МОДЕЛИРОВАНИЕ УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМ: УЧЕТ СКОРОСТЕЙ РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ
|
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Основные понятия 7
1.1. Климат и углекислый газ: анализ взаимосвязей 7
1.2. Климаторегулирующие функции болотных экосистем 10
1.2.1. Биогеохимические климаторегулирующие функции 10
1.2.2. Биогеофизические климаторегулирующие функции 16
1.3. Характеристики углеродного цикла экосистемы: ключевые показатели и их
взаимосвязь 18
1.4. Обзор существующих моделей углеродного цикла болот 20
1.5. Гетеротрофное дыхание болот 24
2. Модель продукции углекислого газа с болотных экосистем бореального пояса 29
2.1. Система уравнений гетеротрофного дыхания 30
2.2. Система уравнений сфагнового очеса мха 39
2.3. Программная реализация модели 40
2.4. Интеграция модуля гетеротрофного дыхания в модель деятельного слоя суши TerM
(ИВМ РАН) 43
3.Численные эксперименты моделирование потоков углекислого газа 45
3.1. Ряд гидрометеорологических и экосистемных наблюдений ст. Мухрино 45
3.2. Методика наблюдений за потоками углекислого газа 47
3.2.1. Температурный форсинг 48
3.2.2. Уровень грунтовых вод 50
3.2.3. Характеристики углеродного цикла 51
3.2.4. Вспомогательные характеристики 52
3.3. Анализ результатов расчета систему уравнений с интегральным и дискретным
подходом 53
3.4. Чувствительность модели гетеротрофного дыхания 56
3.5 Моделирование потоков углекислого газа на углеродном ст. Мухрино 63
3.4.1. Статистический анализ апробации модели 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 74
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Основные понятия 7
1.1. Климат и углекислый газ: анализ взаимосвязей 7
1.2. Климаторегулирующие функции болотных экосистем 10
1.2.1. Биогеохимические климаторегулирующие функции 10
1.2.2. Биогеофизические климаторегулирующие функции 16
1.3. Характеристики углеродного цикла экосистемы: ключевые показатели и их
взаимосвязь 18
1.4. Обзор существующих моделей углеродного цикла болот 20
1.5. Гетеротрофное дыхание болот 24
2. Модель продукции углекислого газа с болотных экосистем бореального пояса 29
2.1. Система уравнений гетеротрофного дыхания 30
2.2. Система уравнений сфагнового очеса мха 39
2.3. Программная реализация модели 40
2.4. Интеграция модуля гетеротрофного дыхания в модель деятельного слоя суши TerM
(ИВМ РАН) 43
3.Численные эксперименты моделирование потоков углекислого газа 45
3.1. Ряд гидрометеорологических и экосистемных наблюдений ст. Мухрино 45
3.2. Методика наблюдений за потоками углекислого газа 47
3.2.1. Температурный форсинг 48
3.2.2. Уровень грунтовых вод 50
3.2.3. Характеристики углеродного цикла 51
3.2.4. Вспомогательные характеристики 52
3.3. Анализ результатов расчета систему уравнений с интегральным и дискретным
подходом 53
3.4. Чувствительность модели гетеротрофного дыхания 56
3.5 Моделирование потоков углекислого газа на углеродном ст. Мухрино 63
3.4.1. Статистический анализ апробации модели 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 74
Среди всех экосистем Земли болота являются природными «поглотителями» углерода [74], имеющий значительную роль в глобальном углеродном цикле. По оценкам, только торфяные болота накапливают около трети всех запасов почвенного углерода несмотря на то, что покрывают менее 3% суши. Однако в численное характеристика роли болот под воздействием процессов повышения температуры, изменения гидрологического режима и осушения (обратных связей), недостаточно ясна, некоторые болотные комплексы могут быть стоком углерода другие же наоборот источником парниковых газов в атмосфере, таких как углекислый газ (CO2) и метан (CH4) [35].
