К вопросу калибровки оценки экосистемного дыхания на основе ДЗЗ технологий с использованием измерений эколого-климатических станций по лесным и болотным экосистемам России

Баланс углерода экосистемы это разность между валовой первичной продукцией (GPP) и дыханием экосистемы (Reco), которая выражается в виде чистого экосистемного обмена (NEE). На сегодняшний день алгоритмы расчета GPP на основе технологий ДЗЗ достаточно хорошо разработаны, в то время как алгоритмы оценки Reco развиты слабо, что в итоге ограничивает точность оценки NEE. Reco состоит из ряда различных компонент и их разделение, параметризация и выбор предикторов весьма сложен. В данной работе мы разработали статистические модели аппроксимации Reco на уровне эколого-климатических станций (экс), и масштабировали их до уровня страны на основе технологий ДЗЗ. Работа выполнена по лесным и болотным экосистем России. Данные по потокам углерода были собраны по 20 экс сети RuFlux (Куричева и др., 2023) и 46 экс сети FLUXNET по Северной Европе и Северной Америке со схожими климатическими условиями. Мы применили три регрессионные модели для аппроксимации годового цикла суточных данных Reco: 1) линейная модель с предиктором суточное GPP; 2) экспоненциальная модель Arrhenius-а с предиктором среднесуточная приповерхностная температура (TA), 3) общая модель- линейная комбинация предыдущих. Наш анализ показал что наилучшая точность аппроксимации достигается общей моделью. Две предыдущие модели могут аппроксимировать годовой цикл с ограниченной точностью в виду кросс-корреляции предикторов. Эксперименты с общей моделью показывают, что экосистемы проявляют индивидуальный механизм реализации углеродных потоков, проявлявшейся в автоматическом выборе веса вклада предикторов (GPP или TA) в оценку Reco течении всего годового цикла. Показано, что аппроксимация годового цикла Reco возможна только на основе кусочно-непрерывной функции, где точка излома (TA=0oC) разделяет режимы активного фотосинтеза и стояния покоя. Параметры моделей оцененные на основе аппроксимации обладают естественной временной и пространственной вариабельностью, возникающей из-за вариаций свойств атмосферы и экосистем. Для реализации алгоритма для оценки потоков углерода на большом пространственном масштабе, мы агрегировали параметры для экс принадлежащих одному растительному классу (PFT) и рассчитали регрессию параметров как функцию годового GPP, предположительно являющегося предиктором пространственно-временной изменчивости потоков углерода наряду с суточными данными GPP и TA. Суточные и годовые продукты GPP/Reco/NEE рассчитаны на основе данных ДЗЗ прибора NASA MODIS и данных реанализа NASA MERRA2. Reco имеет более низкую амплитуду вариаций а также более инертную пространственную вариацию по сравнению с GPP. На годовом масштабе российские леса и болота являются стоком углерода. Все три потока углерода имеют тенденцию увеличения с севера на юг с наивысшими значениями достигающими в Европейской части. Пространственные статистики по территории всей страны показывают, что на годовом масштабе у болот GPP и Reco наиболее близки и поэтому наиболее вероятно изменении знака NEE, в то время как для широколиственных листопадных лесов GPP существенно преобладает над Reco что обуславливает стабильность таких лесов как сток углерода. Однако изменение знака NEEзависит от устойчивости экосистем и восприимчивости к изменениям внешних условий. Дальнейшие исследования компонент дыхания почв помогут улучшить точность оценки Reco.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (тема «Мониторинг», госрегистрация № 126031818938-6) с использованием сервиса «Вега-Science» и инфраструктуры Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2019, http://ckp.geosmis.ru).