ПРЯМЫЕ И КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРЯМЫЕ И КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА В ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО ЦИКЛА В

ЛЕСНЫХ И БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ЛЕСНЫХ И БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ СИБИРИСИБИРИ

Е.ВагановЕ.ВагановИнститут леса им.В.Н.Сукачева СО РАНИнститут леса им.В.Н.Сукачева СО РАН

Краткий планКраткий план

- Немного истории: от работ по МБП к более полному пониманию Немного истории: от работ по МБП к более полному пониманию биосферной роли наземной растительностибиосферной роли наземной растительности

- Увеличение концентрации углекислоты и других парниковых газов в Увеличение концентрации углекислоты и других парниковых газов в атмосфере и вопросы изменения климатаатмосфере и вопросы изменения климата

- Бореальные леса и их значение для стабильности биосферыБореальные леса и их значение для стабильности биосферы

- Особенности углеродного цикла в бореальных лесахОсобенности углеродного цикла в бореальных лесах

- Исследования углеродного цикла в разных пространственных и Исследования углеродного цикла в разных пространственных и временных масштабахвременных масштабах

- Наземные, дистанционные измерения и моделирование углеродного Наземные, дистанционные измерения и моделирование углеродного циклацикла

- Успехи и неопределенности- Успехи и неопределенности

- Выполняемые международные проектыВыполняемые международные проекты

МБПМБП: : исследования природных ресурсов биосферыисследования природных ресурсов биосферы

Впервые унифицированные методы измерений продуктивности были Впервые унифицированные методы измерений продуктивности были использованы исследователями из разных стран.использованы исследователями из разных стран.

Измерения продуктивности, состава, трофических связей в Измерения продуктивности, состава, трофических связей в экосистемах были выполнены впервые во многих районах земного экосистемах были выполнены впервые во многих районах земного

шара.шара.

Впервые максимально возможное число параметров, Впервые максимально возможное число параметров, характеризующих биологические ресурсы, были измерены на характеризующих биологические ресурсы, были измерены на

коротких и длительных временных интервалах.коротких и длительных временных интервалах.

Впервые разрабатывался общий язык для описания Впервые разрабатывался общий язык для описания функционирования экосистем. функционирования экосистем.

Для многих территорий большие международные экспедиции Для многих территорий большие международные экспедиции проводили совместные исследования впервые.проводили совместные исследования впервые.

Карта расположения участков работ по МБП в Сибири

Годичная первичная продукция и общая биомасса Годичная первичная продукция и общая биомасса некоторых крупных наземных биомовнекоторых крупных наземных биомов

№№ BiomeBiomeNet primary Net primary productivityproductivity, ,

g/mg/m22

Net primary Net primary productivity over productivity over

the globethe globe, , billion Tbillion T

Biomass densityBiomass density, ,

kg/mkg/m22

Total global Total global biomassbiomass,,

billion Tonbillion Ton

11 Tropical rain forestsTropical rain forests 22002200 37,437,4 4545 765765

22Tropical savanna Tropical savanna and grasslandssand grasslandss 16001600 1212 3535 260260

33Evergreen Evergreen

temperate foreststemperate forests 13001300 6,56,5 3535 175175

44Deciduous Deciduous

temperate forests temperate forests 12001200 8,48,4 3030 210210

55 TaigaTaiga 800800 9,69,6 2020 240240

66 TundraTundra 140140 1,11,1 44 55

77 SteppeSteppe 6060 5,45,4 0,60,6 1414

КПД фотосинтеза в различных биомахКПД фотосинтеза в различных биомах

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Coniferous forest Deciduous forest Steppe Semi-desert

2

0,002

0,04

0,1

0,5

КП

Д, %

(л

огар

ифм

ичес

кая

шка

ла)

Фотосинтетически активная радиация, KJ/м2 · year

Coniferous forest

Deciduous forest

Steppe

Semi-desert

Пропорциональная связь между первичной Пропорциональная связь между первичной продукцией и общей биомассой растений в тундровых продукцией и общей биомассой растений в тундровых

