Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистемНИР

Construction of conceptual and mathematical models of zonal types of terrestrial ecosystems

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем
Результаты этапа: Проведены исследования местных антропогенных факторов потоков биогенных парниковых газов (диоксид углерода, метан, закись азота) в арктической зоне РФ (архипелаг Шпицберген; Большеземельская тундра). Получены уточненные пространственно-распределенные модели почвенной эмиссии биогенных парниковых газов и чистой первичной продукции антропогенно-измененных экосистем в Арктике. Продолжен многолетний мониторинг и анализ С-баланса в экосистемах южной тайги, включая воздействие экстремальных явлений (Валдайский филиал ГГИ Росгидромета, Новгородская обл.). Там же получены новые полевые данные, уточняющие прогнозные оценки изменений С-баланса по диоксиду углерода и метану с помощью дистанционных методов (спутниковых снимков, спектральных индексов), микрометеорологической установки и наземных камерных измерений. Завершено изучение закономерностей естественного восстановления С-баланса (почвенной эмиссии) с.-х. залежей в основных природных зонах распашки в Европейской части РФ. Получен полный массив данных по постадийной динамике запасов углерода в основных почвенных и растительных резервуарах углерода в ходе постагрогенных сукцессий. Результаты использованы как расчетный инструмент для прогнозных оценок последствий различных вариантов землепользования для антропогенно-обусловленных изменений климата в связи с определением национальной политики Российской Федерации по устойчивому развитию страны в меняющихся климатических условиях. Последнее представляется особо важным в связи с усилением приоритета национальной продовольственной безопасности РФ в условиях растущих политических вызовов. Продолжены многолетние исследования по влиянию рекультивации нарушенных земель, образовавшихся после добычи полезных ископаемых, на эмиссию и баланс парниковых газов в различных географических зонах европейской части РФ (Московская обл., Тульская обл., Брянская обл., Республика Коми). С помощью комбинации дистанционных, полевых и статистических методов оценена лесистость одного из районов Московской области за 200 лет, актуализирована ландшафтная карта растительности Пинежского заповедника, оценено влияние склоновых процессов на поддержание динамического равновесия и флористического состава ольхово-вязовых лесов. Проведены мониторинговые исследования в составе Российской Антарктической Экспедиции (РАЭ-60) по программе «Изучение начальных элементов формирования криогенных экосистем в условиях меняющегося климата и ограниченного видового разнообразия» на российской станции «Прогресс». По итогам этапа в 2016 г. опубликованы 3 статьи, включенные в реферативные базы WoS и Scopus, а также 10 статей в изданиях базы РИНЦ. Сделано 4 доклада на международных и российских конференциях. Сданы в печать 3 статьи в журналы, индексируемые в базах WoS и Scopus.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем
Результаты этапа: Продолжены исследования местных антропогенных факторов почвенной эмиссии и нетто-потоков биогенных парниковых газов (диоксид углерода, метан, закись азота) в арктической зоне РФ, а также в ультра-континентальных и криоаридных районах центральной и восточной Евразии (Бурятия, республика Саха). По периоду наблюдений 2000 – н.в. выполнены макро-региональные оценки баланса биогенных парниковых газов (ПГ) для арктической территории РФ, оценен вклад различных ПГ в радиационный баланс атмосферы для этой территории. Современные оценки свидетельствуют о положительном влиянии обмена СО2 (нетто-сток из атмосферы -43.8 млн т в год), и негативном влиянии закиси азота (нетто-источник в атмосферу +46.8) и метана (+147.4) в СО2-эквиваленте в тундровой зоне РФ. В современных условиях диоксид углерода компенсирует в этой зоне парниковый вклад закиси азота, но негативный вклад метана остается. Дальнейший рост антропогенного вмешательства приведет к усилению этой тенденции за счет деградации растительного покрова и почв, что приведет к таянию мерзлоты, снижению стока СО2 и усилению выделения метана в этом биоме. Продолжен многолетний мониторинг и анализ факторов С-баланса в экосистемах южной тайги, включая воздействие экстремальных явлений (полевой стационар Валдайского филиала ГГИ Росгидромета, Новгородская обл.). Получены новые полевые данные, уточняющие прогнозные оценки изменений С-баланса по диоксиду углерода и метану с помощью дистанционных методов, микрометеорологических установок и наземных камерных измерений. Получены количественные оценки сезонной и многолетней динамики фотосинтеза и дыхания ели, а также