XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Сибирские экосистемы, которые занимают более 40% бореального пояса, в отдельные годы функционируют как самый мощный поглотитель атмосферного СH₄ среди лесов всего биома [3]. При этом эти биогеоценозы являются наиболее уязвимыми в контексте наблюдаемого потепления климата, поскольку рост температуры воздуха усиливает гетеротрофное дыхание и эмиссию СН₄ из почвы [2]. Дополнительное поступления СН₄ может уравновесить сток атмосферного СН₄ с его источниками, поэтому необходимы длительные исследования в этом регионе.

В последние 20 лет было реализовано несколько исследовательских программ в рамках различных научных проектов, направленных на изучение углеродного бюджета наземных биогеоценозов Сибири и мониторинг концентрации парниковых газов в атмосфере [1, 5, 7]. Тем не менее, в большей части из них не удалось получить многолетние непрерывные систематические измерения концентрации метана. При этом именно продолжительные частые наблюдения высокого разрешения за содержанием СН₄ в Сибири позволяют повысить точность математических расчётов и определить баланс атмосферного СН₄ и его изменчивость [4, 6].

Цель исследования – выявление особенностей изменчивости концентрации СH₄ в сезонном масштабе над мерзлотными лесными экосистемами Центральной Якутии по данным самолётных измерений на научной станции «Спасская падь» ИБПК СО РАН.

Задачи исследования:

1. Определить сезонные особенности суточной динамики концентрации СH₄ на профиле высот до 3000 м.

2. Описать годовую динамику содержания атмосферного СH₄ и выявить её специфику по сравнению с бореальным поясом России.

3. Определить скорость годового роста и временную тенденцию увеличения концентрации СH₄.

Описание участка исследования. Место проведения измерений расположено на 62°15' с.ш., 129°37' в.д. на лесной научной станции «Спасская падь», в 20 км к северу от Якутска, Республика Саха (Якутия), в среднем течении реки Лена. (Рис. 1) Эта область характеризуется глубокой вечной мерзлотой, резко континентальным климатом и небольшим количеством осадков. Леса относятся к средней и светлохвойной тайге. Климат резко континентальный: в Якутске среднегодовая температура составляет –10,4°C, а абсолютный минимум –57,1°C. Среднее годовое количество осадков в Якутске составляет 213 мм [8]; средний климатический показатель за 30 лет – 240 мм. Почвы района состоят из речных отложений и классифицируются как криоморфные дерново-таёжные осолоделые почвы.

Рисунок 1. Карта расположения участка Спасская падь

Мы берём данные с 32-метровой вышки, расположенной в Спасской пади под Якутском.

Данные вихревой ковариации потоков CH₄. Две системы эдди-ковариационных измерений потоков, тепла и воды, установленных на 32-метровую башню, в том числе инфракрасного газоанализатора LI-7500 и LI-COR (США); ультразвуковой анемометр WindMasterPro (высота 32 м); Solent R3-50 (Великобритания) – высота размещения 3,5 м, а также вспомогательное оборудование (источники питания, системы регистрации данных и блоки сопряжения, мультиплексоры, различные контроллеры, кабели и др.).

Отбор проб на самолёте. Мы отбираем пробы воздуха каждый месяц с октября 2019 г. по май 2021 г., чтобы охватить два цикла зима-осень-весна с разных высот пограничного слоя атмосферы (3000 м, 2000 м, 1000 м, 500 м и 100 м), где осуществляется динамическое и термическое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью при помощи самолёта. Пробы отправляются в Национальный институт по изучению окружающей среды, г. Цукуба (Япония), где проводится масс-спектрометрический анализ и определение содержания изотопов углерода в углекислом газе и метане. (Рис. 2.) В результате мы получаем динамику круглогодичных выбросов CH₄ из сибирских бореальных лесов по данным шести вертикальных профилей, включая поток башни.

Рисунок 2. Принцип работы

На рис. 3 показан процесс отбора проб воздуха.

Рисунок 3. Процесс отбора проб (A), вакуумный насос (Б и В)

Будет получена подробная количественная характеристика атмосферных концентраций CH₄ в различных временных масштабах: от суточного до долгосрочного, с использованием непрерывных систематических инструментальных измерений высокого разрешения и точности вдоль вертикального градиента приземной атмосферы с использованием высотной вышки и наблюдений с самолётов.

Список литературы

Аршинов М. Ю., Белан Б. Д., Давыдов Д. К., Иноуйе Г., Краснов О. А., Максютов Ш., Мачида Т., Фофонов А. В., Шимояма К. Пространственная и временная изменчивость концентрации CO₂ и CH₄ в приземном слое воздуха на территории Западной Сибири // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22. № 2. С. 183–192.

Максимов Т. Х. Круговорот углерода в лиственничных лесах якутского сектора криолитозоны: дис. ... док. био. наук: 03.00.16. – Красноярск, 2007. – 302 с.

Huissteden J., Maximov T. Chr., Kononov A.V., Dolman A.J. Summer soil CH₄ emission and uptake in taiga forest near Yakutsk, Eastern Siberia // Agric. for. meteorol. – 2008. – V. 148. P. 2006–2012.

Kim, D. G., Kirschbaum, M. U. F., Beedy, T. L. Carbon sequestration and net emissions of CH₄ and N₂O under agroforestry: Synthesizing available data and suggestions for future studies, Agriculture, Ecosystems & Environment – 2016. V. 226. P. 65–78.

Lloyd, J., Langenfelds, R. L., Francey, R. J., Gloor, M., Tchebakova, N. M., Zolotoukhine, D., Brand W. A., Werner R. A., Jordan A., Allison, C. A., Zrazhewske, V., Shibistova, O., Schulze, E. D. A trace‐gas climatology above Zotino, central Siberia // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology – 2002. – № 54 (5). – P. 749–767.

Saeki, T., Saito, R., Belikov, D., and Maksyutov, S.: Global high-resolution simulations of CO₂ and CH₄ using a NIES transport model to produce a priori concentrations for use in satellite data retrievals // Geosci. Model Dev. – 2013, V. 6, P. 81–100.

Sasakawa, M., Ito A., Machida, T., Tsuda, N., Niwa, Y., Davydov, D., Fofonov, A., Arshinov, M. Annual variation of CH₄ emissions from the middle taiga in West Siberian Lowland (2005–2009): a case of high CH₄ flux and precipitation rate in the summer of 2007 // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. – 2012, № 64 (1).

Schulze, E.-D., Lloyd, J., Kelliher, F.M., Wirth, C., Rebmann, C., Lühker, В., Mund M., Knohl A., Milyukova, I., Schulze, W., Ziegler, W., Varlagin, A., Valentini, R., Dore, S., Grigoriev, S., Kolle, O., Vygodskaya, N.N. Productivity of forests in the Eurosiberian boreal region and their potential to act as a carbon sink – a synthesis // Global Change Biol. – 1999, № 5. – P. 703–722.