Современные подходы моделирования углеродного цикла болот представленных в ряде моделей деятельного слоя суши часто ограничиваются упрощенным представлением о вертикальной структуре торфяной толщи и недостаточно учитывают пространственно-временную изменчивость метеорологических параметров, влияющих на скорость деградации торфяника. Большинство существующих моделей ограничивают анализ верхними 1-3 метрами торфа, игнорируя глубокие слои, которые могут вносить значительный вклад в общий углеродный баланс. Кроме того, существующие на момент исследования подходы разделяют торфяные слои на аэробные и анаэробные зоны (в некоторых случаях на катотельм, акротельм, или же вовсе не выделяют зон), используя усредненные параметры, что не позволяет репрезентативно отразить градиенты температуры среды. Упрощенное представление приводят к систематическим ошибкам в оценках гетеротрофного дыхания - процесса разложения органического вещества микроорганизмами, который является основным источником CO2 в болотных экосистемах, регулируемая уровнем грунтовых вод и стратификацией температуры в слое почвы.
Актуальность проблемы усиливается тем, что болота умеренного, бореального, и арктического пояса (высокоширотные болотные экосистемы), представляют собой один из самых значительных резервуаров углерода на планете. В этом контексте разработка моделей гетеротрофного дыхания, способной учитывать влияние вертикальной стратификации торфяной толщи, динамики уровня грунтовых вод и температурных градиентов становится актуальной задачей. Поэтому в рамках ВКР, предпринимается попытка систематизировать знания о подходах физико-математического описания гетеротрофного дыхания болотных экосистем.
Целью исследования является разработка параметризации модели гетеротрофного дыхания болотных экосистем, учитывающей вертикальное распределение углерода, динамику уровня грунтовых вод (УГВ) и температурные градиенты в торфяной толще. Для этого проведен анализ существующих моделей и их ограничений, построена система уравнений, описывающая гетеротрофное дыхание (HR) как функцию глубины, температуры, уровня грунтовых вод и плотности углеродного пула, функции которых разрешаются для дискретной сетки. Методологическая основа исследования опирается на концепции, разработанные в рамках Canadian Terrestrial Ecosystem Model (CTEM) [65]. В отличие от CTEM, где аэробные и анаэробные зоны рассматриваются как два отдельных пула с усредненными температурными характеристиками, подход, предложенный в работе, решает систему уравнений гетеротрофного дыхания для каждого слоя, который в свою очередь может быть аэробным, анаэробным, так и частично анаэробным, для учета вертикальной изменчивости стратификации температур в почве, предпринятые меры по модификации существующего физики-математического описания процесса, точнее оценивать вклад глубоких слоев в общий поток CO2.
Научная новизна работы заключается в трех ключевых аспектах. Во-первых, в модели реализовано вертикальное разрешение торфяной толщи до 10 метров (в отличие от 1-3 метра в существующих моделях), что позволяет оценивать вклад глубоких слоев в общий углеродный баланс. Во-вторых, проанализирована роль каждого фактора, влияющего на скорость деградации углерода в экосистеме. В-третьих, выработан план по интеграции разработанной параметризации с блоком гидротермических процессов модели деятельного слоя суши TerM [56], что в будущем обеспечит динамическую связь между тепломассопереносом и биогеохимическими процессами полностью описывая климаторегулирующие функции болотных экосистем.
Результаты исследования вносят вклад в понимание механизмов обратной связи между климатом и углеродным циклом болот. Практическая значимость связана с уточнением методов оценки выбросов парниковых газов в существующих моделях климата, в частности, в модели деятельного слоя суши TerM.
Современные подходы моделирования углеродного цикла болот представленных в ряде моделей деятельного слоя суши часто ограничиваются упрощенным представлением о вертикальной структуре торфяной толщи и недостаточно учитывают пространственно-временную изменчивость метеорологических параметров, влияющих на скорость деградации торфяника. Большинство существующих моделей ограничивают анализ верхними 1-3 метрами торфа, игнорируя глубокие слои, которые могут вносить значительный вклад в общий углеродный баланс. Кроме того, существующие на момент исследования подходы разделяют торфяные слои на аэробные и анаэробные зоны (в некоторых случаях на катотельм, акротельм, или же вовсе не выделяют зон), используя усредненные параметры, что не позволяет репрезентативно отразить градиенты температуры среды. Упрощенное представление приводят к систематическим ошибкам в оценках гетеротрофного дыхания - процесса разложения органического вещества микроорганизмами, который является основным источником CO2 в болотных экосистемах, регулируемая уровнем грунтовых вод и стратификацией температуры в слое почвы.