выделения метана из древесины ее здоровых стволов, валежа и сухостоя. Проведены расчеты по регрессионным моделям, полученным в период изучения динамики почвенной эмиссии СО2 (2011-2016 гг.) в ходе самовосстановления зональных залежей в Новгородской, Смоленской, Орловской, Курской и Астраханской обл. Результаты показывают, что активно происходящий сейчас в южных районах ЕТР процесс распашки и возвращения залежей в агрооборот, может существенно изменить уровень почвенной эмиссии СО2, что сопоставимо с вкладом изменений климата за тот же период. При этом, имеет значение, какие именно стадии залежных сукцессий, какие именно почвы, и в каких масштабах начали вновь распахиваться. Для северных областей, где залежи не распахиваются, для региональных потоков дыхания почвы важнее оказывается климатический фактор, а для южных регионов с активной распашкой молодых залежей – вклад изменений землепользования. Продолжены мониторинговые исследования в составе Российской Антарктической Экспедиции (РАЭ-61) по программе «Изучение начальных элементов формирования криогенных экосистем в условиях меняющегося климата и ограниченного видового разнообразия» на российских антарктических станциях. С помощью методов геостатистики смоделированы ареалы сфагновых мхов, а также оценено их ценотическое распределение и экологические предпочтения в северной тайге Европейской России. Методами дистанционного зондирования построена карта нарушений растительного покрова Пинежского заповедника с конца XVIII по начало XXI веков. По итогам этапа в 2017 г. выпущена 1 коллективная монография, 21 статья в РИНЦ, из них 8 включены в реферативные базы WoS и Scopus. Сделано 4 доклада на международных конференциях. Сданы в печать 2 статьи в журналы, индексируемые в базах WoS и Scopus.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем
Результаты этапа: Продолжены исследования местных антропогенных факторов (АФ) и мониторинг потоков биогенных парниковых газов (ПГ) (диоксид углерода, метан, закись азота) в арктической зоне РФ (архипелаг Шпицберген, Архангельская обл., республика Коми). На основании многолетних наблюдений (2014 - 2018) подтверждены основные закономерности, выявленные ранее в ходе наших многолетних исследований. Оценки относительного вклада отдельных административных регионов на арктической территории РФ в общие потоки основных биогенных ПГ за современный период наблюдений показывают, что ведущими в этом отношении являются Таймырский Долгано-Ненецкий р-н и Республика Коми, которые в сумме обеспечивают около половины потоков биогенных ПГ в тундрах РФ. Многолетний мониторинг и анализ С-баланса в экосистемах южной тайги, включая воздействие экстремальных явлений (Валдайский филиал ГГИ Росгидромета, Новгородская обл. 2009-2017 гг.), позволил получить статистические оценки вкладов пространственных и временных факторов почвенной эмиссии СО2. Анализ показывает, насколько пространственно-временной масштаб исходных полевых данных способен повлиять на оценку вклада факторов этой важнейшей компоненты углеродного баланса и на точность ее предсказания. Полученные результаты позволяют критически отнестись к распространенной практике переноса регрессионных зависимостей, полученных на основе широкомасштабных полевых данных, в гео-информационные модели меньшего масштаба. Завершена обработка полевых данных по оценке макро- и микроэкологических закономерностей, факторов и потенциала почвенной эмиссии СО2 в атмосферу в результате импульсного эффекта Бирча (ЭФБ). Регрессионный анализ показывает, что наибольшее значение для выраженности ЭФБ среди макро-экологических факторов имеют тип почвы и сумма положительных температур воздуха. Среди микро-экологических – остаточная влажность верхнего горизонта почвы, стадия сукцессии, запасы надземной фитомассы и запас азота. Импульсный вклад ЭФБ важен в экосистемах открытого типа (степи), тогда как для лесных сообществ его вклад незначим. Исследована сезонная динамика интенсивности фотосинтеза ели европейской на экспериментальном полигоне «Таёжный лог» Валдайского филиала Государственного гидрологического института, расположенного на территории национального парка «Валдайский» (Новгородской обл). Полученные результаты свидетельствуют о том, что старовозрастные ельники имеют существенное значение, сохраняющееся с их возрастом, в углеродном балансе таежных лесов Европейской части России. Проведены работы по теме «Биогеография сфагновых мхов Восточно-Европейской равнины и Восточной Фенноскандии» и созданы модельные ареалы видов мхов методами геостатистики на основе WORLDCLIM и точек полевого обследования бриофлор с выявлением климатических факторов, влияющих на их распространение. Выявлено, что в группах близкородственных