Оценка отклика дыхания почвы на потепление климата с помощью параметризации модели T&P на примере дерново-подзолов южной тайги
Введение
T&P (Temperature and precipitations) – климатообусловленная регрессионная модель с двумя переменными – среднемесячной температурой воздуха и количеством осадков за месяц, оценивающая дыхание почвы (Raich et al., 2002). Недостатком модели является то, что она не учитывает влияние растительности, почвенного покрова, водного режима и других особенностей биоценозов. Ее параметризация позволит решить эту проблему, т.к. отклик на изменения внешних условий в экосистемах одной природной зоны будет различным. Суть исследования заключается в решении обратной задачи моделирования, когда по данным измерений почвенного дыхания будут скорректированы константы модели. Первая подобная настройка была выполнена для дерново-подзолистых почв под смешанными лесами Московской области (Курганова и др., 2019).
Цель работы состояла в параметризации модели T&P для южнотаежной зоны и расчете на ее основе отклика дыхания почвы на климатические изменения.
Материалы и методы
Объектом исследования послужил полигон «Лог таежный» Валдайского филиала Государственного гидрологического института (Новгородская обл.). Почва на участке − дерново-подзол контактно-осветленный, Stagnic Albic Podzol (Arenic, Ruptic). Измерения проводились в теплые сезоны 2014-2020 гг. портативными инфракрасными газоанализаторами AZ 7752 методом закрытых камер на трансекте из 50 постоянных точек.
Растительный покров представлен перестойным еловым лесом, в котором было выделено три типа биоценозов: лес со здоровым древостоем (31 точка), участки с распадом древостоя (вывалы, 16 точек), верховые болота (3 точки). Для каждой точки было получено 34 среднемесячных значения дыхания почвы, из которых 31 использовалось для обратного моделирования (2014-2019 гг.) и 3 для проверки на независимом материале (2020 г.).
Были параметризированы константы модели: R0 – дыхание почвы при 0°С в отсутствие ограничения по увлажнению, г С м-2 сут-1; Q – экспоненциальная зависимость дыхания почвы от температуры, °С-1; K – константа полунасыщения гиперболической зависимости дыхания почвы от количества осадков за месяц, см. Оптимизация осуществлялась через пакет анализа «Поиск решения» в Excel.
Для оценки эффективности внесенных в модель изменений применялся комплекс из нескольких коэффициентов: эффективности Нэша-Сатклиффа NS, несоответствия Тейла Т, корреляции Пирсона R, детерминации R2. Дополнительно применялась проверка на независимом материале путем расчета относительной ошибки.
Использовались метеорологические данные станции Валдай за 2014-2020 гг. (для параметризации модели) и 2009-2020 гг. (для расчета тренда температуры).
Результаты и обсуждение
По результатам полевых измерений потоки СО2 из почвы в атмосферу составляют в лесу 2,745 ± 1,862, на вывалах 3,177 ± 2,116, на болоте 2,114 ± 1,729 г С м-2 сут-1. Исходная версия модели существенно занижает величину дыхания почвы 1,576 ± 0,582 г С м-2 сут-1, тогда как после параметризации она его незначительно завышает: лес 3,109 ± 1,653, вывал 3,734 ± 2,132, болото 2,256 ± 1,035 г С м-2 сут-1.
Наибольшие изменения коснулись коэффициента зависимости дыхания от температуры (Q = 0,05452) – он был увеличен в 1,5-2,1 раза: для леса 0,10249, для вывала 0,11494, для болота 0,08025. Это отражает интенсивность почвенных процессов и говорит о преимущественном влияние температуры воздуха на эмиссию СО2 из почвы в зоне южной тайги. Значения коэффициента дыхания при 0°С были немного выше исходного (R0 = 1,250): для леса 1,25328, для вывала 1,25425, для болота 1,25176. Интересно отметить, что при избыточном увлажнении в Новгородской области константа зависимости от осадков (К = 4,259) была изменена незначительно: для леса 4,25867, для вывала 4,25859, для болота 4,25883.
Согласно статистическим критериям, параметризация T&P для экосистем южнотаежной зоны была выполнена весьма успешно: NS > 0, Т < 0,30, R = 0,446-0,721 (р < 0,01). Скорректированная модель описывает 20% дисперсии дыхания дерново-подзолов на болотах, 52% на вывалах и 51% в хвойном лесу. Величины относительных ошибок при проверке на независимом материале колеблются от 11,4% для леса и 23,6% для вывала до 66,1% для болота. Значения ошибок обратно пропорциональны объему выборки для каждого типа биоценозов, а также связаны с месячным временным шагом модели, когда из-за осреднения погрешности возрастают.
T&P может быть применена для оценки реакции почвенного дыхания, как компонента углеродного цикла и источника парниковых газов для атмосферы, на климатические изменения. Рассчитанный тренд среднегодовой температуры воздуха составляет 1,11 ℃ / 10 лет при средней многолетней 5,4 ± 0,7 ℃, т.е. 20%. Скорректированная версия модели позволяет сделать прогноз, согласно которому при таком повышении температуры воздуха дыхание почвы усилится на 32,0% в лесу, на 37,8% на вывалах и на 22,7% на болоте за 10 лет.
Выводы
Методом обратного моделирования T&P была успешно параметризирована для дерново-подзолов южной тайги Новгородской области. Скорректированные версии модели показали отличную сходимость с результатами измерений. Коэффициент зависимости дыхания почвы от температуры был увеличен в 1,5-2,1 раза, тогда как коэффициент влияния увлажнения был изменен в незначительной степени. При сохранении современного тренда повышения температуры воздуха дыхание почвы усилится на 22,7-37,8% за 10 лет.
