C 1998 года я занимаюсь вопросами обмена углерода и углеродного баланса между экосистемой и атмосферой. Очень благодарна организаторам конференции за предоставленную возможность поделиться своим опытом.
Углеродный баланс – это, по сути, итог взаимодействия двух противоположно направленных потоков: фотосинтеза и дыхания экосистемы. Компоненты углеродного баланса, которые нас интересуют в первую очередь, — это чистый экосистемный обмен и чистая первичная продукция, невероятно важная с точки зрения сельхозпроизводителя, и, конечно же, чистый экосистемный баланс углерода, который включает в себя многокомпонентное уравнение, где присутствуют не только результаты прямого газообмена, но и косвенные факторы, такие как вынос углеродов в гидросферу, пожары, вынос углерода с урожаем в летучие соединения, эмиссия остальных парниковых газов, почвенная эрозия и результаты внесения органических удобрений. Чистый экосистемный баланс углерода в агроэкосистеме может быть как негативным, так и позитивным.
Чистая первичная продукция может достигать 60 процентов, огромное значение отводится экосистемному дыханию и выносу парниковых газов. Измерения обмена углерода и компонентов углеродного баланса между экосистемой и атмосферой зависят от того, какую научную задачу мы ставим перед собой и какой из компонентов мы собираемся рассматривать. Скажем, спектр измерений варьирует от спутникового зондирования, где мы можем определять валовую первичную продукцию, до локальных точечных измерений с помощью почвенных камер, градиентов, тоннеля и метаданных вихревых пульсаций. На более высоком масштабе мы можем использовать летательные аппараты или высотные мачты. При этом мы делаем охват от локального масштаба в несколько метров до тысяч квадратных километров.
Каковы же методы оценки валовой первичной продукции, или фотосинтеза? Прежде всего, это методы дистанционного зондирования, кроме этого, мы можем применить моделирование, которое основано на процессах измерения фотосинтеза локальной фотосинтетической камерой и в дальнейшем моделирования с учетом сопутствующих микроклиматических параметров и специфических данных экосистемы, типа почв в том числе. Очень перспективно и сочетание изотопных и микрометеорологических методов, которое было предложено еще в 90-х годах и сейчас практикуется не только для исследования фотосинтетической активности, но и для разделения компонентов дыхания экосистемы, таких как автотрофное и гетеротрофное дыхание. И самым простым и перспективным методом является метод микровихревых пульсаций.
Мы знаем, что метод вихревых пульсаций измеряет чистый экосистемный обмен, интегрированный на площадь, но, зная дыхание экосистемы, которое измеряется, как правило, в ночное время, когда фотосинтез отсутствует, и корректируется на температурные показатели и показатели влажности почвы, мы можем смоделировать дыхание экосистемы и также валовую первичную продукцию.
Методы оценки чистой первичной продукции, которые сельхозпроизводителей должны волновать в первую очередь, — это дистанционное зондирование, крупномасштабные оценки NPP, такие как «bottom-up» модели на основе измеренной урожайности сельхозкультур. Здесь существует множество аллометрических уравнений, учитывающих культуры, разные почвенные и климатические условия использования индекса урожайности, потерь и так далее. При этом нужна информация о первичной продукции в семенах или плодах, которые тоже рассчитываются, исходя из содержания органического углерода в биомассе: нужно NPP надземной биомассы — здесь используется индекс урожайности, корневой системы, здесь тоже существует множество аллометрических уравнений, сравнивающих надземную и подземную биомассу. Особую сложность составляет определение первичной продукции в остатках, поскольку это не только то, что удаляется с соломой, остается как мульча, — здесь еще должны быть учтены потери от паразитов, травоядных животных и т.д.
Как можно применить различные масштабные методы для того, чтобы порционировать потоки углерода между экосистемой и атмосферой? Как пример, расскажу про наш эксперимент по определению компонентов дыхательного потока лесной экосистемы. Когда мы применили Eddy covariance и метод открытых и закрытых камер, эксперимент показал, что почвенное дыхание является превалирующим компонентом дыхательного баланса экосистемы и составляет более 50 процентов, и именно почвенное дыхание может моделировать свойство экосистемы быть источником CO2 в атмосфере.
Преимущества и ограничения метода вихревых пульсаций
Преимущества — недеструктивный метод; быстрые непрерывные и долговременные ряды данных; при необходимости можно проводить модельные эксперименты с внесением удобрений или влияние источника способа землепользования.
Ограничения — очень требователен к рельефу, и для сельхозкультур здесь очень сложно найти репрезентативные участки. Однако это проблема в основном для Европы, где размер полей достаточно мал, в России выбрать репрезентативные участки несложно.