таксонов имеются виды с высокой фитоценотической активностью в лесной и тундровой зонах, а также виды с ограниченным распространением, распространение которых связано либо с субарктическими регионами, либо с Балтийским регионом. Распространение всех видов подчиняется правилу Шелфорда. Корреляционный анализ показывает высокую положительную связь активности видов с количеством осадков и относительной влажности воздуха. За отчетный период была продолжена работа по усовершенствованию и наполнению информацией баз данных по почвенным характеристикам. База данных «Почвенные характеристики Северной Евразии» включает информацию по 1470 почвенным профилям из 302 литературных источников. База данных «Подстилки лесной зоны России» включает информацию данных по характеристикам подстилок лесов России (898 описаний). По итогам этапа в 2018 г. выпущена 1 коллективная монография, опубликовано 9 статей, индексируемые в РИНЦ, из них 4 статьи включены в реферативные базы WoS или Scopus. Сделано 5 докладов на международных и российских конференциях с международным участием. Сданы в печать 3 статьи в журналы, индексируемые в базах WoS и Scopus.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем
Результаты этапа: Представленные направления деятельности рабочего коллектива в 2019 г. отражают разнообразные задачи и полностью соответствуют выполняемой теме НИР: ”Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем ”.Среди наиболее значимых результатов: Сравнительный анализ сезонной фотосинтетической продуктивности ели европейской выявил, что она снизилась в 2019 г. по сравнению с 2018 г. в 1,5 раза, что, очевидно, связано, как с неблагоприятными погодными условиями в 2019 г., так и ухудшением общего состояния деревьев на территории Валдайского национального парка. Полученные результаты свидетельствуют о том, что температура воздуха и освещенность являются основными метеорологическими факторами, определяющими процесс фотосинтеза ели европейской (Picea abies L.) в лесных сообществах экспериментального полигона «Таежный лог». Зависимость скорости полуденного поглощения СО2 от температуры имела линейный характер (коэффициент корреляции составил 0,770). Зависимость интенсивности фотосинтеза хвои ели от освещенности (ФАР) определялась логарифмической кривой; коэффициент достоверности аппроксимации R2 равнялся 0,673. В рамках совместной работы на стационаре научного центра г. Пущино проведены экспериментальные работы по измерению потоков СО2 с целью поиска макро-экологических закономерностей (включая различные типы почв наземных экосистем), факторов и потенциала напочвенной эмиссии СО2 в атмосферу в результате т.н. эффекта Бирча. Как показали лабораторные и полевые эксперименты, почвы, для которых в естественных условиях ЭФБ не характерен, в частности, такие, как тундровые глеевые или серые почвы под широколиственными лесами, демонстрируют резкое его усиление (в 1-25 раз) после имитации засухи в течение 30 сут. Расчеты показывают, что кратковременные засухи почти не влияют на итоговую величину эмиссии диоксида углерода из почв за вегетационный сезон – ни через снижения уровня дыхания почв, ни через компенсаторное последующее усиление эмиссии в результате ЭФБ. Но показано, что продолжительные засухи почвы способны понижать поток СО2 с травяной растительности – на 43%, годовые же потери в результате длительных засух могут быть снижены на 20%. Даже при увеличении эмиссии СО2 почвами при наступлении дождя после засухи, доля увеличенного потока из сухих почв, увлажненных после засухи, не превышает 8-10% от общей эмиссии СО2 вегетационного периода. Среди наиболее значимых результатов: оценки закономерностей географического распространения сфагновых мхов на территории Восточно-Европейской равнины и Восточной Фенноскандии и выявление новых видов мхов в Западно-Сибирской Арктике. В рамках работ по бюджету углерода в лесных экосистемах были оценены запасы углерода в почвах тундровой зоны и лесных районов Европейской части России, итоговые запасы для всей территории. Получены карты распределения запасов углерода для Европейско-Уральской части России в отношении разных глубин разрезов. Поставленные задачи в рамках задач по теме НИР на текущий год полностью выполнены. По научно-техническому уровню организации исследований данный этап НИР соответствует современным требованиям. Полученные результаты могут быть охарактеризованы, как научно-значимые и как отвечающие мировому уровню. Это доказывается участием членов коллектива в программах МПР, президиума РАН, исследовательских грантах РНФ и РФФИ, а также публикациями коллектива в ведущих научных журналах, индексируемых в международных и российских базах цитирования (Scopus, WoS, РИНЦ и др.).
