Effects of temperature and precipitation anomalies on carbon dioxide and latent heat fluxes in wetland ecosystems

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В рамках данного исследования проведена оценка возможных отличий в отклике болотных экосистем умеренных и полярных широт, расположенных на различных континентах, на экстремальные явления погоды (аномально высокие/низкие температуры, засухи/интенсивные осадки и др.). Влияние экстремальных явлений погоды на изменчивость потоков СО2 и скрытого тепла (LE) в различных болотных экосистемах оценивалось с помощью метеорологических данных реанализа ERA5, а также данных о потоках СО2 и LE c 15 станций мониторинга потоков парниковых газов из глобальной сети FLUXNET. Анализ реакции потоков СО2 и LE на экстремальные температуры и осадки показал, что отклик болотных экосистем в умеренных и полярных широтах может различаться в зависимости от географического положения, региональных климатических условий, структуры растительного покрова, а также от интенсивности аномалий температуры и осадков. Если в умеренных широтах в течение теплого периода во время экстремально высоких температур наблюдалась преобладающая положительная аномалия потока CO2 (превышение эмиссии над поглощением СО2), то в полярных широтах отмечался противоположный отклик – увеличение нетто поглощения СО2 болотными экосистемами. Мгновенный отклик на интенсивные осадки во всех рассматриваемых болотных экосистемах был идентичным и проявлялся в виде усиления эмиссии (положительной аномалии) СО2 в атмосферу. Экстремально высокие значения температуры сопровождались положительными аномалиями LE из-за интенсификации процессов испарения с повышением температуры. Подобный эффект наблюдался во всех исследуемых болотных экосистемах. Кумулятивный эффект от экстремально высоких осадков характеризуется преобладанием эмиссии CO2 над поглощением как в болотных экосистемах умеренных широт, так и в отдельных экосистемах, расположенных в полярных широтах.  Отсутствие осадков на протяжении нескольких недель сильно не сказывалось на потоках СО2 и сопровождалось для большинства исследуемых болотных экосистем доминирующими отрицательными аномалиями потока СО2 (усиление поглощения СО2).

Об авторах

E. М. Satosina

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lisan.sat@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-7086-2814

аспирант на кафедре метеорологии и климатологии, географический факультет, младший научный сотрудник в лаборатории эколого-климатических исследований в ИПЭЭ

Россия, Москва; Москва

D. Yu. Gushchina

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: dasha155@mail.ru

географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии

Россия, Москва

M. A. Tarasova

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: mkolennikova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1507-3088

географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии

Россия, Москва

R. R. Gibadullin

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: ravil00121@mail.ru

географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии

Россия, Москва

I. V. Zheleznova

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: zheleznovaiv@my.msu.ru

географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии

Россия, Москва

E. R. Emelianova

Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН

Email: katikget@yandex.ru

лаборатория эколого-климатических исследований

Россия, Москва

A. M. Osipov

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: sashaosipov@list.ru

географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии

Россия, Москва

A. V. Olchev

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: aoltche@gmail.com

географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии

Россия, Москва

Список литературы

  1. Anjileli H., Huning L.S., Moftakhari H., Ashraf S., Asanjan A.A., Norouzi H., AghaKouchak A. 2021. Extreme heat events heighten soil respiration. Scientific Reports., 11(1): 6632. https://doi.org/10.1038/s41598-021-85764-8.
  2. Aubinet M., Vesala T., Papale D. Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2012; p. 438. ISBN 9789400723504.
  3. Belward A.S., Estes J., Kline K. et al. 1999. The IGBP-DIS global 1-km land-cover data set DIS-Cover: A project overview. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 65(9): 1013-1020.
  4. Birch H.F. 1964. Mineralisation of plant nitrogen following alternate wet and dry conditions. Plant Soil, 20, 43-49.
  5. Charrier G. Martin-StPaul N., Damesin C., Delpierre N., Hänninen H., Torres-Ruiz J.M., Davi H. 2021. Interaction of drought and frost in tree ecophysiology: rethinking the timing of risks. Annals of Forest Science. 78(2): 1-15. https://doi.org/10.1007/s13595-021-01052-5.
  6. Ciais P., Reichstein M., Viovy N. et al. 2005. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the heat and drought in 2003. Nature. 437(7058): 529-533. doi: 10.1038/nature03972.
  7. Dinsmore K.J., Billett M.F., Dyson K.E. 2013. Temperature and precipitation drive temporal variability in aquatic carbon and GHG concentrations and fluxes in a peatland catchment. Global change biology, 19(7): 2133-2148. doi: 10.1111/gcb.12209.
  8. FAO. Global Forest Resources Assessment 2020: Main Report; FAO: Rome, Italy, 2020; P. 11-23. doi: 10.4060/ca9825en.
  9. Frank D., Reichstein M., Bahn M., Thonicke K., Frank D., Mahecha M.D., Smith P., van der Velde M., Vicca S., Babst F. et al. 2015. Effects of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: Concepts, processes and potential future impacts. Glob. Chang. Biol., 21: 2861-2880. doi: 10.1111/gcb.12916.
  10. Fratini G., Mauder M. 2014. Towards a consistent eddy-covariance processing: an intercomparison of EddyPro and TK3. Atmospheric Measurement Techniques, 7(7): 2273-2281. doi: 10.5194/amt-7-2273-2014.
  11. Gill A.L., Giasson M.A., Yu, R., & Finzi A.C. 2017. Deep peat warming increases surface methane and carbon dioxide emissions in a black spruce‐dominated ombrotrophic bog. Global change biology, 23(12): 5398-5411. doi: 10.1111/gcb.13806.
  12. Gushchina D., Tarasova M., Satosina E. et al. 2023. The Response of Daily Carbon Dioxide and Water Vapor Fluxes to Temperature and Precipitation Extremes in Temperate and Boreal Forests, Climate, 11(10): 206. doi: 10.3390/cli11100206.
  13. Kramer R.D., Ishii H.R., Carter K.R., Miyazaki Y., Cavaleri M.A., Araki M.G., Azuma W.A., Inoue Y., Hara C. 2020. Predicting effects of climate change on productivity and persistence of forest trees. Ecol. Res., 35: 562-574. doi: 10.1111/1440-1703.12127.
  14. Li X., Wei Y., Li F. 2021. Optimality of antecedent precipitation index and its application. Journal of Hydrology, 595: 126027. doi: 10.1016/j.jhydrol.2021.126027.
  15. Mamkin V., Avilov V., Ivanov D., Varlagin A., & Kurbatova J. 2023. Interannual variability in the ecosystem CO2 fluxes at a paludified spruce forest and ombrotrophic bog in the southern taiga. Atmospheric Chemistry and Physics, 23(3), 2273-2291. doi: 10.5194/acp-23-2273-2023.
  16. Manzoni S., Chakrawal A., Fischer T., Schimel J.P., Porporato A., Vico G. 2020. Rainfall intensification increases the contribution of rewetting pulses to soil heterotrophic respiration. Biogeosciences. 17(15): 4007-4023. doi: 10.5194/bg-17-4007-2020.
  17. Oechel W., Hastings S., Vourlrtis G. et al. 1993. Recent change of Arctic tundra ecosystems from a net carbon dioxide sink to a source. Nature 361: 520-523. doi: 10.1038/361520a0.
  18. Park S.B., Knohl A., Migliavacca M., Thum T., Vesala T., Peltola O., Mammarella I., Prokushkin A., Kolle O., Lavrič J., Park S.S. and Heimann M. 2021. Temperature Control of Spring CO2 Fluxes at a Coniferous Forest and a Peat Bog in Central Siberia, Atmosphere, 12: 984, doi: 10.3390/atmos12080984.
  19. Post E., Forchhammer M.C., Bret-Harte M.S. et al. 2009. Ecological dynamics across the Arctic associated with recent climate change. Science, 325(5946): 1355-1358. doi: 10.1126/science.1173113.
  20. Reichstein M., Falge E., Baldocchi D., Papale D., Aubinet M., Berbigier P., Bernhofer C., Buchmann N., Gilmanov T., Granier A. et al. 2005 On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: Review and improved algorithm. Glob. Chang. Biol., 11: 1424-1439. doi: 10.1111/j.1365-2486.2005.001002.x.
  21. Ritter F., Berkelhammer M., Garcia-Eidell C. 2020. Distinct response of gross primary productivity in five terrestrial biomes to precipitation variability. Commun. Earth Environ. 1(1): 34 doi: 10.1038/s43247-020-00034-1.
  22. Scharlemann J.P., Tanner E.V., Hiederer R., Kapos V. 2014. Global soil carbon: understanding and managing the largest terrestrial carbon pool. Carbon Management, 5(1): 81-91. doi: 10.4155/cmt.13.77.
  23. Sirin A., Laine J. 2008. Peatlands and greenhouse gases, in: Assessment on peatlands, biodiversity and climate change, main report / Parish F., Sirin А., Charman D. et al. (eds.). Wageningen, Global Environment Centre, Kuala Lumpur and Wetlands International, pp. 118-138.
  24. Smith M.D. 2011. An ecological perspective on extreme climatic events: A synthetic definition and framework to guide future research. J. Ecol. 99: 656-663. doi: 10.1111/j.1365-2745.2011.01798.x
  25. The Changing State of the Climate. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC); Masson-Delmotte V., Zhai P. et al., Eds.; Cambridge University Press: Cambridge, UK; New York, NY, USA, 2021; pp. 287-422; ISBN 9781009157896.
  26. The Data Portal serving the FLUXNET community. [Электронный ресурс]: https://fluxnet.org/data/, свободный. – Загл. с экрана.
  27. Ummenhofer C.C., Meeh I.G.A. 2017. Extreme weather and climate events with ecological relevance: A review. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 372: 20160135. doi: 10.1098/rstb.2016.0135.
  28. Wutzler T., Lucas-Moffat A., Migliavacca M., Knauer J., Sickel K., Šigut L., Menzer O., Reichstein M. 2018. Basic and extensible post-processing of eddy covariance flux data with REddyProc. Biogeosciences, 15: 5015-5030. doi: 10.5194/bg-15-5015-2018.
  29. Xu J., Morris P.J., Liu J., & Holden J. 2018. PEATMAP: Refining estimates of global peatland distribution based on a meta-analysis. Catena, 160: 134-140. doi: 10.1016/j.catena.2017.09.010.
  30. Zhang Z. Ju, W., Zhou Y., & Li X. 2022 Revisiting the cumulative effects of drought on global gross primary productivity based on new long‐term series data (1982-2018). Global Change Biology, 28(11): 3620-3635. doi: 10.1111/gcb.16178.
  31. Zheleznova I.V., Gushchina D.Y. 2023. Variability of extreme air temperatures and precipitation in different natural zones in late XX and early XXI centuries according to ERA5 reanalysis data. Izv. Atmos. Ocean. Phys., 2023, 59: 479-488. doi: 10.31857/S0002351523050139 (in Russian) [Железнова И.В., Гущина Д.Ю. Изменчивость экстремальных температур воздуха и осадков в конце XX и начале XXI века в различных природных зонах по данным реанализа ERA5 // Известия РАН. Физика Атмосферы и Океана. 2023. Т. 59. С. 479-488. doi: 10.31857/S0002351523050139].

