ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 2, с. 110-119
УДК 504.064.36:551.586
ДИНАМИКА ПРИЗЕМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 В СРЕДНЕТАЕЖНОЙ
ПОДЗОНЕ ПРИЕНИСЕЙСКОЙ СИБИРИ
© 2015 г. А. В. Тимохина*, А. С. Прокушкин*, А. А. Онучин*, А. В. Панов*, Г. Б. Кофман*, М. Хайманн**
*Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50/28 **Институт биогеохимии им. Макса Планка 07745 Германия, Йена, ул. Ганса Кнолля, 10 e-mail: nastimoti@mail.ru Поступила в редакцию 01.08.2014 г.
Представлены результаты измерений приземной концентрации СО2 (2009—2012 гг.) в среднетаеж-ной подзоне Приенисейской Сибири (обсерватория "ZOTTO"). Особенности динамики диоксида углерода по профилю высот до 301 м объясняются как суточной и сезонной спецификой функционирования наземных экосистем, так и атмосферными процессами. Показано, что с высотой возрастает значение региональной и глобальной составляющих и уменьшается вклад подстилающей поверхности в районе обсерватории. Обнаруженные градиентные различия в концентрации СО2 в начале и конце холодного периода объясняются сезонным изменением высоты пограничного слоя атмосферы. Сопоставление полученных результатов на обсерватории "ZOTTO" и станциях мониторинга в Канаде и Северной Атлантике свидетельствует о том, что общие тенденции сезонной динамики СО2 одинаковы, а специфика изучаемых процессов обусловлена биогеографическими особенностями районов исследований.
Ключевые слова: атмосферный СО2, среднетаежная подзона Приенисейской Сибири, обсерватория "/ОТТО", бореальные леса.
Б01: 10.7868/80367059715020122
Биосферное значение бореальных лесов во многом обусловлено их способностью депонировать атмосферный углерод, тем самым уменьшая концентрацию парниковых газов (ПГ) в атмосфере. Следовательно, им принадлежит ведущая роль в поддержании глобального углеродного баланса среди наземных экосистем. Такое положение обусловлено не только масштабами распространения бореальных лесов, занимающих порядка 15.7 млн км2, но и спецификой их углеродного баланса (8Иу1ёепко, 2011). Несмотря на то, что продуктивность бореальных лесов и редколесий существенно ниже, чем тропических или широколиственных лесов умеренной зоны, значительное депонирование углерода в них обусловлено заторможенностью процессов разложения растительного опада и аккумуляцией органического вещества в почвенном блоке биогеоценозов (Вед-рова, Ваганов, 2009; Замолодчиков и др., 2011). В связи с этим высказываются опасения, что при глобальном потеплении климата бореальные леса могут из стока атмосферного углерода превратиться в его источник, поскольку повышение
температуры сопровождается более сильным откликом эмиссионных потоков (минерализация почвенного органического вещества) в экосистемах, чем продукции (Friedlingstein et al., 2003). Кроме того, изменение температуры может ускорить таяние мерзлотных почв и, следовательно, существенно увеличить величину эмиссии углерода в атмосферу.
По оценкам Д.Г Замолодчикова с соавт. (2011), сток углерода в леса России увеличился с 0.08 Гт С/год в 1988 г. до 0.23—0.24 Гт С/год во второй половине 2000-х годов. Тем не менее в большинстве натурных исследований и используемых в настоящее время моделях (Huntingfort et al., 2009) отмечается, что увеличение стока ПГ за счет увеличения продуктивности при повышении температур не компенсирует их потерь при росте природных эмиссий (дыхание) (Ostle, Ward, 2012). Поэтому важное значение в оценке параметров углеродного бюджета имеют данные о концентрации и потоках углекислоты, измеряемые на высотных мачтах, которые позволяют характеризовать относительно однородную часть пограничного слоя
атмосферы (ПСА). Получаемые при этом интегральные оценки концентраций ПГ над значительной территорией (~1000 км2) могут служить связующим звеном между крупномасштабными атмосферными моделями и локальными наземными измерениями потоков углерода, а также будут способствовать лучшему пониманию отклика бореальных лесов на изменения климата (Bakwin et al., 1998; Gloor et al., 2001).
В Российской Федерации государственная система инструментального мониторинга атмосферных концентраций ПГ не развита в достаточной мере, а научные исследования охватывают небольшие по площади территории (Аршинов идр., 2012). В связи с этим значительная часть Северной Евразии до настоящего времени практически не изучена с позиции секвестирования атмосферного углерода. В целях расширения сети наблюдений в 2006 г. на территории среднетаеж-ной подзоны Приенисейской Сибири создана научная обсерватория "Zotino Tall Tower Observatory" ("ZOTTO"; www.zottoproject.org).
Цель данной работы — анализ суточной, сезонной, годичной синоптической изменчивости концентрации атмосферного СО2 в среднетаеж-ной подзоне Сибири и ее сравнение с данными, полученными в Канаде и Северной Атлантике.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Обсерватория "ZOTTO" расположена в сред-нетаежной подзоне Приенисейской Сибири на левом берегу р. Енисей (Красноярский край, 60o48' с.ш., 89o21' в.д., 114 м над ур. м.). Тип климата — континентальный с суровой снежной зимой и умеренно-теплым влажным летом. По данным метеостанции Бор (в 100 км севернее обсерватории "ZOTTO"), среднегодовая температура воздуха равна —3.7°С, средняя температура января —24.2°С, июля +17.8°С, годовое количество осадков 536 мм.
