Мониторинг
Объекты, входящие в тестовый полигон «Курская Биосферная Станция ИГ РАН»
Заложена пространственная система мониторинга на основе выбранных эталонных опытных площадок для оценки запасов углерода в почве и растительности, баланса ПГ в целом, и его основных компонентов (эмиссия из почвы, чистая первичная продукция, валовое дыхание) в аграрно-освоенном лесостепном ландшафте. В 2022 г. проведен выбор постоянных точек полевых наблюдений на территории Курской биосферной станции ИГ РАН и в ее окрестностях.
Кроме того, выбраны репрезентативные точки для точек наблюдений в Курском, Медвенском и Льговском районах Курской области на специальных (дополнительных) объектах мониторинга (таблица 2), которые не имеют значительной площадной представленности, однако являются существенными или потенциальными источниками/стоками парниковых газов. Среди постоянных объектов мониторинга представлены основные варианты местных экосистем, которые сведены в таблице 1.
Объекты
Постоянные (основные) объекты мониторинга в лесостепной подзоне на типичных черноземах в Курской области. Для точек мониторинга абсолютная высота составляет 235-243 м н.у.м.
Специальные (дополнительные) объекты мониторинга в лесостепной подзоне Курской области на типичных черноземах. Для всех точек мониторинга абсолютная высота составляет 235-243 м н.у.м. На этих объектах предполагаются 4 ежеквартальные измерения по сезонам года.
Среди них представлены многолетние пашни с разным уклоном поверхности, молодые залежи (до 5 лет), средневозрастные залежи (5–30 лет), участки климаксных лесостепей, широколиственные леса, балки и овраги, пастбища с разным режимом использования, сенокосы. Среди прочих объектов наблюдения известных как значимые источники ПГ: компостные ямы или бурты, поля фильтрации, запруды, водохранилища, реки и др.
Использование земель в пределах тестового полигона Курской Биосферной станции ИГ РАН
Измерения дыхания почвы
Используемый в данной НИР камерный метод измерения потоков СО2 из почв относится к прямым методам их оценки, является одним из наиболее старых и традиционных и был предложен Люндегордтом еще в 1924 году.
Тем не менее он в настоящее время наиболее распространен в экологических исследованиях в силу простоты и удобства (Кудеяров и др., 1995; Ларионова и др., 1993; Лопес де Гереню и др., 2005), и постоянно совершенствуется как со стороны методики измерений, так и приборной базы. Мы применяем в этой работе его непроточную, закрытую модификацию, наиболее распространенную в России, хотя результаты, полученные при их применении, могут давать недооценку величины потоков СО2 из почвы по сравнению с открытыми, проточными камерами в среднем на 10% (Rayment, 2000). В современных модификациях камерного метода изменение концентрации углекислого газа в камерах определяют при помощи высокоточных портативных инфракрасных газоанализаторов (Смагин, 2005) или стационарными хроматографами после отбора газовых проб через определенные промежутки времени (Лопес де Гереню и др., 2001). Большинство данных по оценке потоков СО2 из почв различных экосистем, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, получены именно таким методом (Курганова и Кудеяров, 1998), поэтому он используется в данной работе.
