициента Q10 для дыхания почв в каждой из 5 изученных экосистем и определена ее вариабельность в зависимости от продолжительности периода наблюдений, вовлеченных в анализ. Будет выявлен и обоснован необходимый период измерений (количество лет), который является достаточным для разработки эмпирических моделей и получения оценок температурной чувствительности SR, обладающих невысокой межгодовой вариабельностью и достаточной точностью для получения прогнозных оценок SR в зоне умеренного климата. Будет проведена дифференцированная оценка температурных коэффициентов дыхания почв во всех изученных экосистемах отдельно для влажных, нормальных и засушливых лет, а также в совокупностях данных, объединенных по отдельным календарным сезонам, что позволит оценить вероятность изменения температурного отклика почвенного дыхания в разных типах экосистем (лесной, луговой, агроценоз) при различных сценариях изменения климата в умеренной зоне. Оценка влияния экстремальных погодных явлений на температурный отклик SR будет включать построение температурных зависимостей между SR и температурой в более узких температурно-влажностных интервалах, что позволит более точно оценить величину Q10. Можно ожидать, что экстремальные засухи и глубокое промерзание почв будут оказывать разнонаправленное влияние на температурный отклик SR. Так, при усилении промерзания почвы будет наблюдаться увеличение температурной чувствительности SR, а при моделировании засух произойдет снижение коэффициента Q10. Полученные оценки температурного отклика SR в разных температурно-влажностных интервалах, выполненные на базе 24-летних наблюдений за дыханием почв, позволят выявить закономерности изменения температурного отклика SR при сопряженных изменениях температуры и влажности почвы, что составит основу для более дифференцированного прогноза величины SR в условиях меняющегося климата. Параметризация, верификация и оценка точности эмпирических регрессионных моделей в почвах пяти различных экосистем южной тайги позволит сделать выводы об адекватности применения коэффициента температурной чувствительности в целях получения прогнозных оценок величины SR в условиях усиления экстремальности климата. Таким образом, сочетание уникальных экспериментальных данных и комплекс статистических методов их анализа составят основу развития новой научной тематики, заключающейся в определении температурной чувствительности SR в условиях усиления экстремальности климата и возможности использования эмпирических моделей для получения прогнозных оценок SR в зоне умеренного климата.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведение еженедельных круглогодичных определений дыхания почв (SR) в шести экосистемах южного Подмосковья показало, что по величине суммарной годовой эмиссии СО2 из почв (SRyear), которая представляет собой сумму месячных потоков СО2 из почв (ноябрь 2021 − октябрь 2022 г.), можно выделить 3 группы: агроценоз – с наименьшей величиной SRyear (496 г С/м2/год), лесные ценозы с промежуточными величинами SRyear (610−615 г С/м2/год) и луговые ценозы и лесозарастающая залежь с максимальными значениями SRyear (781−910 г С/м2/год). По величине температурного коэффициента Q10 для дыхания почв, показывающего во сколько раз увеличивается интенсивность SR при увеличении температуры почвы на 10°С, также можно выделить 3 группы: агроценоз – с самым высоким откликом SR на повышение температуры почвы, Тs (Q*10 = 2.91), луговые ценозы с промежуточными величинами Q*10 (2.18 и 2.64), лесные ценозы и лесозарастающая залежь с самым слабым откликом SR на повышение Тs (Q*10 = 1.49−1.89). Температурный отклик дыхания супесчаных почв был более выражен, чем в идентичных экосистемах на суглинистых почвах. Когда расчеты температурной чувствительности SR проводили в интервале температур более 1°С, то величина Q10 становилась, как правило, меньше, а отклик SR на увеличение Тs в изучаемых экосистемах выравнивался, варьируя от 1.52 до 2.00. Таким образом, величина температурного отклика SR на повышение температуры определялась типом ценоза, текстурой почвы и интервалом температур, для которого проводились соответствующие расчеты. В ходе проведения имитационного эксперимента по изучению влияния ливневых осадков различной интенсивности на эмиссию СО2 из серой лесной почвы под луговой растительностью было выявлено, что средняя скорость эмиссии СО2 из почвы в период наблюдений, следуя за динамикой температуры почвы, плавно снижалась с 250−330 мг С/м2/ч в середине лета до 50−80 мг С/м2/ч в середине осени. Температурный коэффициент Q10, рассчитанный по всей совокупности данных, исключая затопленные монолиты составил 2.3 (R2 = 0.52). Было выявлено, что скорость эмиссии СО2 из почв положительно коррелировала с влажностью почвы. Наибольшая интенсивность выделения СО2 из почвы наблюдалась при влажности почв, соответствующей 85−95% их наименьшей влагоемкости. При имитации ливневых осадков, эмиссия СО2 из почвы в монолитах резко снижалась уже после первых признаков переувлажнения и сохранялась на низком уровне вплоть до возвращения влажности почвы до уровня наименьшей влагоемкости. Выявлено, что кратковременное затопление, которое часто можно наблюдать в микропонижениях после выпадения интенсивных осадков приводит к резкому, но кратковременному снижению интенсивности дыхания почвы, которое наблюдается только в период её переувлажнения. На примере дерново-подзолистой супесчаной и на серой лесной суглинистой почвах под лесной растительностью в регионе южного Подмосковья была выполнена оценка температурной чувствительности дыхания почв (величина Q10) для всего массива данных, накопленных за 24 года измерений. Также оценка величины Q10 проводилась дифференцированно: (i) для каждого из 24 лет наблюдений; (ii) для совокупности лет с разным уровнем увлажнения (нормальные, влажные, сухие), (iii) для отдельных календарных сезонов: зима (декабрь – февраль), весна (март-май), лето (июнь-август), осень (сентябрь-октябрь). Проведенные расчеты показали, что температурная чувствительность SR, рассчитанная для всего диапазона Ts (Q*10), составила 2.47 и 2.26 для дерново-подзолистой супесчаной почвы и серой лесной суглинистой почвы, соответственно. Когда температурную чувствительность SR оценивали для каждого из 24 лет отдельно, значения Q*10 колебались от 1.50 до 5.04 в супесчаной дерново-подзолистой почве и изменялись от 1.48 до 6.29 в суглинистой серой лесной почве. Межгодовая изменчивость значений Q*10 (коэффициент вариации, CV) в этих почвах составила 33 и 40%, соответственно. Мы показали, что температурная чувствительность SR в лесных экосистемах южного Подмосковья в условиях умеренно-континентального климата была несколько выше по сравнению со среднемировыми значениями Q10 для лесных почв, составляющими 1.50−1.75. Дифференцированная оценка температурной чувствительности SR в лесных экосистемах для совокупности лет с разным увлажнением показала, что температурные коэффициенты в нормальные по увлажнению годы были примерно одинаковыми в обеих исследованных лесных почвах (Q*10 = 2.66-2.72), тогда как значения Q10 (при Тs≥1°С) для дерново-подзолистой супесчаной почвы были выше, чем для суглинистой серой лесной почвы: 2.33 vs 2.09. В засушливые годы значения Q*10 и Q10 для SR в исследованных лесных экосистемах были в 1.3-1.4 раза ниже по сравнению с годами с нормальным увлажнением. В годы с повышенным уровнем увлажнения в обеих экосистемах также выявлено снижение температурной чувствительности SR на 11-18% по сравнению с нормальными годами. Наши исследования показали, что сезонная динамика температурной чувствительности SR в лесных экосистемах была обусловлена изменением как внешних (или абиотических) факторов (процессы замерзания-оттаивания, гидротермический режим), так и внутренних (или биотических), в том числе динамикой подстилки в лесных почвах, ее оборачиваемости, качества и доступности субстрата, а также способности микробного сообщества разлагать почвенное органическое вещество. Проведенный статистический анализ вариабельности значений Q*10 в объединенных совокупностях данных экспериментальных наблюдений по 2, 3, 4 и 5 лет показал, что чем длиннее период наблюдений, тем меньше вариабельность получаемых коэффициентов температурной чувствительности. Для адекватной оценки температурной чувствительности почвенного дыхания мы рекомендуем проводить определение SR в течение 4−5 или более лет. Эмпирические регрессионные модели (линейные и экспоненциальные), построенные на основе обучающих выборок в различных временных интервалах и использующие в качестве независимого параметра Тs на глубине 5 см, адекватно описывают интенсивность SR в дерново-подзолистых супесчаных и серых лесных суглинистых почвах южного Подмосковья. Одним из способов существенно повысить точность моделирования может служить использование дифференцированной оценки температурной чувствительности SR, полученных для разных по увлажнению лет. Экспоненциальные модели с последующей оценкой температурного коэффициента Q10 являются в настоящее время наиболее популярными среди исследователей, однако их применение нельзя признать абсолютно правомерным для описания такого сложного процесса как дыхание почв. https://russian.rt.com/science/article/1053752-rossiya-eksperiment-pochvennoe-dyhanie