Мы поговорим о том, насколько разные методы могут описать пространственную гетерогенность потока углерода из почвы в атмосферу. Когда мы сравнили Eddy covariance и камерные методы, увидели, что Eddy covariance интегрирует поток на большую площадь, а камера показывает гетерогенность потока, которая зависит от мозаичности напочвенного растительного покрова. По гетерогенности величины потока CO2 из почвы на площади в один гектар мы видим разбег данных, различающийся почти в 6 раз, — это может быть связано с наличием корневой системы в почве, которая, естественно, влияет на величину потока.
Поэтому я перехожу к почвенным камерам, с помощью которых можно наилучшим образом определить гетерогенность потока и дальше связать величину почвенного дыхания с физиологическими процессами, которые происходят в почве и напочвенном покрове. Прежде всего, наиболее важный механизм переноса CO2 из почвы в атмосферу — это диффузия, которая описывается первым законом Фика, поэтому подчеркну, что действие всех камер, которые вы будете использовать для измерения почвенного потока, основывается на первом законе Фика, на диффузионном процессе. Камеры в зависимости от принципа действия делятся на закрытые статические, закрытые динамические и открытые динамические. Закрытые статические камеры делятся, в свою очередь, на абсорбционные. Это метод, который применяется в лабораториях довольно часто и впервые был предложен в 1922 году. Он называется «дыхательный колокол» и основан на абсорбции поглощения CO2 абсорбентом, скажем, щелочью или натронной известью. В чем его преимущества? Он может дать интегрированные измерения по времени, его можно проводить одновременно на обширной территории, но необходима некоторая коррекция на образующейся жидкости. Я знаю, что существует мнение о том, что абсорбционные камеры недостаточно продвинуты и люди предпочитают не пользоваться ими, но лично я к ним отношусь положительно, потому что для получения реалистичных данных необходимо учитывать некоторые параметры (они описаны в статье Gupta&Singh), когда выбирается оптимальное соотношение объема и площади камеры и объем камеры вы рассчитываете, исходя из предварительно измеренного потока.
Статические камеры могут быть также аккумуляционными, где CO2 измеряется методом Джесси, или инфракрасным газоанализатором. Основная проблема, которая может быть связана со статической камерой, — увеличение концентрации влияет на диффузионный процесс, в связи с этим была выдвинута идея еще в 20-30 годах о применении проточных открытых камер.
Принцип действия динамической проточной камеры основан на том, что воздух поступает в камеру и выходит из камеры, при этом должен создаваться постоянный поток воздуха через камеру, который поступает на инфракрасный газоанализатор. Расчет потока тоже довольно прост.
Закрытые динамические камеры — это лайкоровские камеры, их можно разделить на автоматические или ручные переносные. Они довольно просты в использовании и дают очень хороший результат.
Преимущества и недостатки камер
Преимущества — гибкое пространственное покрытие, быстрые измерения, одновременное измерение фотосинтеза и эвапотранспирации, если использовать прозрачную камеру и одновременно несколько газов.
Недостатки — это «эффект камеры», накопление концентрации, изменение давления при проточных камерах, кроме того, «эффект камеры», когда они долго стоят на одном месте, сложность использования в зимнее время и необходимость интеркалибровки при использовании различных видов камер.
Еще один перспективный метод — это метод градиента, который основан на том, что концентрация CO2 в воздушном пространстве и почве выше, чем в атмосфере, поэтому можно определять концентрацию CO2 и поток как функцию от глубины.
При градиентном методе почва разделяется на горизонты, туда устанавливаются сенсоры СО2, и поток рассчитывается согласно первому закону Фика. Здесь важно знать коэффициент диффузии газа.
Преимущества — простота в исполнении, разумная стоимость, доступная технология (можно мерить достаточно большие площади по размеру, возможно одновременное измерение нескольких параметров, благодаря чему мы можем исследовать процессы в почве).
Недостатки — необходимо применение модели, высокая чувствительность к диффузии, нужно измерять коэффициент диффузии, который варьирует достаточно широко в пределах почвенного профиля, и нужны достаточно высокие требования к измерению концентрации, поскольку мы работаем с градиентом.
Краткие выводы
1) Выбор метода измерительной компании зависит от ваших задач, от временных масштабов, которые вы планируете и исследуемой экосистеме.
2) Метод и протокол должны быть адаптированы к типу экосистемы.
3) Метод вихревой ковариации идеален для долгосрочного мониторинга, но очень хорошо совмещать его с точечными измерениями камеры.
4) Использование камер дает оценку гетерогенности потока, можно использовать непрерывные измерения камеры автоматическими камерами и точечные измерения по площадям, но это зависит от научных задач.
5) Градиентный метод оптимален для изучения потоков CO2 на уровне процесса и хорошая альтернатива для использования на сельхозплощадях.
6) При использовании почвенных камер необходимо создать оптимальные условия для избегания проблем с конвекцией в камере за счет изменения градиента давления, кроме того, создать хорошее перемешивание в камере, которое тоже не вызовет изменения в давлении, но надо быть очень осторожным — ходить по тропинкам и не устанавливать кольца на длительное время и очень глубоко. Кроме того, для всех методов необходима интеркалибровка.