Актуальность проблемы усиливается тем, что болота умеренного, бореального, и арктического пояса (высокоширотные болотные экосистемы), представляют собой один из самых значительных резервуаров углерода на планете. В этом контексте разработка моделей гетеротрофного дыхания, способной учитывать влияние вертикальной стратификации торфяной толщи, динамики уровня грунтовых вод и температурных градиентов становится актуальной задачей. Поэтому в рамках ВКР, предпринимается попытка систематизировать знания о подходах физико-математического описания гетеротрофного дыхания болотных экосистем.
Целью исследования является разработка параметризации модели гетеротрофного дыхания болотных экосистем, учитывающей вертикальное распределение углерода, динамику уровня грунтовых вод (УГВ) и температурные градиенты в торфяной толще. Для этого проведен анализ существующих моделей и их ограничений, построена система уравнений, описывающая гетеротрофное дыхание (HR) как функцию глубины, температуры, уровня грунтовых вод и плотности углеродного пула, функции которых разрешаются для дискретной сетки. Методологическая основа исследования опирается на концепции, разработанные в рамках Canadian Terrestrial Ecosystem Model (CTEM) [65]. В отличие от CTEM, где аэробные и анаэробные зоны рассматриваются как два отдельных пула с усредненными температурными характеристиками, подход, предложенный в работе, решает систему уравнений гетеротрофного дыхания для каждого слоя, который в свою очередь может быть аэробным, анаэробным, так и частично анаэробным, для учета вертикальной изменчивости стратификации температур в почве, предпринятые меры по модификации существующего физики-математического описания процесса, точнее оценивать вклад глубоких слоев в общий поток CO2.
Научная новизна работы заключается в трех ключевых аспектах. Во-первых, в модели реализовано вертикальное разрешение торфяной толщи до 10 метров (в отличие от 1-3 метра в существующих моделях), что позволяет оценивать вклад глубоких слоев в общий углеродный баланс. Во-вторых, проанализирована роль каждого фактора, влияющего на скорость деградации углерода в экосистеме. В-третьих, выработан план по интеграции разработанной параметризации с блоком гидротермических процессов модели деятельного слоя суши TerM [56], что в будущем обеспечит динамическую связь между тепломассопереносом и биогеохимическими процессами полностью описывая климаторегулирующие функции болотных экосистем.
Результаты исследования вносят вклад в понимание механизмов обратной связи между климатом и углеродным циклом болот. Практическая значимость связана с уточнением методов оценки выбросов парниковых газов в существующих моделях климата, в частности, в модели деятельного слоя суши TerM.
ВКР, посвящённое разработке усовершенствованной модели углеродного цикла болотных экосистем, логически завершает поставленные во введении задачи и подводит итоги комплексного анализа гидротермодинамических и биогеохимических процессов в торфяных почвах. Работа актуальна в контексте глобальных климатических изменений, и роль болот в климат регуляции. Цель исследования выражалась в создании модели, способной оценивать потоки CO2 с учётом вертикальной стратификации торфа, динамики уровня грунтовых вод (УГВ) и температурных градиентов в суточном временном масштабе.
На основе анализа современных моделей, в которые включены компоненты углеродного баланса болот был выработан собственный подход к параметризации. Так, ORCHIDEE-PEAT, LPJml и CTEM и ряд других рассмотренных в работе актуальных моделей используют упрощённое вертикальное разрешение (1-3 м) и зональное деление на аэробные/анаэробные слои, что приводит к упрощенному представлению температурной стратификации в деятельном слое суши. Предложенный в работе подход более репрезентативно описывает болотные экосистемы за счёт: Детальной дискретной вертикальной параметризации (глубина сетки до 10 м) с весовым коэффициентом заполненности водой для каждого слоя, учёта нелинейных зависимостей между УГВ, температурой и скоростью разложения органики.
Результаты тестирования на данных полевой станции «Мухрино» (Западная Сибирь) подтвердили работоспособность модели: коэффициент детерминации R2= 0,54 для потоков CO2. Практическая значимость работы заключается в следующих аспектах:
1. Создана параметризация, совмещающая в себе наиболее современные подходы для учета реакции разложения в биогеохимическом цикле углерода болотных экосистем на изменение внешних гидрометеорологических условий среды.
