Пожары являются ключевым компонентом глобального углеродного цикла, и люди меняют их характеристики. Мониторинг выбросов от пожаров важен для отслеживания этих изменений, а спутниковые наблюдения TROPOMI за диоксидом азота в тропосфере, окисью углерода и индексом поглощающих аэрозолей могут использоваться для количественной оценки и проверки точности и точности глобальных оценок выбросов от лесных пожаров на ежедневной основе. Авторы использовали наблюдения TROPOMI для оценки новой базы данных о выбросах пожаров на основе данных Глобального атласа пожаров для проекта Sense4Fire (GFA-S4F) и Глобальной системы пожарной ассимиляции (GFAS) системы мониторинга атмосферы Copernicus (CAMS) для ряда тестовых регионов по всему миру, представляющих наиболее важные типы лесных пожаров. Основное внимание уделяется биомам Амазонии и Серрадо (влажные тропические леса и вырубка лесов) в августе – сентябре 2020 года, но анализ также проводится для региона Африки к югу от Сахары (саванна), а также двух регионов Сибири (степи и бореальные леса/тундра). Выбросы от пожаров GFA-S4F и GFAS используются в качестве исходных данных для моделирования глобального состава атмосферы на основе IFS-COMPO, то есть расширения Интегрированной системы прогнозирования (IFS) ECMWF для моделирования состава атмосферы. Сравнение результатов модели с наблюдениями TROPOMI обеспечивает косвенную проверку реалистичности этих оценок выбросов. Кроме того, модель IFS-COMPO также используется для оценки модельной чувствительности общего содержания диоксида тропосферного азота к изменениям выбросов при пожаре. Это локальное соотношение используется для оптимизации выбросов NOx при пожаре непосредственно с использованием наблюдений за диоксидом азота Sentinel-5p. 

Результаты показывают, что для небольших пожаров оценки выбросов диоксида азота в среднем реалистичны, хотя и с большим разбросом, т.е. для отдельных пожаров выбросы могут быть значительно занижены или завышены независимо от базы данных о выбросах. Однако выбросы диоксида азота при крупных пожарах систематически и в значительной степени завышаются во всех четырёх регионах. Завышение может быть на порядок и даже больше. Для общих выбросов диоксида азота на территории эта «большая погрешность от пожаров» имеет второстепенное значение, т.е. в общих выбросах диоксида азота преобладают небольшие пожары. Оценки выбросов GFA-S4F характеризовались бо́льшим положительным смещением для случаев крупных выбросов NO₂ по сравнению с GFAS. Источник этой предвзятости не совсем понятен. Благодаря оптимизации выбросов NO₂ путём прямой корректировки выбросов с использованием наблюдений за диоксидом азота TROPOMI можно эффективно устранить значительную положительную погрешность. В сочетании с обновлённой информацией о выбросах NOx в почве, вызывающей слишком низкие фоновые уровни NOx, было достигнуто довольно хорошее согласие между IFS-COMPO и TROPOMI. 

Выбросы оксида углерода с использованием GFAS в целом были занижены (в среднем ~50 % для выбранных регионов). Обновление данных о выбросах окиси углерода в регионе Амазонки за счёт включения большего количества спутниковых данных Sentinel (GFA-S4F) действительно значительно уменьшило это смещение CO при пожаре (в среднем до ~ 25%). 

В целом результаты показывают, что данные TROPOMI позволяют систематически выявлять неопределённости и ошибки в выбросах пожаров на основе спутниковых данных. Результаты также показывают, что использование динамических коэффициентов выбросов может ещё больше улучшить глобальные кадастры выбросов, полученные со спутников. Кроме того, результаты также подчёркивают, что использование данных TROPOMI может быть гораздо более подробным и уточнённым для ежедневной оценки отдельных пожаров для лучшего понимания их динамики, а также для улучшения и диверсификации коэффициентов выбросов от пожаров.

 

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2024/egusphere-2024-732/

 

В рамках второго этапа проекта «Региональная оценка и процессы углеродного цикла» (RECCAP2) авторы представляют оценку углеродного цикла Атлантического океана, включая Средиземное море, в период с 1985 по 2018 гг. с использованием биогеохимических моделей глобального океана (Global Ocean Biogeochemical Models, GOBM) и оценки, основанные на наблюдениях за парциальным давлением углекислого газа (CO₂) на поверхности океана (продукты pCO₂) и растворённым неорганическим углеродом в океане. Оценки долгосрочного среднего суммарного годового стока CO₂ в масштабах всего бассейна по данным GOBM и продуктов pCO₂, находятся в разумном согласии (-0,47 ± 0,15 ПгС год^-1 и -0,36 ± 0,06 ПгС год^-1 соответственно), причём более высокое поглощение в оценках на основе GOBM, вероятно, является следствием недостаточного представления естественной дегазации почвенного углерода. В GOBM поглощение CO₂ увеличивается со временем со скоростью, близкой к той, которую можно было бы ожидать от увеличения содержания CO₂ в атмосфере, но продукты pCO₂ оценивают скорость в два раза выше. Наибольшее расхождение в потоке CO₂ между GOBM и продуктами pCO₂ обнаружено к северу от 50° с.ш., что совпадает с наибольшим расхождением в сезонном цикле и межгодовой изменчивости. Средняя скорость накопления антропогенного СО₂ (C_ant) за 1994–2007 гг. в Атлантическом океане составляет 0,52 ± 0,11 ПгС год^-1 по данным GOBM, что на 28% ± 20% ниже, чем по данным наблюдений. Около 70% этого C_ant поглощается из атмосферы, а остальная часть импортируется из Южного океана посредством бокового переноса.