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Построение концептуальных и математических моделей зональных типов наземных экосистем
Результаты этапа: 1. Были проведены исследования местных антропогенных факторов (АФ) и мониторинг потоков биогенных парниковых газов (ПГ) (диоксид углерода, метан, закись азота) в арктической зоне РФ (архипелаг Шпицберген, Архангельская обл., республика Коми). На основании многолетних наблюдений (2014 - 2018) подтверждены основные закономерности, выявленные ранее в ходе наших многолетних исследований. Антропогенно-измененные территории в период активной эксплуатации являются существенными нетто-источниками С для атмосферы, однако на этапе их самовосстановления они становятся активными нетто-стоками С, что компенсирует первый эффект. Оценки относительного вклада отдельных административных регионов на арктической территории РФ в общие потоки основных биогенных ПГ за современный период наблюдений показывают, что ведущими в этом отношении являются Таймырский Долгано-Ненецкий р-н и Республика Коми, которые в сумме обеспечивают около половины потоков биогенных ПГ в тундрах РФ. 2. Многолетний мониторинг и анализ С-баланса в экосистемах южной тайги, включая воздействие экстремальных явлений (Валдайский филиал ГГИ Росгидромета, Новгородская обл.), позволил получить новые полевые данные, уточняющие прогнозные оценки изменений С-баланса по диоксиду углерода и метану, а также водного баланса лесных экосистем с помощью дистанционных методов (спутниковых снимков, спектральных индексов), микрометеорологических установок и наземных камерных измерений. Получены количественные оценки выделения метана из здоровой древесины елей, ее валежа и сухостоя, подтверждена значимость этого дополнительного, ранее недооцененного источника парниковых газов. Оценена многолетняя и сезонная динамика валового фотосинтеза и дыхания ели европейской и ее факторы. По результатам исследований 2009-2016 г. опубликована коллективная монография. 3. Проведены исследования углекислотного газообмена хвои ели европейской (Picea abies L.) в 2016-2020 гг. на экспериментальном полигоне «Таёжный лог» Валдайского филиала Государственного гидрологического института. Путем анализа динамики углекислотного газообмена хвои и факторов внешней среды установлена прямая линейная зависимость интенсивности фотосинтеза от температуры воздуха (коэффициенты корреляции в 2018-2020 гг. составили 0,865; 0,770 и 0,694). Выявлено, что сезонный максимум нетто-фотосинтеза наблюдается при температуре 20-26оС; с понижением оптимума температуры отмечено уменьшение уровня интенсивности ассимиляции СО2. Зависимость интенсивности фотосинтеза хвои ели от освещенности (ФАР) в 2018-2019 гг. определялась логарифмической кривой (коэффициент достоверности аппроксимации R2 равнялся 0,682 и 0,673); в 2020 г. между показателями существовала прямая линейная зависимость (коэффициент корреляции R равен 0,777). Старовозрастные ельники Валдая имеют существенное значение, сохраняющееся с их возрастом, в углеродном балансе таежных лесов Европейской части России. Подтверждением служат данные о сезонной продуктивности нетто-фотосинтеза ели европейской в наиболее благоприятных условиях освещения и температуры – в полуденные часы, а также положительный углекислотный газообмен. 4. На основании оригинальных многофакторных регрессионных моделей, описывающих закономерности естественного самовосстановления С-баланса (почвенной эмиссии) с.-х. залежей в основных природных зонах распашки в Европейской части РФ, а также массива данных по постадийной динамике запасов углерода в его основных почвенных и растительных резервуарах в ходе постагрогенных сукцессий, выполнены прогнозные оценки, позволяющие установить степень влияния распашки «молодых» (с 1990-х г. по н.в.) залежей на С-обмен этих (пост) агроэкосистем с атмосферой. Процесс распашки и возвращения залежей в агрооборот, который сейчас активно происходит в России в связи с реализацией продовольственной безопасности, может существенно изменить уровень почвенной эмиссии СО2 и нетто-баланс С, что сопоставимо с вкладом потепления климата в эти показатели за сходный период. При этом, имеет значение, какие именно стадии залежных сукцессий, какие именно почвы, и в каких масштабах начали вновь распахиваться. Для северных областей, где залежи уже перешли в лесной фонд, для региональных потоков дыхания почвы важнее оказывается климатический фактор, а для южных регионов с активной распашкой молодых залежей – вклад изменений землепользования. Продолжены многолетние исследования по влиянию рекультивации нарушенных земель, образовавшихся после добычи полезных ископаемых, на эмиссию и баланс парниковых газов в различных географических зонах европейской части РФ (Московская обл., Тульская обл., Брянская обл., Республика Коми). 