Слайд 1 - Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н

Отклик основных
составляющих углеродного
цикла в экосистемах
умеренной зоны на
климатические аномалии
и тренды
И.Н. Курганова
Институт физико-химических и биологических проблем
почвоведения РАН, Пущино
Изменения климата в России
Увеличение
среднегодовой Тв на
территории России:
1.29oC – за период 1907-2006
1.33oC - за период 1976-2006
Метеорологическая сеть Росгидромета (1627 станций)
2.4
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
–0.4
–0.8
–1.2
–1.6
–2.0
Аномалии T, oC
Климатическая
норма:
1961-1990
1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
2008
Увеличение
глобальной Тв:
+0.75oC – за период 1907-2006
2008
+0.57oC – за период 1977-2006
Погодные аномалии в Центральной России:
лето 2010
Аномалия среднелетней Твозд:+4.9oC
Лесные и торфяные
пожары
Потеря урожая: >50%
Дефицит осадков в июле: >80%
Экстремальная
почвенная засуха
Температурные аномалии в
Московской области в зимний период
Ледяной дождь, декабрь 2010 Отрицательные аномалии Тв:
Январь 2010:
-7.5oC
Февраль 2012: -5.0oC
Положительные аномалии Тв:
Декабрь 2006: +7.0oC
Январь 2007: +7.0oC
Декабрь 2011: +5.6oC
Экстремально теплый
декабрь 2011
Климатические прогнозы:
Период повторяемости экстремальных
погодных явлений в Европе
(ансамбль региональных климатических моделей; Nikulin et al, 2011)
Регион
Температурные
экстремумы
1961-1990
Скандинавия
Южная Европа
20 лет
Интенсивные
осадки
2071-2100 1961-1990 2071-2100
1-2 года
20 лет
5 лет
6-10 лет
2-4 года
Европейская часть России:
“… В течение XXI века на европейской территории России возможно
усиление засушливости. Особенно выраженным аридное потепление
будет в лесостепной, степной и полупустынной областях.”
(Оценочный доклад об изменениях климата …. в РФ, 2008).
Построение исследования:
анализ временных климатических трендов и
аномалий в Центральном Федеральном округе России
и в регионе исследований (юг Московской обл.) на
годовом, сезонном и месячном уровнях осреднения;
оценка влияния обнаруженных климатических
изменений
на
продуктивность
растительных
ассоциаций и эмиссию CO2 из почв различных
экосистем южно-таежной зоны за 14-летний период
(1998-2011 гг.);
Основные вопросы:
● какие аномальные погодные явления
оказывают наиболее выраженное
влияние на углеродный баланс?
● какие экосистемы наиболее
чувствительны к изменениям климата?
● какие параметры отвечают за
уязвимость основных показателей
углеродного цикла в экосистемах
умеренной зоны?
Регион исследований:
Климат:
Умеренно-континентальный
Центральный Федеральный округ
Район:
ЦФО Моск.обл.
Средняя Tв, oC: +4.7 +4.6oC
Σ осадков, мм: 625
671
Московск. обл. (54оN 37oE)
Почвы и ценозы
Дерновослабоподзолистые.,
супесчанные:
Глина : песок = 1 : 9
Смешанный лес,
(4С3Л2О1Б ед Д,
>120 лет)
Луг (~50 лет,
косимый, неудобр.)
Вторичн. листвен. лес
(5О3Л2К ед. Д и Б;
Серые лесные,
среднесуглинистые:
Глина : песок = 4 : 6
~60 лет)
Луг (~30 лет,
косимый, неудобр.)
Агроценоз (зернопаровой, неудобр.)
Определение эмиссии СО2 из почв
1998-2011 (камерный метод)
Теплый (бесснежный) период: май-октябрь
 Стальные камеры 10 cм в
диаметре, заглубление в
почву на 4 cм перед замером,
срезание травянистой
растительности.
 Общее время экспозиции 20-30 мин.
Холодный (снежный) период: ноябрь-апрель
 Стационарные стальные
основания, водный затвор,
заглубление в почву - 20 см,
использование
дополнительных секций;
 Общее время экспозиции
– 60-80 мин.
Вегетационный индекс, NDVI
или Normalized Difference Vegetation Index
(нормализованный относительный индекс растительности простой количественный показатель для учета фотосинтетически активной биомассы)
RED
NIR
NDVI =
NIR - RED
NIR + RED
,
где NIR - отражение в ближней
инфракрасной области спектра;
RED - отражение в красной
области спектра.