сообществахсообществах

0

20

40

60

80

100

120

-14 -11 -9 -7 -5 -5 -3 -1

0

2

4

6

8

10

12

14

Угл

ерод

, т/г

а

Larch Pine Lower deck

U

Car

bon,

т/г

а

Car

bon,

т/г

а

Биомасса деревьев и наземной растительности в Биомасса деревьев и наземной растительности в светлохвойных лесах вдоль градиента температурысветлохвойных лесах вдоль градиента температуры

Temperature, 0С

19801980--19901990: : начало «космической эры» в экологииначало «космической эры» в экологии..

Пространственная неоднородность и временная изменчивость Пространственная неоднородность и временная изменчивость природных экосистем создавала проблемы при трансформации природных экосистем создавала проблемы при трансформации

точечных (на участках) измерений на большие территории. точечных (на участках) измерений на большие территории. Экология нуждалась в новых подходах. И эти подходыЭкология нуждалась в новых подходах. И эти подходы были были реализованы дистанционными измерениями со спутников.реализованы дистанционными измерениями со спутников.

С началаС начала 1980 1980thth спутники были снабжены инструментами, которые спутники были снабжены инструментами, которые позволяли получать непрерывную информацию о состоянии позволяли получать непрерывную информацию о состоянии

атмосферы и поверхности Земли в разных диапазонах излучений атмосферы и поверхности Земли в разных диапазонах излучений с разным разрешением (Ресурс, с разным разрешением (Ресурс, NOAA, LandsatNOAA, Landsat) )

“Okean-О” № 1

Terra (EOS AM-1), radiometer MODIS

Aqua (EOS PM-1), radiometer MODIS

" Prozrachni Mir "

" Meteor-3М "

" Monitor ", stream 1R

Functioning satellite

Satellite, planned to launch

" Econ "АПК ЕОСкан/АМ

diameter of mirror 2.3 м

IRS-P4, device OCM

ПримерПример LANDSAT: LANDSAT: спектральные и спектральные и радиометрические характеристики, используемые радиометрические характеристики, используемые

для картографированиядля картографирования

Band Wavelength Basic primary rationale for vegetationBand Wavelength Basic primary rationale for vegetation

TM 1 0,45-0,52 Sensitivity to chlorophyll and carotenoid TM 1 0,45-0,52 Sensitivity to chlorophyll and carotenoid

concentrationconcentration

TM 2 0,52-0,60 Slight sensitivity to chlorophyll plus green regionTM 2 0,52-0,60 Slight sensitivity to chlorophyll plus green region

characteristicscharacteristics

TM 3 0,63-0,69 Sensitivity to chlorophyllTM 3 0,63-0,69 Sensitivity to chlorophyll

TM 4 0,76-0,90 Sensitivity to vegetation density or biomassTM 4 0,76-0,90 Sensitivity to vegetation density or biomass

TM 5 1,55-1,75 Sensitivity to water in plant leavesTM 5 1,55-1,75 Sensitivity to water in plant leaves

TM 6 2,08-2,35 Sensitivity to water in plant leavesTM 6 2,08-2,35 Sensitivity to water in plant leaves

TM 7 10,4-12,5 Thermal propertiesTM 7 10,4-12,5 Thermal properties

Пример карты растительности Енисейского меридиана (проект IGBP-NES)

Для всей территории Енисейского

меридиана (IGBR-NES) выделено 8 основных классов

растительности только по дистанционным

измерениям

Пример более детальной классификации экотона лес-тундра по данным AHVRR

1 – rocky desert

2 – mountain tundra

3 – arctic and dwarf tundra

4 – tussock tundra

5 – dwarf tundra

6 – shrub tundra

7 – sparse forest-tundra (0,1 and less closure)

8 – low density larch forests (0,1-0,3)

9 – middle density larch forests (0,3-0,7)

10 – water and open bogs

11 – territory with not enough data for classification

Динамика NDVI (съемка NOAA/AVHRR)