2. Параметризация исходя из результатов базовых запусков модели, а также по численному эксперименту с входными данными, полученными на ст. Мухрино, корректно воспроизводит качественные закономерности, так и количественные характеристики процессов деградации торфяника и потоков CO2 экосистемного дыхания, также наблюдаемые на ст. Мухрино.
3. Путём математического анализа и численных экспериментов установлено доминирующее влияние уровня грунтовых вод на динамику и временную изменчивость потоков углекислого газа. Выявлено, что изменение положения уровня грунтовых вод является ключевым фактором, определяющим интенсивность разложения органического углерода и, соответственно, величину гетеротрофного дыхания.
Основной перспективой будущих исследований является развитие параметризации в рамках блока углеродного цикла модели деятельного слоя суши TerM, и дальнейшем развитием блока наземной растительности, который будет включать в себя особую растительность болот как особые функциональные типы растительности. Такая реализация будет способна корректно воспроизводить весь биогеохимический цикл углерода болотных экосистем в суточном временном масштабе.
Таким образом, решены все поставленные в работе задачи:
1. Проведён обзорный анализ современных моделей углеродного цикла болот,
2. Разработана система уравнений гетеротрофного дыхания, дополненная дискретным подходом.
3. Модель имеет программную реализацию, готовая к интеграции в блок углеродного цикла болот.
Результаты исследования вносят вклад в понимание механизмов взаимодействия болотных экосистем с гидрометеорологическим режимом.
На основе анализа современных моделей, в которые включены компоненты углеродного баланса болот был выработан собственный подход к параметризации. Так, ORCHIDEE-PEAT, LPJml и CTEM и ряд других рассмотренных в работе актуальных моделей используют упрощённое вертикальное разрешение (1-3 м) и зональное деление на аэробные/анаэробные слои, что приводит к упрощенному представлению температурной стратификации в деятельном слое суши. Предложенный в работе подход более репрезентативно описывает болотные экосистемы за счёт: Детальной дискретной вертикальной параметризации (глубина сетки до 10 м) с весовым коэффициентом заполненности водой для каждого слоя, учёта нелинейных зависимостей между УГВ, температурой и скоростью разложения органики.
Результаты тестирования на данных полевой станции «Мухрино» (Западная Сибирь) подтвердили работоспособность модели: коэффициент детерминации R2= 0,54 для потоков CO2. Практическая значимость работы заключается в следующих аспектах:
1. Создана параметризация, совмещающая в себе наиболее современные подходы для учета реакции разложения в биогеохимическом цикле углерода болотных экосистем на изменение внешних гидрометеорологических условий среды.
2. Параметризация исходя из результатов базовых запусков модели, а также по численному эксперименту с входными данными, полученными на ст. Мухрино, корректно воспроизводит качественные закономерности, так и количественные характеристики процессов деградации торфяника и потоков CO2 экосистемного дыхания, также наблюдаемые на ст. Мухрино.
3. Путём математического анализа и численных экспериментов установлено доминирующее влияние уровня грунтовых вод на динамику и временную изменчивость потоков углекислого газа. Выявлено, что изменение положения уровня грунтовых вод является ключевым фактором, определяющим интенсивность разложения органического углерода и, соответственно, величину гетеротрофного дыхания.
Основной перспективой будущих исследований является развитие параметризации в рамках блока углеродного цикла модели деятельного слоя суши TerM, и дальнейшем развитием блока наземной растительности, который будет включать в себя особую растительность болот как особые функциональные типы растительности. Такая реализация будет способна корректно воспроизводить весь биогеохимический цикл углерода болотных экосистем в суточном временном масштабе.
Таким образом, решены все поставленные в работе задачи:
1. Проведён обзорный анализ современных моделей углеродного цикла болот,
2. Разработана система уравнений гетеротрофного дыхания, дополненная дискретным подходом.
3. Модель имеет программную реализацию, готовая к интеграции в блок углеродного цикла болот.
Результаты исследования вносят вклад в понимание механизмов взаимодействия болотных экосистем с гидрометеорологическим режимом.