Дискретная шкала NDVI:
NDVI и NPP
J. Fang et al. (Science, 2001;Vol 293):
NPP, г C/м2/yr
«NDVI data are strongly
correlated with terrestrial NPP
and are frequently used as
NPP predictors.»
RED
CASA model (Potter et al.,1993):
NPP = *Ԑ ∑(NDVI * PAR),
где NPP - годовая продук-тивность
растительности; Ԑ - эффективность
использования радиации; NDVI –
вегетационный индекс; PAR – фотосинтетически активная радиация.
NDVI
Анализ временных трендов:
Метод наименьших квадратов
Интенсивность и знак обнаруженного тренда определяются
по коэффициенту линейной регрессии;
Значимость тренда характеризуется R2 ;
Параметры:
 Температура воздуха, Tвозд; сумма осадков, P;
 Гидротермический коэффициент,Селянинова :
HTC = 10*∑P / ∑Ta (>10oC);
 Скорость эмиссии CO2 из почв, Esoil;
 Продуктивность растительности (NDVI).
Анализ временных трендов:
Временные тренды:
(Tвозд)

Длинные
1907 – 2010

Средние
1977 – 2010/11 (Tвозд; P; HTC)

Короткие
1998 – 2011 (Tв; P; HTC; Esoil; NDVI)
Временное осреднение:

Год
 Сезон (календарный)

Месяц
Методы исследования
Анализ аномалий:
Аномалия – это любое отклонение от типичного
или среднего значения (условия).
Климатические параметры:
“типичные” (или «нормальные») условия
означают среднее значение метеорологического
показателя (Тв, Р) для базового периода 1961 –
1990 (климатическая норма).
Анализ аномалий:
Эмиссия CO2 из почв и NDVI:
“типичные/нормальные” значения принимались
равными средним значениям Esoil или NDVI для
временного периода, когда климатические
аномалии не превышали 1 STD.
Аномалии Esoil и NDVI оценивались как %% к
среднему значению Esoil или NDVI для
«типичных» по климату лет.
Длинные и средние тренды среднегодовой
Твозд в различных регионах
Регион
1907-2006
100 лет
1976-2007
30 лет
a, oC/10 лет Δ, oC a, oC/10 лет
Δ, oC
Планетарный
Россия,
0.07
0,13
0.75
1,29
0.18
0,43
0.57
1.33
Европ. часть
0.12
1.19
0.49
1.51
Центр. регион
0.14
1.36
0.57
1.70
Моск. обл. (юг)
-
-
0.58
1.73
в том числе:
a – интенсивность тренда, oC/10 лет
Δ – общее изменение температуры, oC
Аномалии среднегодовой Твозд (ЦФО; 30
метеостанций) по сравнению с КН
Климатическая
норма
Базовый период,
1961-1990
2,0
o
Ta аномалии, C
3,0
1,0
0,0
-1,0
Мониторинг
СО2
-2,0
-3,0
1905
1915
1925
1935
Временной период
Интенсивн. тренда, oC /10 лет
R2 / F
1945
1955
1965
1975
1985
1995
2005
1907-2011
1977-2011
1998-2011
+0.16
+0.64
+0.74
0.21 / <0.001
0.36 / <0.001
0.23 / <0.1
Тренды и аномалии:
годовой
уровень осреднения
Средние тренды
MAT = 0.043x + 4.2
1000
2
R = 0.21 (F=0.003)
Короткие тренд ы 900
900
MAT = 0.073x + 5.13
R = 0.25 (F=0.067)
800
700
600
700
P = -2.81x + 727
2
R = 0.11 (F=0.041)
P = -8,57x + 719
2
R = 0,19 (F = 0,122)
Сумма осадков за год, Р
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
Среднегодовая т-ра, Ta
Среднегодовая т-ра, Ta
Сумма осадков за год, Р
500
600
400
500
300
400
300
Осадки,
Осадки,
мм мм
800
2
19
73
19
75
19
77
19
79
19
81
19
83
19
85
19
87
19
89
19
91
19
93
19
95
19
97
19
99
20
01
20
03
20
05
20
07
20
09
20
11
7,0
6,5
6,0
7,0
5,5
6,5
5,0
6,0
4,5
5,5
4,0
5,0
3,5
4,5
3,0
4,0
2,5
3,5
2,0
3,0
2,5
2,0
температура, C
Среднегодовая
Среднегодовая температура,o oC
Средние (1973-2011) и короткие (1998-2011)
тренды годовой Та и суммы осадков.
