Влияние аномалий температуры и осадков на потоки диоксида углерода во внетропических лесах Северного полушария

   Современные изменения климата, сопровождающиеся быстрым ростом глобальной температуры воздуха, изменением режима осадков, повторяемости и интенсивности экстремальных погодных явлений, могут оказать существенное влияние на функционирование, рост и развитие лесных экосистем.

   Целью данного исследования являлась оценка влияния экстремальных погодных явлений (значительных положительных и отрицательных аномалий температуры воздуха и осадков) на потоки диоксида углерода (СО₂) в лесных экосистемах внетропических широт в Северном полушарии.

   Для анализа потоков были выбраны 26 станций мониторинга потоков парниковых газов глобальной сети FLUXNET с наиболее продолжительными рядами наблюдений. Станции расположены в лесных экосистемах, относящихся к разным типам биомов по классификации IGBP. Метеорологические условия на станциях анализировались с использованием данных наблюдений и данных реанализа ERA5. Результаты показали, что различия в отклике потоков СО₂ на аномалии температур и осадков были обусловлены главным образом типом лесной экосистемы, ее географическим положением и региональными климатическими условиями. Экстремально высокая температура воздуха в любое время года преимущественно приводит к усилению эмиссии СО₂ в атмосферу во всех рассмотренных типах лесных экосистем, при этом наибольший отклик отмечается в хвойных лесах. Отрицательные аномалии температуры воздуха в теплый период могут оказывать противоположное воздействие, приводя как к увеличению поглощения СО₂ лесными экосистемами, так и к его снижению в зависимости от типа биома. Устойчивых закономерностей отклика потоков СО₂ на экстремально низкие температуры в холодный период года выявлено не было. При выпадении интенсивных осадков в исследуемых лесных экосистемах отмечалась преобладающая эмиссия СО₂ в атмосферу. В то же время в теплое время года после выпадения большого количества осадков был выявлен кумулятивный эффект накопления влаги в корнеобитаемом слое почвы, в результате которого происходило усиление поглощения СО₂ растительностью на фоне роста скорости фотосинтеза растений в условиях достаточного почвенного увлажнения.

1. Железнова И.В., Гущина Д.Ю. Изменчивость экстремальных температур воздуха и осадков в конце XX и начале XXI века в различных природных зонах по данным реанализа ERA5 // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2023. Т. 59. № 5. С. 549–559. DOI: 10.31857/S0002351523050139.

2. Кислов А.В., Торопов П.А., Платонов В.С. и др. Региональное моделирование климата для географического анализа // Вестн. Моск. ун-та. Серия 5. Геогр. 2019. № 5. С. 3–12.

3. Anjileli H., Huning L., Moftakhari H. еt al. Extreme heat events heighten soil respiration, Scientific Reports, 2021, vol. 11, no. 1, p. 6632, DOI: 10.1038/s41598-021-85764-8.

4. Belward A.S., Estes J., Kline K. et al. The IGBP-DIS global 1 km land-cover data set DISCover: A project overview, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1999, vol. 65, no. 9, p. 1013–1020.

5. Birch H.F. Mineralisation of plant nitrogen following alternate wet and dry conditions, Plant and Soil, 1964, p. 43–49.

6. Charrier G., Martin-StPaul N., Damesin C. et al. Interaction of drought and frost in tree ecophysiology: rethinking the timing of risks, Annals of Forest Science, 2021, vol. 78, no. 2, p. 1–15, DOI: 10.1007/s13595-021-01052-5.

7. Ciais P., Reichstein M., Viovy N. et al. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the heat and drought in 2003, Nature, 2005, vol. 437, no. 7058, p. 529–533, DOI: 10.1038/nature03972.

8. Dinsmore K.J., Billett M.F., Dyson K.E. Temperature and precipitation drive temporal variability in aquatic carbon and GHG concentrations and fluxes in a peatland catchment, Global change biology, 2013, vol. 19, no. 7, p. 2133–2148, DOI: 10.1111/gcb.12209.

9. FAO. Global Forest Resources Assessment 2020: Main Report, FAO, Rome, Italy, 2020, с. 11–23, DOI: 10.4060/ca9825en.

10. Flannigan M.D., Stocks B.J., Wotton B.M. Climate change and forest fires, Science of the total environment, 2000, vol. 262, no. 3, p. 221–229, DOI: 10.1016/S0048-9697(00)00524-6.

