Оценка дыхания почв с помощью модели Райха–Хашимото: параметризация и прогноз

Дыхание, или эмиссия СО₂ из почвы, является наиболее мощным исходящим потоком углерода в наземных экосистемах, что выводит его точную оценку и прогноз в разряд важнейших биосферных задач. Среди множества регрессионных моделей, оценивающих дыхание почвы, нами была выбрана относительно простая и широко распространенная модель T&P (Райха–Хашимото). Модель была применена для описания имеющихся многолетних рядов наблюдений за эмиссией СО₂ в экосистемах южной тайги и лесостепи Европейской территории России. Объектами исследования выступали местные биотопы: луговая степь, молодая залежь и ясеневый лес на типичных черноземах в Курской области; еловый лес и участки распада елового древостоя на дерново-подзолах, а также верховое болото на торфяных болотных почвах – в Новгородской области. По результатам параметризации уровни дыхания почвы при 0^оC были увеличены в 1.06–1.54 раза по сравнению с исходными значениями модели, степенные коэффициенты температурной функции – в 1.04–1.41 раза, тогда как коэффициенты зависимости от осадков были изменены для обеих природных подзон в 0.87–0.99 раза. Скорректированные версии модели показали хорошую сходимость с результатами полевых измерений. Согласно прогнозу, при сохранении современного темпа роста температуры воздуха и текущего количества осадков эмиссия СО₂ из дерново-подзолов Новгородской области усилится на 1.4– 2.2% за 10 лет, тогда как дыхание типичных черноземов в Курской области увеличится на 0.3–3.8%. Модель демонстрирует хорошую пластичность применительно к зональным типам почв и конкретным экосистемам и наилучшим образом подходит для описания среднегодовых величин почвенной эмиссии СО₂ как при ее многолетнем прогнозе, так и при ретроспективном анализе.

1. Алферов А.М., Блинов В.Г., Гитарский М.Л., Грабар В.А., Замолодчиков Д.Г., Зинченко А.В., Иванова Н.П., Ивахов В.М., Карабань Р.Т., Карелин Д.В., Калюжный И.Л., Кашин Ф.В., Конюшков Д.Е., Коротков В.Н., Кровотынцев В.А., Марунич А.С., Парамонова Н.Н., Романовская А.А., Трунов А.А., Шилкин А.В., Юзбеков А.К. Мониторинг потоков парниковых газов в природных экосистемах / под ред. Д.Г. Замолодчикова, Д.В. Карелина, М.Л. Гитарского, В.Г. Блинова. Саратов: Амирит, 2017. 279 с.

2. Андреева Е.Н., Балун О.В., Журавлева О.С., Катаева О.А., Конечная Г.Ю., Крупкина Л.И., Юрова Э.А. Кадастр флоры Новгородской области. Великий Новгород: ЛЕМА, 2009. 276 с.

3. Карелин Д.В., Азовский А.И., Куманяев А.С., Замолодчиков Д.Г. 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. Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Ромашкин И.В., Жмурин В.А., Кудеяров В.Н. Натурная и модельная оценки дыхания лесной дерново-подзолистой почвы в Приокско-Террасном биосферном заповеднике // Лесоведение. 2019. № 5. С. 435-448. https://doi.org/10.1134/S002411481905005X

5. Курганова И.Н., Лопес Де Гереню В.О., Хорошаев Д.А., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Жмурин В.А., Кудея-ров В.Н. 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. https://doi.org/10.31857/S0032180X20100111

6. Смольянинов В.М., Стародубцев П.П. Комплексная мелиорация и орошение земель в Центрально-Черноземном регионе: состояние, условия развития. Воронеж: Истоки, 2011. 179 с.

7. Цей Р., Шумафов М.М. Математическое моделирование и обратные задачи // Вестн. Адыгейского гос. ун-та. Сер. 4: Естественно-математические и технические науки. 2008. № 4. С. 18-24.