СФМ Данки, Московская обл.
Средние и короткие временные тренды ГТК
летнего периода в ЦФО и на юге МО
Центральный
Московская
регион область
Значения
HTC
Значения
HTC
2,5
2,50
1 STD
2,0
2,00
1,5
1,50
1,0
1,00
Слабые и средние засухи
1 STD
0,5
HTC = -0,029x + 60,1
HTC = -0,011x + 23,4
0,50
0,0
2 STD
Сильная засуха
1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
0,00
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Временные тренды годовой эмиссии CO2
из почв различных экосистем
в 1998-2011 гг.
Интенс-ть,
Дер-подз,
лес
1000
2
Эмиссия, гC/м /год
1200
Дер-подз,
луг
800
г C /м2/год
- 14.8
- 21.0
600
Сер-лесн,
лес
400
Сер-лесн,
агроцен.
200
0
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
- 5.2
-7.1
- Засушливые годы
Корреляция между годовой эмиссией СО2
Дерновоподзолистая,
Лес
1200
P < 0.01
800
Дерновоподзолистая,
Луг
600
Серая лесная,
Лес
400
Серая лесная
,Агроценоз
Сумма осадков
за период
весна+лето
200
Серая лесная,
Луг
0
100
1200
200
300
400
500
Осадки (весна+ лето), мм
Гидротермический
коэффициент
Селянинова
Esoil, г C/м2/год
Esoil, г C/м 2/год
1000
R2 = 0.42-0.55
600 R2 = 0.37-0.48
1000
P < 0.02
800
600
400
200
0
0,50
1,00
1,50
2,00
Гидротермический коэффициент, ГТК
Временные тренды NDVI-veg в 2001-2012 гг.
0,85
Дерновоподзоистые,
лес
NDVI
0,80
y = -0,0043x + 0,78
0,75
R2 = 0,45
0,70
Дерновоподзоистые,
луг
y = -0,008x + 0,78
R2 = 0,51
0,65
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
NDVI
0,80
0,75
Серые лесные,
лес
0,70
y = -0,0048x + 0,77
R2 = 0,30
0,65
Серые лесные,
луг
0,60
y = -0,0003x + 0,63
R2 = 0,0011
0,55
Серые лесные,
агроценоз
0,50
y = 0,0015x + 0,5755
0,45
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
2
R = 0,02
Связь между средними значениями NDVI и
суммой осадков за период весна+лето
0,84
Лесной ценоз
(запаздывание)
0,82
0,80
y = 5E-05x + 0,74
R2 = 0,09
Дерновоподзолистые
почвы
Лесной ценоз
0,76
y = -8E-05x + 0,79
0,74
2
R = 0,16
0,72
Луговой ценоз
0,70
0,68
100
200
300
400
500
Серые
лесные
почвы
y = 3E-05x + 0,72
600
R2 = 0,009
0,85
P(весна +лето)
NDVI
NDVI
0,78
0,80
Лесной ценоз
0,75
y = 9E-05x + 0,71
0,70
R = 0,116
2
0,65
Луговой ценоз
0,60
y = 0,0002x + 0,56
0,55
2
R = 0,44
0,50
Агроценоз
0,45
0,40
100
200
300
400
P(весна+лето)
500
600
y = 0,0002x + 0,52
2
R = 0,40
Средние аномалии величины годовых
потоков CO2 из почв в ответ на различные
погодные отклонения
Засухи (6 лет)
Экстремально теплые (7 лет)
Дерново-подзолистые,
супесчаные
Аномалии, %
Лес
Луг
Дефицит осадков (5 лет)
Серые лесные, суглинистые
Лес
Луг
Агроценоз
0
-10
-20
-30
-22 ± 2 %
-16 ± 3 %
-40
-31 ± 7 %
-50
Средние аномалии NDVI-veg,
обусловленные засухами
Дерново-подзолистые
Аномалии, %
Леc
6,00
4,00
Леc
(запазд.)
2,23
Луг
Серые лесные почвы
Лес
Леc
(запазд.)