 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007862

 

Усвоение солнечной энергии на крышах имеет решающее значение для декарбонизации жилых помещений и зависит от её ценности для домохозяйств. Изменение климата, вероятно, повлияет на ценность солнечной энергии на крышах через воздействие на её выработку и потребность в охлаждении, но ни одно исследование не дало количественной оценки этого эффекта. В этом исследовании авторы количественно оценили влияние изменения климата на уровне домохозяйств на получаемую солнечную энергию на крышах и оптимальную с технологической точки зрения мощность путём интеграции эмпирических данных о спросе для более чем 2000 домохозяйств США в 17 городах, модельных расчётов оптимизации на уровне домохозяйств, а также данных с пространственной детализацией о погоде для исторического и будущего климата. Обнаружено, что изменение климата увеличит ценность солнечной энергии на крышах для домохозяйств до 19% и увеличит технологическую и экономически оптимальную мощность до 25% к концу века в соответствии со сценарием «Путь репрезентативной концентрации 4.5». Это повышенное значение устойчиво к городам, домохозяйствам, сценариям будущего потепления и структурам розничных тарифов. Исследователи, монтажники и политики должны учитывать эту растущую ценность, чтобы максимизировать ценность солнечной энергии на крыше для домохозяйств и систем.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-01978-4

 

 

Наводнения неизменно считаются самыми разрушительными в финансовом отношении стихийными бедствиями во всём мире. Недавние наводнения в Нидерландах, странах Карибского бассейна и США привлекли внимание к рискам наводнений, возникающих из-за плювиальных и речных источников. Несмотря на общий опыт борьбы с наводнениями, в этих регионах применяются разные подходы и стратегии управления наводнениями из-за различий в управлении и масштабах, что позволяет провести сравнение тематических исследований по трём регионам. Ключевым, но часто отсутствующим фактором для оценки риска наводнения и ущерба на уровне участка является высота здания по сравнению с высотой затопления. Высоты первого этажа (First-floor elevations, FFE) являются критическим элементом уязвимости здания в случае затопления. Полисы страхования от наводнений в США требуют наличия FFE; однако существуют ограничения доступности данных. Во всех местах были измерены FFE с помощью дронов для оценки уязвимости сооружений к наводнениям. Профили уязвимости к наводнениям показали, что 64% зданий были уязвимы к той или иной форме наводнения, при этом 40% относились к «умеренному» или «сильному» наводнению, а средние значения высоты наводнения составляли -0,55 м, 0,19 м и 0,71 м в пределах территории США, Нидерландов и Пуэрто-Рико, соответственно. Пространственная статистика показала, что FFE несут большую ответственность за уязвимость к наводнениям на объектах в США, тогда как топография является более ответственной на объектах в Нидерландах и Пуэрто-Рико. Дополнительные результаты, полученные на участке в Пуэрто-Рико, показывают, что FFE и следующие по высоте отметки этажа уязвимы для будущего повышения уровня моря в результате паводков. Результаты, полученные в Нидерландах, служат поддержкой для разработки новых многоуровневых стратегий снижения риска наводнений, которые включают в себя рост высоты зданий. Обсуждаются рекомендации по будущей работе и то, как различные объекты могут получить значительную выгоду от ужесточения требований FFE.

 

Ссылка: https://www.mdpi.com/2076-3263/14/4/109

 

Мониторинг выбросов метана имеет решающее значение для смягчения последствий изменения климата, поскольку он имеет относительно короткое время жизни в атмосфере (около 12 лет) и оказывает значительное радиационное воздействие. Для оценки политики и методов контроля метана большое значение имеет глубокое понимание выбросов метана. Дистанционное зондирование предлагает масштабируемые подходы к мониторингу выбросов метана в различных масштабах: от мониторинга с высоким разрешением из точечных источников до региональных и глобальных оценок. Спутниковый прибор TROPOMI ежедневно предоставляет данные XCH₄ по всему миру, предлагая возможность мониторинга метана с умеренным пространственным разрешением и приемлемым уровнем чувствительности. Чтобы сделать вывод о выбросах на основе данных TROPOMI, авторы использовали предыдущие оценки выбросов из глобальных и национальных кадастров, а также модель химического переноса GEOS-Chem для воспроизведения концентрации атмосферного метана наряду с фактическими наблюдениями TROPOMI. В этом исследовании выбросы метана в Торонто, Монреале, Нью-Йорке, Лос-Анджелесе, Хьюстоне и Мехико были оценены посредством аналитического решения байесовской инверсии с использованием облачной системы интегрированной инверсии метана (IMI). Используя результаты инверсий ансамбля и границ городов, средние общие выбросы были следующими: Торонто 230,52 Гг год^-1, Монреаль 111,54 Гг год^-1, Нью-Йорк 144,38 Гг год^-1, Лос-Анджелес 207,03 Гг год^-1, Хьюстон 650,16 Гг год^-1 и Мехико 280,81 Гг год^-1. Полученные в результате масштабные коэффициенты сетки варьировались от 0,22 до 6,2, что подразумевает занижение предварительных оценок выбросов метана в большинстве этих городов. Таким образом, это исследование подчёркивает ключевую роль дистанционного зондирования в точной оценке городских выбросов метана, что даёт информацию о необходимых усилиях по смягчению последствий изменения климата.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-024-58995-8