КонецКонец 20- 20- начало 21 столетияначало 21 столетия: : глобальные процессы глобальные процессы на Земле и стабилизирующая роль биосферына Земле и стабилизирующая роль биосферы

Основные последствия ускоренного роста населения планеты и его Основные последствия ускоренного роста населения планеты и его технологической активности:технологической активности:

Увеличение техногенных выбросов и концентрации парниковых газов в атмосфере;Увеличение техногенных выбросов и концентрации парниковых газов в атмосфере;

Увеличение технологического мусора и продуктов жизнедеятельности;Увеличение технологического мусора и продуктов жизнедеятельности;(Население Земли(Население Земли:: 1960 – 3,02 млрд, 1990 – 5,29 млрд) 1960 – 3,02 млрд, 1990 – 5,29 млрд)

(к примеру США ежегодно производит отходов производств: муниципальных – 178, (к примеру США ежегодно производит отходов производств: муниципальных – 178, индустриальных – 628(265 – химически активные), сельскохозяйственных – 1400, индустриальных – 628(265 – химически активные), сельскохозяйственных – 1400,

добычи ископаемых – 1300)добычи ископаемых – 1300)

Потери лесной площади;Потери лесной площади;(лесопокрытая площадь уменьшилась на(лесопокрытая площадь уменьшилась на 6% 6% в течение последних 2-х десятилетий, в в течение последних 2-х десятилетий, в

тропических лесах – на 18%)тропических лесах – на 18%)

Увеличение земель индустриального использованияУвеличение земель индустриального использования(площади нетронутых земель не превышают 30% от всей суши и расположены в (площади нетронутых земель не превышают 30% от всей суши и расположены в

основном в Сибири и Северной Америкеосновном в Сибири и Северной Америке))

Нестабильность климата (глобальное потепление)Нестабильность климата (глобальное потепление)

Увеличение концентрации двуокиси углерода в Увеличение концентрации двуокиси углерода в атмосфере в последние десятилетияатмосфере в последние десятилетия

Упрощенная схема влияния парниковых Упрощенная схема влияния парниковых

газов на потеплениегазов на потепление

Изменения экотона Изменения экотона лес-тундралес-тундрав течение последних в течение последних десятилетий в горах Ураладесятилетий в горах Урала

Увеличение углекислоты в атмосфере и Увеличение углекислоты в атмосфере и реакция биосферы:реакция биосферы:

- Какова будет реакция в росте и продуктивности Какова будет реакция в росте и продуктивности наземных экосистем разных климато-географических наземных экосистем разных климато-географических зон на повышение содержания углекислоты в зон на повышение содержания углекислоты в атмосферы?атмосферы?

- Может ли наземная растительность быть буфером Может ли наземная растительность быть буфером изменений в газовом составе атмосферы (дополнительно изменений в газовом составе атмосферы (дополнительно аккумулировать углерод)?аккумулировать углерод)?

- Какие действия могут способствовать аккумулированию Какие действия могут способствовать аккумулированию углекислоты из атмосферы и какова цена этих действий?углекислоты из атмосферы и какова цена этих действий?

Основные уравнения для оценки бюджета Основные уравнения для оценки бюджета углеродауглерода

NPP = GPP – RESNPP = GPP – RESМасштаб: от отдельных растений до их сообществМасштаб: от отдельных растений до их сообществ

NEE= NPP – SoRESNEE= NPP – SoRESМасштаб: от древостоев до ландшафтов (мозаики растительности)Масштаб: от древостоев до ландшафтов (мозаики растительности)

NBP = NEE – DISTNBP = NEE – DISTМасштаб: биомы (экорегионы)Масштаб: биомы (экорегионы)

Пример северной тайги в Средней Сибири:Пример северной тайги в Средней Сибири:

DIST DIST составляет примерносоставляет примерно12-16 % 12-16 % отот NPP, NPP, и достигаети достигает 70-75 % 70-75 % отот NEE NEE

Ежегодные колебания Ежегодные колебания DIST: DIST: отот 5 % 5 % додо 30 % o 30 % oтт NPP NPP засушливые годызасушливые годы