-2,90
-2,94
Луг Агроценоз
0,18
2,00
0,00
-2,00
-4,00
-6,00
-3,04
-4,29
-8,00
-10,00
-7,25
Тренды и аномалии:
сезонный
уровень осреднения
Временные тренды средне-сезонной Та и
средний дефицит осадков (P-def, %)
в районе исследований в 1998-2011
Тa,oC за R2
год
Лето
+0.14 0.42
P-def = 7.4%
Весна
+0.10 0.36
25
20
Температура, oC
15
10
5
P-def = 4.5%
Осень
+0.17 0.60
P-def = 8.0%
Зима
0
-5
-10
-15
1998
2000
Зима
2002
2004
Весна
2006
Лето
2008
2010
Осень
2012
-0.12 0.29
P-def = 8.1%
Временные тренды сезонных потоков CO2
из почв в 1998-2011 гг.
300
120
Эмиссия, г С/м2/сезон
250
60
40
200
150
100
20
50
0
0
600
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Дер-подз, лес
Дер-подз, луг
Серые лесные, лес
Серые лесные, агроценоз
Лето
2012
500
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Дер-подз, лес
Дер-подз, луг
Серые лесные, лес
Серые лесные, агроценоз
Осень
2012
250
400
300
200
100
0
1998
1998
300
Эмиссия, г С/м 2/сезон
Эмиссия, г С/м2 /сезон
80
1998
Эмиссия, г С/м 2/сезон
Весна
Зима
100
200
150
100
50
2000
2002
Дер-подз, лес
2004
2006
2008
2010
Дер-подз, луг
2012
0
1998
2000
2002
2004
Серые лесные, лес
2006
2008
2010
2012
Серые лесные, агроценоз
Временные тренды NDVI-sum в 2001-2012гг.
0,90
Дерновоподзоистые,
лес
NDVI
0,85
y = -0,0027x + 0,86
R2 = 0,35
0,80
Дерновоподзоистые,
луг
0,75
y = -0,0052x + 0,84
2
R = 0,38
0,70
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
0,90
Серые лесные,
лес
0,85
y = -0,0033x + 0,86
NDVI
0,80
2
R = 0,25
Серые лесные,
луг
0,75
y = -0,0032x + 0,71
0,70
2
R = 0,032
0,65
Серые лесные,
агроценоз
0,60
y = -0,0032x + 0,70
0,55
2
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
R = 0,033
Связь между летними значениями NDVI и
суммой осадков за период весна+лето
0,90
Лесной ценоз
y = -5E-05x + 0,861
R2 = 0,11
NDVI
0,85
Дерновоподзолистые
почвы
Лесной ценоз;
запаздывание
y = 1E-04x + 0,81
R2 = 0,55
0,80
Луговой ценоз
0,75
y = 6E-05x + 0,78
100
200
300
осадки весна+лето (мм)
400
500
600
R2 = 0,056
0,90
0,85
Луговой ценоз
y = 0,0004x + 0,56
0,80
NDVI
Серые
лесные
почвы
2
R = 0,42
0,75
0,70
Лесной ценоз
0,65
y = 0,0001x + 0,80
0,60
R = 0,24
0,55
Агроценоз
2
0,50
100
200
300
400
осадки весна+лето
500
600
y = 0,0004x + 0,53
R2 = 0,61
Средние аномалии величины сезонных
потоков CO2 из почв в ответ на различные
погодные отклонения
Дерн-подзол, супесч.
Лес
Луг
Серые лесные, суглин.
Лес
Луг
Агроценоз
Аномалии, %
20
Экстрем.
холодные
зимы
0
Дефицит
весенних
осадков
-20
-40
-60
-37 ± 6%
-80
-100
Сильные
летние
засухи
-32 ± 10%
-52 ± 11%
Средние аномалии летнего NDVI,
обусловленные засухами
Дерново-подзолистые
Аномалии, %
Леc
4,00
2,00
Серые лесные почвы
Леc
(запазд.)
Луг
Лес
-2,76
-0,73
-2,75
Леc
(запазд.)
Луг Агроценоз
0,95
0,00
-2,00
-4,00
-6,00
-8,00
-3,90
-10,00
-12,00
-14,00
-16,00
-10,60
-10,26
Тренды и аномалии:
месячный
уровень осреднения
Временные тренды среднемеячной Твозд
в районе исследований в 1998-2011
a,oC за
10 лет
25
20
Август
15
Temperature, oC
R2
+3,0
10
5
0.76
Май
0
+2,5
0.48
-5
Ноябрь
-10
+4,2
-15
-20
1998
January
2000
2002
May
2004
2006
August
2008
2010
December
2012
0.57
Январь
-4,2
0.48
Временные тренды месячных потоков CO2
из почв в 1998-2011 гг.