5. Эффект Бирча (ЭФБ) был зарегистрирован в естественных условиях во всех исследованных экосистемах северной Евразии (от полярных и арктических пустынь до бореальных, умеренных и широколиственных лесов) и типах почв. Таким образом, этот эффект может проявляться в характерных условиях окружающей среды в самых разнообразных сообществах, а не только в аридных экосистемах, как считалось ранее. Подтверждено, что рассматриваемый эффект не может существенно сдвинуть нетто-баланс лесных экосистем в сторону источника, тем не менее, ЭФБ может стать дополнительным импульсным источником СО2 для степных и лесостепных макрорегионов, и может сдвинуть в них нетто-баланс С на 5-10% в сторону источника для атмосферы. 6. Продолжена обработка массива данных по мониторинговым исследованиям потоков СО2 и климатических параметров по программе «Изучение начальных элементов формирования криогенных экосистем в условиях меняющегося климата и ограниченного видового разнообразия», в составе Российской Антарктической Экспедиции РАЭ-61-6, 65. Вызванная антропогенной модификацией углеродного цикла биосферы проблема глобального потепления климата стимулировала научный интерес к оценке запасов углерода для крупных территориальных единиц: природных зон, стран, частей континентов. 7. С помощью комбинации дистанционных, полевых и статистических методов оценена лесистость одного из районов Московской области за 200 лет, актуализирована ландшафтная карта растительности Пинежского заповедника, оценено влияние склоновых процессов на поддержание динамического равновесия и флористического состава ольхово-вязовых лесов. Проведены работы по теме «Биогеография сфагновых мхов Восточно-Европейской равнины и Восточной Фенноскандии» и созданы модельные ареалы видов мхов методами геостатистики на основе WORLDCLIM и точек полевого обследования бриофлор с выявлением климатических факторов, влияющих на их распространение. Выявлено, что в группах близкородственных таксонов имеются виды с высокой фитоценотической активностью в лесной и тундровой зонах, а также виды с ограниченным распространением, распространение которых связано либо с субарктическими регионами, либо с Балтийским регионом. Распространение всех видов подчиняется правилу Шелфорда. Корреляционный анализ показывает высокую положительную связь активности видов с количеством осадков и относительной влажности воздуха. Проведены работы по выявлению распространения видов сфагновых мхов в Арктике и центральных регионах России, в результате чего в этих регионах были обнаружены 5 видов сфагновых мхов, ранее там не отмечавшихся. Многолетние (2009-2019 гг.) полевые исследования потоков СО2 над Валдайской возвышенностью на северо-западе Европейской России проводились в старовозрастном ельнике, подверженном сочетанному воздействию климатических изменений, атак короеда и ветровалов. Наши оценки показывают, что увеличение смертности деревьев до 27% площади древостоя может превратить старовозрастный ельник в чистый источник CO2. 8. С помощью авторской системы Региональной Оценки Бюджета Углерода Лесов (РОБУЛ), предназначенной для ретроспективных расчетов углеродных параметров лесных регионов и оценки баланса углерода управляемых лесов России в Национальном кадастре парниковых газов, а также с использованием недавно завершенной системы РОБУЛ-М, которая снабжена блоком прогнозного анализа, были выполнены новые расчеты и оценки. За отчетный период была продолжена работа по усовершенствованию и наполнению информацией баз данных по почвенным характеристикам. База данных «Почвенные характеристики Северной Евразии» включает информацию по 1520 почвенным профилям из 302 литературных источников. База данных «Подстилки лесной зоны России» включает информацию данных по характеристикам подстилок лесов России (945 описаний). Поскольку в арктических, бореальных и умеренных экосистемах значительная часть углерода содержится в органическом веществе почвы, территориальные расчеты запасов почвенного углерода стала популярным направлением исследований. Проведены расчеты по БД «Почвенные характеристики Северной Евразии» и получены количественная оценка запасов углерода в почвах Европейско-Уральской части России и Дальнего Востока в представлении по трем слоям почвенной толщи (0-30, 0-50, 0-100 см) с дифференциацией по лесным районам.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. К отчету 2016-2020 НИР 27-3-16 PrilozhenieOtchet2020.docx 1,8 МБ 7 декабря 2020 [ahmed]