Сложности в исследовании углеродного Сложности в исследовании углеродного циклацикла

- Пространственная неоднородность (на Пространственная неоднородность (на региональном и локальном уровнях)региональном и локальном уровнях)

- Вертикальная неоднородность внутри Вертикальная неоднородность внутри лесных экосистемлесных экосистем

- Различные «характерные времена» Различные «характерные времена» процессов ассимиляции и эмиссии углерода процессов ассимиляции и эмиссии углерода (фотосинтез, деструкция органики, и др.)(фотосинтез, деструкция органики, и др.) etc)etc)

- Влияние природных и антропогенных Влияние природных и антропогенных факторов (периодическое или случайное)факторов (периодическое или случайное)

Упрощенная классификация методов измерения и Упрощенная классификация методов измерения и расчета потоков и пулов углеродарасчета потоков и пулов углерода

Данные инвентаризации лесов (данные лесной таксации)Данные инвентаризации лесов (данные лесной таксации)

Наземные измеренияНаземные измерения

- Измерения пулов на экспериментальных участкахИзмерения пулов на экспериментальных участках

- Измерения потоковИзмерения потоков (eddy-covariance) (eddy-covariance)

Атмосферные измеренияАтмосферные измерения

- Измерения вертикальных профилей концентрации углекислотыИзмерения вертикальных профилей концентрации углекислоты

- Измерения потоков углекислоты на высотных мачтах (до 300 м)Измерения потоков углекислоты на высотных мачтах (до 300 м)

Дистанционные (спутниковые) измеренияДистанционные (спутниковые) измерения

- Оценка наземной биомассы и продуктивностиОценка наземной биомассы и продуктивности

- Оценка дыхания и первичной продукции, эмиссии углерода Оценка дыхания и первичной продукции, эмиссии углерода вследствие пожароввследствие пожаров

Моделирование (комбинирование разных методов измерений и Моделирование (комбинирование разных методов измерений и расчетные схемы)расчетные схемы)

Преобладающие древесные породы российских Преобладающие древесные породы российских лесовлесов (x10 (x106 6 га)га)

ZoneZone

Distribution of forested areas (FA) by dominant species x 10Distribution of forested areas (FA) by dominant species x 106 6 haha

PinePine SpruceSpruce FirFir LarchLarch CedarCedar BirchBirch AspenAspen OtherOther ShrubsShrubs FAFA

TT 0.10.1 00 00 0.20.2 00 0.50.5 00 00 33 3.83.8

FTFT 21.821.8 23.923.9 00 71.971.9 7.37.3 7.77.7 0.30.3 0.10.1 8.18.1 141.2141.2

MTMT 60.460.4 43.143.1 11.111.1 191191 29.929.9 46.746.7 7.97.9 10.310.3 54.754.7 455455

STST 41.241.2 17.717.7 5.25.2 7.67.6 3.23.2 38.438.4 10.710.7 2.32.3 0.10.1 126.5126.5

TFTF 3.13.1 0.20.2 0.10.1 00 2.62.6 4.44.4 2.42.4 14.414.4 0.20.2 27.427.4

SS 2.12.1 00 00 00 0.10.1 2.92.9 1.11.1 1.81.8 0.40.4 8.38.3

SDSD 0.10.1 00 00 00 00 0.30.3 00 0.70.7 0.20.2 1.31.3

TotalTotal 128.8128.8 84.884.8 16.416.4 270270 43.143.1 101101 22.522.5 29.529.5 66.766.7 763.5763.5

Полный бюджет углерода по данным лесной Полный бюджет углерода по данным лесной инвентаризации за 5-летний периодинвентаризации за 5-летний период ((1988-1988-

1992)1992)

Динамика потоков углерода для двух сезонов в Динамика потоков углерода для двух сезонов в сосновом древостоесосновом древостое

NEE – NEE – чистая продукция экосистемы (сосновый чистая продукция экосистемы (сосновый древостой, Зотино, средняя тайга)древостой, Зотино, средняя тайга)