Публикации

1. - Дыхание почв: российские учёные определили связь между засухами и содержанием CO₂ в атмосфере RT на русском, https://russian.rt.com/science/article/1053752-rossiya-eksperiment-pochvennoe-dyhanie (год публикации - ).

2. Курганова И.., Лопес де Гереню В., Хорошаев Д., Мякшина Т., Сапронов Д., Жмурин В. Temperature Sensitivity of Soil Respiration in Two Temperate Forest Ecosystems: The Synthesis of a 24-Year Continuous Observation Forests, Vol.13, N 1374 (год публикации - 2022).

3. Курганова И.Н., В.О. Лопес де Гереню, Т.Н. Мякшина, Д.В. Сапронов, Д.А. Хорошаев, В.А. Жмурин Анализ временной изменчивости дыхания дерново-слабоподзолистой почвы в лесном и луговом ценозах южно-таежной зоны ISSN: 0137-0944, Вестник МГУ. Сер. 17, Почвоведение, № 2, С. 28-37 (год публикации - 2022).

4. Курганова И.Н., В.О. Лопес де Гереню, Т.Н. Мякшина, Д.В. Сапронов, Д.А. Хорошаев, В.А. Жмурин The Temporal Variability of Respiration of a Soddy-Podzolic Soil in Forest and Meadow Coenoses of the South-Taiga Zone 0147-6874, Moscow University Soil Science Bulletin, Vol. 77, No. 2, pp. 74–82. (год публикации - 2022).

5. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А., Жмурин В.А. КАКИЕ ФАКТОРЫ ОПРЕДЕЛЯЮТ ТЕМПЕРАТУРНУЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДЫХАНИЯ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ В СМЕШАННОМ ЛЕСУ ЮЖНОГО ПОДМОСКОВЬЯ? НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УСТОЙЧИВОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛЕСАМИ, Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 30-летию ЦЭПЛ РАН. Москва, 2022, С. 235-237 (год публикации - 2022).