Для измерений потока диоксида углерода между поверхностью почвы и атмосферой (в случае СО2 это почти всегда эмиссия из почвы, за исключением некоторых водных или снежно-ледяных объектов) наземная растительность должна быть удалена (срезана) или следует выбирать участок под установку основания камеры без растительности. Все перечисленные ниже характеристики методики разработаны исходя из минимизации влияния данного метода на величину потоков. Используются непрозрачные для ФАР камеры-изоляторы (форма цилиндрическая, объем 2-3 л в зависимости от глубины вкапывания (не более 3 см), высота до 20 см, материал ПВХ, и портативные инфракрасные газоанализаторы СО2 для измерений потоков ПГ на выделенных объектах с начальной частотой 2 раза в месяц в ручном режиме. Крышки, закрывающие камеры во время измерений, герметизируются с помощью резиновых прокладок. По мере накопления данных и параметризации моделей эмиссии СО2 возможно сокращение числа измерений. Повторность: 10 оснований в линию через 10 м, для установки камер. Для пашен используется временная установка с не менее 2 ч предварительным выдерживанием после вкапывания перед началом измерений; для остальных биотопов – постоянная установка оснований на каждый вегетационный сезон (после завершения сезона основания снимаются). Рекомендуемая экспозиция камеры при единичном измерении составляет 3 мин. Для массовых мониторинговых измерений рекомендуется газоанализатор CO2, выполненный на основе датчика AZ -7752 (Тайвань, Китай), адаптированный нами для полевых измерений через установку помпы и аккумулятора (Карелин и др. 2015). Общий вид измерительной системы представлен на фотографиях. Для объектов с высоким уровнем эмиссии (компостные хранилища, левады для скота) экспозиция может сокращаться до 1 мин. Для снежного периода, на поверхность снега устанавливаются аналогичные камеры со специальным поддерживающим каркасом, фиксирующим глубину погружения в снег (не более чем на 5 см). Из-за небольших значений зимних потоков, экспозиция камер в этом случае увеличивается до 5 мин. Для оценки внутрисуточных или многодневных потоков СО2 используется автоматическая непрозрачная камера (LiCor) и сверхточный инфракрасный газоанализатор (LiCor-8100A) с частотой измерений каждые 5 мин и экспозицией 1 мин. Для специальных задач, связанных с оценкой эмиссии с поверхности валежа, сухостоя или живой древесины, а также с поверхности льда или очень плотного грунта, для герметизации камер применяется аналог водного затвора – специальный гигроскопичный материал, который после насыщения водой или незамерзающей жидкостью (в зимний период) прокладывается между основанием камеры и субстратом на время измерений.
Измерения экосистемных потоков СО2
Измерение нетто-потоков углерода в составе СО2, валовой первичной продукции (ВПП) и валового дыхания экосистемы камерным методом представляет собой отдельную и непростую методическую задачу, поскольку в этом случае растительность должна присутствовать в камере.
Последнее сразу резко ограничивает применение камерного метода высотой растительного полога. Соответственно, размеры камеры должны быть существенно больше, как по площади, так и по высоте и объему. Обычно для этого используются камеры размером 40 на 40 см в основании и 40-80 см высотой, в зависимости от высоты растительности. Более высокие камеры наблюдатель не в состоянии периодически поднимать для проветривания, или перемещать из одной точки в другую для обеспечения повторности. Из этого следует, что в этом случае метод ограничен невысокими, в основном, травянистыми формами. Кроме того, камера при естественном освещении должна быть прозрачна для фотосинтетически активной радиации (ФАР). Следуя стандартной методике, на свету, поток СО2 в камере оценивает нетто-баланса углерода, а после искусственного затемнения камеры (полное блокирование ФАР) оценивается валовое дыхание экосистемы. Разница этих потоков служит для оценки ВПП. Камера в этом случае должна периодически ставиться и сниматься с основания, поскольку на свету СО2 крайне быстро поглощается, и экспозиция не должна превышать 1 мин. В темноте (камера для этого закрывается непрозрачным для ФАР материалом) экспозиция для камеры указанного размера составляет 3 мин. Для обеспечения герметичности камеры при измерениях в данном случае обычно используют специальные основания (металлические или пластиковые) с желобом по периметру и «водяной замок», куда ставится сама камера. Минимальная повторность составляет 3 заранее вкопанных основания. После их вкапывания следует подождать не менее 5 ч перед началом измерений. Для оценки суточных показателей следует проводить измерения на вкопанных основаниях как можно чаще, но не менее 12 раз за сутки. Соответственно, это требует привлечения не менее трех наблюдателей, которые сменяют друг друга. Для оценки сезонной динамики, серии таких суточных измерений надо повторять как можно чаще, но не менее 1 раза в неделю, что делает применение этого метода крайне трудоемким.