Расчеты общего бюджета углерода для отдельного Расчеты общего бюджета углерода для отдельного древостоя по измеренным пулам и потокам (сосновый древостоя по измеренным пулам и потокам (сосновый

древостой, Зотино)древостой, Зотино)

Углеродный бюджет елового древостоя, Углеродный бюджет елового древостоя, Шерридон, Канада)Шерридон, Канада)

Сезонные изменения концентрации углекислоты

на двух уровняхвертикального профиля

атмосферы, Зотино

Схема вычисленийСхема вычислений NPP NPP из многоканальных спектральных космоснимковиз многоканальных спектральных космоснимков

Channel 1Apparent light

Channel 2Infrared light

Channel 3Infrared thermo

Channel 4Infrared thermo

NDVI

1. Phenology2. Absorbed PAR

Transformed NDVI(TVX)

Annually absorbedPAR (APAR)

AnnualPhotosynthesis (Eg) NPP Respiration (Ra)

Temperature differences

Minimized Reflected PAR

Soil surfaceMoisture (CSI)

Air temperatureTa

Surface radiometricTemperature (Ts)

Atmosphericmoisture

Air water deficit(VPD)

Moisture of dew-point

Aboveground phytomass

Изменения в активности лесной растительности, Изменения в активности лесной растительности, оцененные по снимкам спутника оцененные по снимкам спутника LANDSAT LANDSAT

Оценка углеродного пула, комбинируя спутниковые

данные и данные инвентаризации

лесов

Карта глобального распределения Карта глобального распределения NPPNPP по по результатам расчетов вегетационных результатам расчетов вегетационных

моделеймоделей

Сопряженность между трендами NDVI (ассимиляционной активностью растительности) и трендами в приросте

древесных растений в Сибири

Система лазерного сканирования поверхности и Система лазерного сканирования поверхности и лесного пологалесного полога

Пример сигнала, измеряемого лазерным сканером с Пример сигнала, измеряемого лазерным сканером с высокой разрешающей способностью высокой разрешающей способностью (Altex Observer)(Altex Observer)

Исходные данные (точки) лазерного сканирования деревьев различных пород

Цифровая реконструкция и визуализация дерева березы и структуры его кроны

в векторном формате

Восстановленная модель морфологии древесного полога по даннымлазерного зондирования (возможность измерений морфологии

отдельных деревьев)

Основные неопределенности в оценке углеродного Основные неопределенности в оценке углеродного бюджета связаны с крупными нарушениямибюджета связаны с крупными нарушениями

- Лесные пожарыЛесные пожары

- Вспышки насекомыхВспышки насекомых

- Нелегальные вырубкиНелегальные вырубки

- Индустриальное землепользованиеИндустриальное землепользование

Снимок LANDSAT, показывающий участки сплошных рубок

Карта распределения поллютантов Норильского Карта распределения поллютантов Норильского комбината (по контрасту со снеговым покровомкомбината (по контрасту со снеговым покровом))

Погибший лиственничный лес в районе Норильского комбината

Krasnoyarsk

Abakan

Снимок NOAA южной части Енисейского меридиана, показывающий несколько лесных пожаров на 25.05.99

Пример РоссииПример России: : площади, пройденные площади, пройденные пожарами ежегодно в пожарами ежегодно в 1970 – 2000 1970 – 2000

Bio – climatic zoneBio – climatic zone

Estimates of annual burned areas (million ha)Estimates of annual burned areas (million ha)

CrownCrown

firefire

Surface fireSurface fire PeatPeat

firefire

Incl. GFIncl. GF TotalTotal

FAFA UFAUFA NFLNFL

Arctic desert and semi- Arctic desert and semi- desertdesert

-- -- -- 0.040.04 -- -- 0.040.04

Sub – arctic and Sub – arctic and tundratundra

-- -- -- 0.890.89 0.070.07 -- 0.960.96

Forest tundra and Forest tundra and

northern taiganorthern taiga

0.040.04 0.30.3 0.170.17 0.440.44 0.070.07 0.0010.001 1.021.02

Middle taigaMiddle taiga 0.190.19 0.980.98 0.250.25 0.630.63 0.10.1 0.0070.007 2.152.15

