Российские ученые изучают эмиссию углерода в естественных природных условиях

Общий объем выбросов углерода в мире, связанный с деятельностью человека, в 10 раз меньше потерь углерода в естественных экосистемах от так называемого «дыхания» почв. Ежегодно они выделяют в атмосферу 90 млрд т углерода в виде СО2. В естественных экосистемах его потери обычно компенсируются поглощением углекислого газа растениями. Однако рост среднегодовых температур приводит к нарушению природного равновесия и усилению «дыхания» почв, усугубляя проблему изменения климата, утверждают ученые Института геологии и природопользования Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИГИП ДВО РАН).

«Дыханием» почв называют процесс образования углекислого газа в результате разложения и окисления органических веществ. Чтобы точно подсчитать изменчивость естественных выбросов углерода, специалисты института измерили «зимнее дыхание» почв в Зейском государственном природном заповеднике в Амурской области. Оно оказалось во много раз меньше «летнего». Оценка величины выбросов для 11,5% площади суши планеты, которую занимает Россия,  позволит более взвешенно принимать меры по сдерживанию глобального потепления, считают ученые.

«В лиственничниках Зейского заповедника этой зимой средняя температура почвы на глубине 5 см составляла – 6 ℃ ниже нуля. Средняя температура воздуха –11,7 ℃, а эмиссия углекислого газа – 0,15 г углерода на кв. м в сутки. Это в 25 раз меньше, чем 8 августа. Начало зимы в этом году в заповеднике нехарактерно малоснежное: высота снежного покрова изменялась в пределах 0-6 см, что привело к сильному промерзанию почв и уменьшению их дыхательной активности», – рассказал научный сотрудник лаборатории климатических и углеродных исследований ИГИП ДВО РАН Александр Иванов.

Вклад зимы в общегодовой поток углерода в умеренном климате может составлять 3-10 %, отмечают исследователи. Источниками углекислого газа при этом являются физический выброс накопленных летом газов, ускоряемый движением фронта промерзания почвы вниз, биологическая активность, происходящая в теплом, неталом слое почвы, а также дыхание адаптированных к температуре ниже нуля микробов и корней растений в толще почвы. Средой для этих микроорганизмов становятся тонкие пленки жидкости на почвенных частицах. 

Лаборатория продолжит измерения в 2024 г. для получения новых оценок потоков углерода в лесных экосистемах светлохвойной тайги и уменьшения неопределенности этих оценок. Это является одной из задач создания консорциума «РИТМ углерода», в партнерстве с которым работает ИГИП ДВО РАН. По мнению ученых, понимание закономерностей почвенной эмиссии углекислого газа и получение точных данных для всех географических районов – важная составляющая разработки мер по адаптации к изменению климата в природопользовании.

Проблема изменения климата в последние годы дала мощный импульс к исследованиям процесса образования углекислого газа в естественных природных условиях. Но данные о «дыхании» почв крайне неравномерны по регионам. Как рассказали в ИГИП ДВО РАН, международной группой исследователей собрана глобальная база данных, включающая результаты всех опубликованных измерений. В ней содержится 10 366 записей. Оказалось, что основными «белыми пятнами» на глобальной карте являются Антарктида и многие регионы России за исключением европейской части. Задача ученых – устранить эти пробелы. ИГИП ДВО РАН осуществляет долговременный мониторинг эмиссии СО2 почвами лиственничных лесов Приамурья.

Ученые факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, который является участником консорциума «РИТМ углерода», также стараются заполнить эти «белые пятна», изучая почвенное «дыхание» влияющие на него факторы в северо-таежных и тундровых ландшафтах Ямала. Кроме того, они проводят круглогодичный мониторинг эмиссии СО2 на особо охраняемых природных территориях (ООПТ) Подмосковья.

Важной задачей является поиск факторов, которые определяют величину эмиссии СО2 с поверхности почв. Она зависит как от географического положения региона (например, почвы Приморского края «дышат» в среднем интенсивнее, чем почвы Чукотки), так и от времени года (в одной и той же точке в умеренном климате эмиссия в марте и в августе сильно отличается).

Считается, что базовыми параметрами среды, от которых зависит «дыхание» почвы, являются температура и влажность, а также ряд характеристик почв и растительности. Там, где территория хорошо обеспечена осадками (такова большая часть России) главным фактором становится температура. В засушливых местах, с малым количеством осадков, таких как степи и лесостепи, даже в жаркую погоду фиксируются очень слабые потоки углекислого газа, если почва долгое время не увлажнялась. Поскольку частота засух (так же, как и наводнений) во многих регионах увеличивается, то ученые должны суметь предсказать, какой будет реакция почв на те или иные аномалии климата в конкретном регионе.

Отдельное направление исследований – влияние нарушений в экосистемах на дыхание почв. Основными такими нарушениями являются лесные пожары, ветровалы, рубки, а также вспышки численности хвое-листогрызущих насекомых. Как правило, все это приводит к усилению «дыхания» почв, и, следовательно, к дополнительным углеродным потерям.

«Сугубо научный интерес этих исследований заключается в понимании сложной системы процессов, обеспечивающих современный круговорот углерода как в масштабах всей планеты, так и на уровне отдельных регионов с учетом влияния на него природных и антропогенных факторов, – пояснила старший научный сотрудник факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, член экспертной группы по эмиссии климатически активных газов консорциума «РИТМ углерода» Ольга Гончарова. – Практическое значение состоит в использовании результатов измерений и анализа данных для принятия научно-обоснованных мер в природопользовании и особенно в лесопользовании».

Например, можно изменить правила рубок, лесовосстановления, поменять приоритеты при классификации пожарной опасности разных категорий лесов и т. д. Важно делать это, опираясь на результаты авторитетных исследований, отметила эксперт.

Как измеряют «дыхание» почв? Наиболее распространенным является камерный метод, когда в почву устанавливаются непрозрачные камеры, которые в момент измерения герметично закрываются, а газоанализатор фиксирует изменение концентрации СО2 в камере. По известной температуре воздуха, объему системы и приращению концентрации вычисляется массовый поток углерода с единицы площади поверхности почвы. Например, 1 га леса в тайге может ежегодно эмитировать в атмосферу 4–10 т чистого углерода.

Ученые считают, что специалистам в разных регионах важно работать по единой методике – использовать одинаковые приборы, одинаковые камеры, единый дизайн полевого эксперимента. Именно такой подход впервые реализуется на территории России с 2022 г. в рамках работы консорциума «РИТМ углерода». В состав консорциума входят 18 научных центров и институтов РАН, три университета и лесоучетное учреждение Рослесинфорг (входит в Рослесхоз). Все они работают над созданием «Российской системы климатического мониторинга» в части оценки пулов углерода и потоков парниковых газов в лесных и других наземных экосистемах (важнейший инновационный проект государственного значения, ВИП ГЗ). Проект курирует Министерство экономического развития РФ.