Ввиду трудоемкости камерного метода, для оценки годового нетто-баланса ключевых экосистем тестового полигона разработан подход, основанный на применении балансовых моделей. Он заключается в независимой оценке общей чистой первичной продукции исследуемой экосистемы и микробного дыхания почвы, разница между которыми служит оценкой углеродного нетто-баланса.
Измерения потоков метана
Потоки метана из почвы практически соответствуют его нетто-потокам, поскольку надземная растительность мало участвует в его балансе. Тем не менее, если высота полога растений позволяет, растительность следует включать в объем измерительной камеры.
Потоки этого второго по значимости ПГ оцениваются с учетом их на два порядка меньших величин в агроландшафтах, по сравнению с СО2. Для большинства биотопов обычно используются серии аналогичных по объему затемненных камер или на свету, в 3-х кратной повторности, с экспозицией не более 2-3 ч и последующим отбором газовых проб и их анализом на газовом хроматографе. Однако здесь существует ряд методических проблем. Дело в том, что, как накопление, так и поглощение метана внутри закрытой камеры ведет к созданию градиента его концентрации по отношению к окружающему воздуху, что может приводить к обратной диффузии. В результате потоки могут быть переоценены или недооценены. Этому же способствует участие метанотрофов в аэробной зоне под камерой. Подобные издержки камерного метода могут быть полностью преодолены использованием метода вихревых микропульсаций, либо использованием сверхточного портативного полевого газоанализатора на метан (примером служит модель Picarro G4301, фото). В первом случае потоки метана оцениваются без воздействия закрытого объема на стоки и источники этого газа в приземном слое воздуха, а во втором случае анализатор позволяет в реальном времени оценивать изменения концентрации метана с высокой точностью (до сотых ppm) и с шагом несколько секунд, поэтому достаточна экспозиция 10-15 мин, в течении которой в камере не успевает получиться концентрация метана, сильно отличающаяся от окружающего воздуха. Это показано в ходе наших полевых измерений в большинстве экосистем. Однако для ряда антропогенных объектов с мощным выделением метана (свалки, компостные хранилища, обводненные поля фильтрации) такая экспозиция избыточна и чаще всего достаточно 3-5 мин. Для анализа на газовом хроматографе воздушные пробы из камеры до и после экспозиции отбираются с помощью шприца в стеклянные флаконы с резиновой пробкой объемом не менее 60 мл, которые предварительно вакуумируются. Пробы из каждой камеры следует отбирать не менее чем в двукратной повторности.
Оценка потоков метана с помощью высокоточного газоанализатора Picarro G4301 и отбор из накопителя газовых проб в вакуумированные флаконы шприцем.
Измерения потоков закиси азота
В отличие от метана, растительность играет значительную роль для баланса этого газа, поэтому его потоки следует измерять на свету, а растения по возможности включать в измерительный объем камеры.
Концентрация этого третьего по важности ПГ на порядок ниже, по сравнению с метаном, поэтому стоимость портативных газоанализаторов на N2O, которые появились лишь несколько лет назад, очень высока. В результате почти все полевые исследования закиси азота в мире до сих пор проводятся по схеме «накопление в изоляторах – анализ на хроматографе». Хотя здесь также возможен путь применения метода турбулентных микропульсаций, метод дорог, но главное, не позволяет оценивать отдельные территориальные объекты и быстро перемещаться между ними. Поэтому оптимальным для этого ПГ, по-прежнему, является камерный метод с применением газовой хроматографии. Ввиду крайней малости потоков закиси азота, для отбора газовых проб нами рекомендуется использовать камеры существенно большей площади, чем в случае с метаном и СО2, и при большей экспозиции. Поскольку, по нашим наблюдениям, на нетто-потоки закиси азота существенное влияние оказывает освещенность, рекомендуются прозрачные для ФАР камеры из ПВХ, площадью 1 м2, и экспозиция от 5 ч до суток. Высота камеры над поверхностью почвы не должна превышать 10 см. Пример такой камеры приведен на фото. Для участков без растительности можно использовать затемненные камеры. Для объектов с высокой скоростью выделения этого газа и без участия растений (компостные хранилища) можно использовать затемненные камеры меньшего размера (как для измерений СО2 и метана).