Southern taigaSouthern taiga 0.080.08 0.40.4 0.10.1 0.160.16 0.030.03 0.0040.004 0.770.77

Temperate forestsTemperate forests 0.010.01 0.070.07 0.020.02 0.010.01 0.010.01 -- 0.120.12

SteppeSteppe -- 0.020.02 0.010.01 -- -- -- 0.030.03

Semi – desert and Semi – desert and desertdesert

-- 0.010.01 -- -- -- -- 0.010.01

TotalTotal 0.320.32 1.781.78 0.550.55 2.172.17 0.280.28 0.00120.0012 5.15.1

Оценка площадей пожаров в 1998 г по данным Оценка площадей пожаров в 1998 г по данным космоснимков космоснимков NOAA AVHRR NOAA AVHRR

Пожары в Северной Евразии в 1998 г.Пожары в Северной Евразии в 1998 г.

Burnt area (million Ha)Burnt area (million Ha) 1111

Of which in RussiaOf which in Russia 10.410.4

Including forest landIncluding forest land 7.17.1

Official dataOfficial data 3.83.8

Consumed Carbon, TgConsumed Carbon, Tg 176176

Динамика пожаров (съемка MODIS)

Леса Северной Евразии и глобальный углеродный цикл вЛеса Северной Евразии и глобальный углеродный цикл в 1990 – 2000 гг. 1990 – 2000 гг.

~~ 500 500 Tg Tg СС/year/year – – net accumulation of carbonnet accumulation of carbon

~~ 200 – 350 200 – 350 Tg Tg СС/year/year – – total emission to the total emission to the atmosphere due to fires, insect outbreaks, atmosphere due to fires, insect outbreaks, logging etclogging etc..

~~ 1 100 00 Tg Tg СС/year/year – – turnover to hydrosphere and turnover to hydrosphere and soil due to biological processes in soilsoil due to biological processes in soil

Глобальный углеродный циклГлобальный углеродный цикл

Выполняемые международные научные Выполняемые международные научные проекты по углеродному циклу в сибирских проекты по углеродному циклу в сибирских

лесахлесах

Поддерживаемые Европейским СообществомПоддерживаемые Европейским Сообществом- TCOS (Terrestrial carbon observing system)TCOS (Terrestrial carbon observing system) 10 10 международных группмеждународных групп- - SIBERIA-II (remote sensing data to account full carbon budget of SiberianSIBERIA-II (remote sensing data to account full carbon budget of Siberian forests)forests) 12 12 международных групп международных группПоддерживаемые Обществом Макса Планка (Германия)Поддерживаемые Обществом Макса Планка (Германия)- Siberian High Tower (long-term carbon flux- climate relationships)Siberian High Tower (long-term carbon flux- climate relationships) 6 6 международных группмеждународных группПоддерживаемые Поддерживаемые NASA (US Aerospace Agency)NASA (US Aerospace Agency)- Carbon emission from large forest fires in EurasiaCarbon emission from large forest fires in Eurasia 5 5 международных группмеждународных группПоддерживаемые Американско-российским фондом (Поддерживаемые Американско-российским фондом (CRDF)CRDF)- Large fires and carbon storage and emission in long-term and short-term scalesLarge fires and carbon storage and emission in long-term and short-term scales 3 международные группы3 международные группыПоддерживаемые Сибирским отделением РАНПоддерживаемые Сибирским отделением РАН- Моделирование углеродного цикла в лесных экосистемахМоделирование углеродного цикла в лесных экосистемах 7 учреждений СО РАН и Министерства образования и науки7 учреждений СО РАН и Министерства образования и наукиПоддерживаемые Поддерживаемые IIASA (IIASA (Международный институт прикладного системного анализа Международный институт прикладного системного анализа

(Австрия)(Австрия)- Forestry ProjectForestry Project 6 6 международных группмеждународных групп