8. Bond-Lamberty B., Thompson A. Temperature associated increases in the global soil respiration record // Nature. 2010. Vol. 464. P. 579-582. https://doi.org/10.5194/bg-7-1915-2010

9. Carey J.C., Tang J., Templer P.H. et al. Temperature response of soil respiration largely unaltered with experimental warming // PNAS. 2016. Vol. 113 (48). P. 13797-13802. https://doi.org/10.1073/pnas.1605365113

10. Chen S., Huang Y., Zou J., Shen Q., Hu Z., Qin Y., Chen H., Pan G. Modeling interannual variability of global soil respiration from climate and soil properties // Agricultural and Forest Meteorol. 2010. Vol. 150. Is. 4. P.590-605. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2010.02.004

11. Chen S., Zou J., Hu Z., Lu Y. Temporal and spatial variations in the mean residence time of soil organic carbon and their relationship with climatic, soil and vegetation drivers // Global and Planetary Change. 2020. Vol. 195. Art. 103359. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2020.103359

12. Golubyatnikov L.L., Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O. Estimation of C-CO2 balance of natural steppe ecosystems: Khakassia and Tuva (Eastern Siberia, Russia) case studies // IOP Conf. Series: Earth and Environ. Sci. 2020. Vol. 606. Art. 012013. https://doi.org/10.1088/1755-1315/606/1/012013

13. Hanson P.J., Edwards N.T., Garten C.T., Andrews J.A. Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations // Biogeochemistry. 2000. Vol. 48. Is. 1. P. 115-146. https://doi.org/10.1023/A:1006244819642

14. Hashimoto S., Carvalhais N., Ito A., Migliavacca M., Nishi-na K., Reichstein M. Global spatiotemporal distribution of soil respiration modeled using a global database // Biogeosciences. 2015. № 12. P. 4121-4132. https://doi.org/10.5194/bg-12-4121-2015

15. Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Shilkin A.V., Popov S.Yu., Kumanyaev A.S., Lopes de Gerenyu V.O., Tel'nova N.O., Gitarskiy M.L. The effect of tree mortality on CO2 fluxes in an old-growth spruce forest // European J. Forest Res. 2021. Vol. 140 (2). P. 287-305. https://doi.org/10.1007/s10342-020-01330-3

16. Meyer N., Welp G., Amelung W. The temperature sensitivity (Q10) of soil respiration: Controlling factors and spatial prediction at regional scale based on environmental soil classes // Global Biogeochem. Cycles. 2018. Vol. 32. P.306-323. https://doi.org/10.1002/2017GB005644

17. Raich J.W., Potter C.S. Global patterns of carbon dioxide emission from soils // Global Biogeochem. Cycles. 1995. Vol. 9. P. 23-36.

18. Raich J.W., Potter C.S., Bhagawati D. Interannual variability in global soil respiration, 1980-94 // Global Change Biol. 2002. Vol. 8. Is. 8. P. 800-812. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2002.00511.x

19. Reichstein M., Rey A., Freibauer A., Tenhunen J., Valenti-niR., Banza J., Casals P., Cheng Y., Grunzweig J.M., Irvine J., Joffre R., Law B.E., Loustau D., Miglietta F., Oechel W., Ourcival J.-M., Pereira J.S., Peressotti A., Ponti F., Qi Y., Rambal S., Rayment M., Romanya J., Rossi F., Tedeschi V., Tirone G., Xu M., Yakir D. Modeling temporal and large-scale spatial variability of soil respiration from soil water availability, temperature and vegetation productivity indices // Global Biogeochem. Cycles. 2003. Vol. 17 (4). Art. 1104. https://doi.org/10.1029/2003GB002035

20. Ruane A.C., McDermid S.P. Selection of a representative subset of global climate models that captures the profile of regional changes for integrated climate impacts assessment // Earth Perspectives. 2017. № 4. Art. 1. https://doi.org/10.1186/s40322-017-0036-4

21. Zhou T., Shi P., Hui D., Luo Y. Global pattern of temperature sensitivity of soil heterotrophic respiration (Q10) and its implications for carbon-climate feedback // J. of Geophys. Res. 2009. № 114. Art. G02016. https://doi.org/10.1029/2008JG000850