11. Flower C.E., Gonzalez-Meler M.A. Responses of temperate forest productivity to insect and pathogen disturbances, Annual review of plant biology, 2015, vol. 66, p. 547–569, DOI: 10.1146/annurev-arplant-043014-115540.

12. Forzieri G., DakosV., McDowell N. et al. Emerging signals of declining forest resilience under climate change, Nature, 2022, vol. 608, no. 7923, p. 534–539, DOI: 10.1038/s41586-022-04959-9.

13. Frank D., Reichstein V., Bach M. et al. Effects of climate extremes on the terrestrial carbon cycle: concepts, processes and potential future impacts, Global change biology, 2015, vol. 21, no. 8, p. 2861–2880, DOI: 10.1111/gcb.12916.

14. Gazol A., Camarero J., Vicente-Serrano S. et al. Forest resilience to drought varies across biomes, Global change biology, 2018, vol. 24, no. 5, p. 2143–2158, DOI: 10.1111/gcb.14082.

15. Gushchina D., Tarasova M., Satosina E. et al. The Response of Daily Carbon Dioxide and Water Vapor Fluxes to Temperature and Precipitation Extremes in Temperate and Boreal Forests, Climate, 2023, vol. 11, no. 10, p. 206, DOI: 10.3390/cli11100206.

16. Hoover D.L., Knapp A.K., Smith M.D. The immediate and prolonged effects of climate extremes on soil respiration in a mesic grassland, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2016, vol. 121, no. 4, p. 1034–1044, DOI: 10.1002/2015JG003256.

17. Kramer K., Vreugdenhil S.J., Van Der Werf D.C. Effects of flooding on the recruitment, damage and mortality of ri-parian tree species: A field and simulation study on the Rhine floodplain, Forest Ecology and Management, 2008, vol. 255, no. 11, p. 3893–3903, DOI: 10.1016/j.foreco.2008.03.044.

18. Kramer R.D., Ishii H.R., Carter K. et al. Predicting effects of climate change on productivity and persistence of forest trees, Ecological Research, 2020, vol. 35, no. 4, p. 562–574, DOI: 10.1111/1440-1703.12127.

19. Li X., Wei Y., Li F. Optimality of antecedent precipitation index and its application, Journal of Hydrology, 2021, vol. 595, p. 126027, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2021.126027.

20. Manzoni S., Chakrawal A., Fischer T. et al. Rainfall intensification increases the contribution of rewetting pulses to soil heterotrophic respiration, Biogeosciences, 2020, vol. 17, no. 15, p. 4007–4023, DOI: 10.5194/bg-17-4007-2020.

21. Ritter F., Berkelhammer M., Garcia C. Distinct response of gross primary productivity in five terrestrial biomes to precipitation variability, Communications Earth & Environment, 2020, vol. 1., no. 1, p. 34, DOI: 10.1038/s43247-020-00034-1.

22. Smith M.D. An ecological perspective on extreme climatic events: a synthetic definition and framework to guide future research, Journal of Ecology, 2011, vol. 99, no. 3, p. 656–663, DOI: 10.1111/j.1365-2745.2011.01798.x.

23. Ummenhofer C.C., Meehl G.A. Extreme weather and climate events with ecological relevance : a review, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2017, vol. 372, no. 1723, p. 20160135, DOI: 10.1098/rstb.2016.0135.

24. Wutzler T., Lucas-Moffan A., Migliavacca M. et al. Basic and extensible post-processing of eddy covariance flux data with REddyProc, Biogeosciences, 2018, vol. 15, no. 16, p. 5015–5030, DOI: 10.5194/bg-15-5015-2018.

25. Xu B., Arain M., Black T. et al. Seasonal variability of forest sensitivity to heat and drought stresses: a synthesis based on carbon fluxes from North American forest ecosystems, Global change biology, 2020, vol. 26, no. 2, p. 901–918, DOI: 10.1111/gcb.14843.

26. Zhang Z., Weimin Ju., Yanlian Z. et al. Revisiting the cumulative effects of drought on global gross primary productivity based on new long-term series data (1982–2018), Global Change Biology, 2022, vol. 28, no. 11, p. 3620–3635, DOI: 10.1111/gcb.16178.

27. The Data Portal Serving the FLUXNET Community, URL: https://fluxnet.org/data/ (дата обращения 25. 03. 2023).