Измерение потоков закиси азота с помощью 1 х 1 м прозрачной для ФАР камеры на поле сои. На камере находятся вакуумированные флаконы для отбора воздушных проб, шприц с насадкой, всесредный термометр и портативный газоанализатор на закись азота (для концентраций, начиная с 2 ppm).
Измерения газообмена на поверхности водных объектов
Для измерений нетто-обмена ПГ на поверхности озер, водохранилищ, рек и обводненных полей фильтрации используются специальные, прозрачные для ФАР, герметичные камеры из акрилового пластика размером 30 на 30 на 30 см, которые можно как присоединять трубками к анализаторам СО2 или метана, так и брать из них пробы воздуха через специальный клапан для оценки содержания закиси азота.
Камера во время измерений плавает на поверхности воды, поддерживаемая с 4-х сторон булями. Экспозиция составляет от 3 до 30 мин в зависимости от мощности потоков ПГ.
Использование плавающей камеры для оценки потоков парниковых газов (обводненные карты полей фильтрации)
Отбор и анализ проб надземной и подземной фитомассы
Отбор и анализ проб надземной и подземной фитомассы сенокосов, пастбищ и сельскохозяйственных культур для определения пулов углерода и азота, отчуждаемых при хозяйственных операциях и остающихся на поле и восполняющих запас почвенного органического вещества.
Режим и методы отбора проб согласуются и регламентируются в рамках консорциума институтов РАН, выполняющих 3-летний проект ВИП ГЗ «Углерод в экосистемах: мониторинг». В настоящий момент для каждого из исследуемых биотопов режим состоит в срезке надземной живой фитомассы и мортмассы на площадках 40 на 40 см в 3-кратной повторности, сушке в термостате до постоянной массы при 105С и взвешивании с точностью до 0.1 г. Для определения подземной фитомассы отбираются почвенные монолиты 25х25 см с глубин 0-20 см, 20-40 см и 40-50 см. Корни отмывались, разделялись на каждом монолите на живые и мертвые, высушивались в термостатах при температуре +105оС до абсолютно сухой массы и взвешивались с точностью до 0.1 г. Все оценки проводились в трех повторностях. Анализ образцов почв на содержание общего углерода и азота проводили на элементном анализаторе CHNS 932 (Leco, США). Для оценки динамики основных резервуаров фитомассы и оценки скорости чистой первичной продукции в биотопах, входящих в систему мониторинга, три раза за вегетационный сезон проводятся оценки живой и отмершей фитомассы текущего года на пробных площадках.
Для оценки надземной фитомассы и запасов углерода в лесных экосистемах планируется проведение стандартных лесотаксационных работ.
Отбор и анализ почвенных образцов
Режим и методы отбора образцов согласуются и регламентируются в рамках консорциума организаций, выполняющих проект ВИП ГЗ «Углерод в экосистемах: мониторинг».
В настоящий момент для каждого из исследуемых биотопов режим состоит в отборе смешанных почвенных образцов методом конверта на участке 20 на 20 м из слоя 0-20 см, сушке в термостате до постоянной массы при 105С и взвешивании с точностью до 0.1 г. Такие пробы берутся 2 раза за сезон, перед началом и на максимуме сезона вегетации. В дальнейшем в пробах определяется содержание углерода и азота.
Кроме того, в каждом из тестовых биотопов выполняется один описательный разрез на глубину 100 см с полным описанием профиля, оценкой «границы закипания», оценкой послойно (по 10 см) и по горизонтам – удельной плотности, рН, объемной влажности, а также с отбором образцов на содержание С и N.