Район исследований, согласно лесораститель-ному районированию, относится к Сымско-Дуб-ческому округу среднетаежных лесов. Геоморфология, литология и климат округа способствуют значительной заболоченности — около 60% территории. В результате комплексных инвентаризационных исследований, проведенных в радиусе 100 км вокруг высотной мачты, установлено, что преобладающими типами леса являются ельники и пихтачи зеленомошные (46.0%), представленные главным образом насаждениями на заключительной стадии послепожарного восстановления и возрастом более 130 и 160 лет соответственно; березняки и осинники (12.3%), образованные разновозрастными насаждениями от 40—60 (лиственные молодняки с подростом хвойных) до более 90 лет (смешанные темнохвойно-лиственные насажде-
ния с преобладанием лиственных пород) и болотные экосистемы (10.5%). Дополнительную моза-ичность в биогеоценотический покров территории вносят сосняки зеленомошные (8.3%), сосняки лишайниковые (7.6%), на 38 и 45% соответственно состоящие из перестойных насаждений (более 200 лет), и кедрачи зеленомошные (1.8%). На вырубки и гари приходится соответственно 2.6 и 5.1% территории (Климченко и др., 2011). Основной фон в структуре почвенного покрова составляют подзолы (Лесные экосистемы..., 2002). Вечная мерзлота в почвенных разрезах не обнаружена.
Ближайшие населенные пункты (пос. Зотино, Ворогово, Кривляк, Сандакчес и др.) расположены более чем в 25 км от обсерватории "ZOTTO", где общая численность населения не превышает 3000 человек, а также отсутствует какое-либо производство. Крупный город Красноярск с населением около 1 млн человек находится на расстоянии 700 км в южном направлении. Поэтому из-за низкой плотности населения и достаточной удаленности района исследования от крупных промышленных центров влияние антропогенного фактора не велико, однако значительная часть территории подвержена периодическому влиянию природных пожаров.
Круглогодичный мониторинг СО2 в приземном слое воздуха проводится с помощью комплекса измерительного оборудования на базе обсерватории "ZOTTO" с мая 2009 г. Измерительная система включает воздухозаборники, расположенные на шести высотах металлической мачты (4, 52, 92, 156, 227 и 301 м), и газоаналитический комплекс Envi-roSense 3000i (Picarro Inc., США), установленный в лаборатории у основания мачты. Подробно экспериментальная установка описана ранее (Winderlich, 2011).
В настоящей работе приведены данные градиентных измерений содержания диоксида углерода, полученные в период с 1 мая 2009 г. по 1 мая 2012 г. Для оценки общих тенденций динамики концентрации СО2 в ПСА в связи с географическими особенностями территорий и глобальной циркуляцией воздушных масс использованы данные измерений концентрации СО2 на канадских станциях "Fraserdale", "East Trout Lake", "Lac la Biche" и "Egbert", предоставленные Мировым центром данных по парниковым газам (WDCGG Web), и временные ряды содержания диоксида углерода в приземной атмосфере со станции "Shetlands" (Великобритания) (NOAA Web). Значения суточных концентраций СО2 для каждого пункта наблюдения представлены усредненными концентрациями СО2 с 13:00 до 17:00 ч местного времени. Выборочные ошибки при определении средних концентраций не превышают 10%.
Рассматриваемый период характеризуется полным перемешиванием воздуха во всей толще
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
405
£
ft 400
О
U «
и
я
св
р
Н Я
(U
Я
я
о
а
395
390
385
380
375
370
0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24 0 12 24
Время, ч
— 1 — 2
— 3
— 4
5
— 6
Рис. 1. Динамика суточной концентрации СО2 в атмосфере на разных высотах (обсерватория '^ОТТО") в отдельные
месяцы года для трехлетнего периода измерений (май 2009 г.—май 2012 г.).
1—6 — высота измерительного уровня в градации 4, 52, 92, 156, 227 и 301 м соответственно.
ПСА, а вертикальный градиент концентрации СО2 по высотному профилю близок к 0. Кроме того, использование такого способа расчета позволяет исключить завышение средних значений концентраций исследуемого газа, связанное с его накоплением (ночное дыхание растительного покрова) в приземном воздухе при температурной инверсии. Усредненные значения были использованы для получения сглаженной кривой временного хода концентрации СО2 с помощью метода, рекомендованного для квазинепрерывных измерений концентрации парниковых газов (Thompson et al., 2009; Popa et al., 2010). Данный метод основан на аппроксимации динамики концентрации СО2 рядом Фурье, состоящим из линейного тренда и четырех гармоник сезонного цикла:
nx| + cn cos(365пхII,
F(x) = a0 + axx + b„ sin (ЗЛ
n=l
где x — время в днях, а0, ах — коэффициенты ли нейного тренда, bn и cn — веса гармоник.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сут
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.