60
160
Январь
50
Esoil, г С/м 2/месяц
Май
140
120
40
100
30
80
60
20
40
10
20
0
1998
2000
2002
2004
2006
2008
200
2010
2012
2000
2002
2004
2006
2008
70
Август
180
0
1998
2010
2012
Ноябрь
60
Esoil, г С/м 2/месяц
160
50
140
120
40
100
80
30
60
20
40
10
20
0
1998
2000
2002
2004
Дерново-подзол.,
Albeluvisols,
forest лес
2006
2008
2010
Дерново-подзол.,
луг
Albeluvisols,
grassland
2012
0
1998
2000
2002
2004
Серая лесная,
Phaeozems,
forest лес
2006
2008
2010
2012
Серая лесная,
пашня
Phaeozems,
cropland
Аномалии зимних потоков CO2 из почв в ответ на
погодные отклонения
Дерново-подзолистая
Лес
Аномалии, %
100
80
Луг
Серая лесная
Лес
Луг
Пашня
+44 ± 13%
+18 ± 9%
+32 %
Декабрь
(холодный)
60
40
Декабрь
(теплый)
20
0
Январь
(холодный)
-20
-40
-60
-80
Январь
(теплый)
Аномалии весенних потоков CO2 из почв в ответ на
погодные отклонения
Дерновоподзолистая
Лес
Луг
Серая лесная
Лес
Луг
Пашня
120
100
Аномалии, %
80
60
+22 %
+42 %
Апрель
(экстр-тепл.)
40
20
0
-20
-40
-60
-80
Май
(дефицит
осадков)
Аномалии месячных потоков CO2 из почв в ответ
на летние засухи
Дерновоподзолистая
Лес
Луг
Серая лесная
Лес
Луг
Пашня
Аномалии, %
0
Июнь
(засуха)
-20
Июль
(засуха)
Лето
-40
-60
-80
-52 ± 9%
-100
-52 ± 3%
Август
(засуха)
-73 ± 3%
Аномалии осенних потоков CO2 из почв в ответ на
погодные отклонения
Дерновоподзолистая
Лес
100
Луг
Серая лесная
Лес
Луг
Пашня
Сентябрь
(засушл.)
Аномалии, %
80
60
Октябрь
(экстр.тепл.)
40
20
0
Ноябрь
(экстр.тепл.)
-20
-40
-60
Ноябрь
(экстр.хол.)
Ответы на основные вопросы:
 Наблюдаемые
климатические
изменения
в
Центральном
регионе
России
выражаются
в
отчетливой
тенденции
усиления
засушливости,
которая вызывает сопряженные негативные тренды
основных составляющих углеродного цикла.
Т.о. именно засухи оказывают наиболее
выраженное влияние на углеродный баланс в
экосистемах умеренной зоны.
Ответы на основные вопросы :
 Учитывая значительно более слабые негативные
аномалии
продукционной
составляющей
по
сравнению с эмиссионной, можно предположить, что
усиление засушливости климата в Центральном
регионе будет приводить к увеличению стока
углерода в экосистемах умеренной зоны.
 Вид землепользования и текстура почв являются
ведущими
факторами,
которые
отвечают
за
уязвимость
основных
составляющих
углеродного цикла в экосистемах умеренной зоны.
 Наиболее чувствительными к изменениям
климата являются агроценозы и естественные
ценозы, сформированные на супесчаных почвах.
Благодарности:
 Финансовая, техническая и моральная поддержка:
В.Н. Кудеяров
(ИФХиБПП РАН, директор)
 Проведение мониторинговых наблюдений:
Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В.
(ИФХиБПП РАН)
 Метеонаблюдения :
Аблеева В.А.
(СФМ, Приокско-террасный биосферный заповедник)
 Дистанционный мониторинг растительности:
И.Ю. Савин
(Почвенный Институт им. В.В. Докучаева)
Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Петров
А.С., Мякшина Т.Н., Сапронов Д.В., Аблеева В.А.,
Кудеяров В.Н.
Влияние наблюдаемых климатических
изменений и экстремальных погодных
явлений на эмиссионную составляющую
углеродного цикла в различных
экосистемах южно-таежной зоны
Доклады РАН. 2011. Том 441. № 6. С. 845-849.
Спасибо за
внимание!