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Станции глобальной сети мониторинга FLUXNET, отобранные для анализа влияния экстремальных погодных условий на потоки СО₂.

Скачать (100KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Процент дней с аномалиями потоков СО₂ (NEE) и LE, превышающими 1 стандартное отклонение (STD), возникающими одновременно с экстремально высокими (А) и экстремально низкими (Б) температурами в болотных экосистемах умеренных широт.

Скачать (87KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Процент дней с аномалиями потоков CO₂ (NEE) и LE, превышающими 1 стандартное отклонение (STD), возникающими одновременно с экстремально высокими (А) и экстремально низкими (Б) температурами в болотных экосистемах полярных широт.

Скачать (78KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Процент дней с аномалиями потоков CO₂ (NEE) и LE, превышающими 1 стандартное отклонение (STD), возникающими одновременно с экстремально высокими осадками в болотных экосистемах умеренных (А) и полярных (Б) широт.

Скачать (95KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Процент дней с аномалиями потоков CO₂ (NEE) и LE, превышающими 1 стандартное отклонение (STD), возникающими одновременно с экстремально высокими (А) и экстремально низкими (Б) значениями индекса API в болотных экосистемах умеренных широт.

Скачать (97KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Процент дней с аномалиями потоков CO₂ (NEE) и LE, превышающими 1 стандартное отклонение (STD), возникающими одновременно с экстремально высокими (А) и экстремально низкими (Б) значениями индекса API в болотных экосистемах полярных широт.

Скачать (94KB)
Метаданные

© Satosina E.М., Gushchina D.Y., Tarasova M.A., Gibadullin R.R., Zheleznova I.V., Emelianova E.R., Osipov A.M., Olchev A.V., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».