 

Крупнейшие города Китая демонстрируют значительное оседание в результате деятельности человека.

Проседание, понижение поверхности суши Земли, является широко распространённым и иногда драматическим процессом. Потенциально 19% населения мира подвергается высокому риску попасть под действие этого процесса. Такое опускание вызвано рядом природных или антропогенных факторов, включая антропогенный отбор подземных жидкостей, который обычно считается наиболее важным фактором. Однако нынешнее понимание оседания является фрагментарным и качественным, включая измерения, объяснение причин, прогноз и соответствующие меры реагирования. Ao et al. (см. ниже) сообщают об использовании радиолокационной техники, называемой интерферометрическим радаром с синтезированной апертурой (InSAR), для картирования последовательных крупномасштабных измерений вертикального движения суши во всех основных городских районах Китая. Его успешное применение для количественной оценки оседания указывает путь к систематическому подходу к оценке его причин, а также потенциальных мер реагирования в реальном времени и в будущем. 

Национально-масштабная оценка оседания земель в крупных городах Китая

Массовой волне урбанизации в Китае может угрожать оседание земель. С помощью космического радиолокационного интерферометра с синтезированной апертурой авторы провели систематическую оценку оседания земель во всех крупных городах Китая в период с 2015 по 2022 гг. Из исследованных городских земель 45% оседают со скоростью более трёх миллиметров в год, а 16% оседают быстрее, чем на 10 миллиметров в год, затрагивая 29 и 7% городского населения соответственно. Проседание, по-видимому, связано с рядом факторов, таких как забор грунтовых вод и вес зданий. К 2120 году от 22 до 26% прибрежных земель Китая будут иметь относительную высоту ниже уровня моря, на которых проживает от 9 до 11% населения, из-за совокупного эффекта оседания городов и повышения уровня моря. Эти результаты подчёркивают необходимость усиления защитных мер для смягчения потенциального ущерба от проседания.

 

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9986

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl4366

 

Оценки глобального экономического ущерба от изменения климата отражают влияние ежегодных изменений температуры. Однако роль осадков, изменчивости температуры и экстремальных явлений пока неизвестна. Здесь, объединяя прогнозы климатических моделей с эмпирическими функциями «доза-реакция», переводящими изменения в средних значениях температуры и её изменчивости, характере осадков и экстремальных осадках в экономический ущерб, авторы показывают, что при +3°C глобальные средние потери достигают 10% валового внутреннего продукта с наихудшими последствиями (до 17%) в более бедных странах низких широт. По сравнению с годовым температурным ущербом, дополнительные воздействия прогнозируемой изменчивости и экстремальных явлений меньше и в них преобладает межгодовая изменчивость, особенно в более низких широтах. Однако учёт изменчивости и экстремальных значений при оценке функции «температурная доза-реакция» увеличивает глобальные экономические потери почти на два процентных пункта и усугубляет экономические последствия. Эти результаты требуют проведения оценок рисков для конкретного региона и интеграции других климатических переменных для лучшего понимания последствий изменения климата.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-01990-8

 

Сдвиги в распространении видов являются обычной экологической реакцией на изменение климата, и глобальное повышение температуры часто считается основной движущей силой. Однако направления и темпы изменений в распределении сильно различаются в зависимости от вида, системы и исследований, что усложняет усилия по управлению и прогнозированию реакции биоразнообразия на антропогенные изменения. В этом обзоре авторы суммируют подходы к документированию изменений ареала вида, обсуждают, почему наблюдаемые сдвиги ареала часто не соответствуют ожиданиям, а также исследуют влияние изменений ареала вида на природу и общество. Большинство (59%) задокументированных сдвигов ареала направленно согласуются с изменением климата, согласно базе данных наблюдений за сдвигом ареала BioShifts. Однако многие наблюдаемые виды не сместились или сместились в направлениях, противоположных ожиданиям, основанным на температуре. Эти отстающие или противоречащие ожиданиям сдвиги могут быть объяснены дополнительными биотическими или абиотическими факторами, вызывающими сдвиги ареала, включая дополнительные нетемпературные климатические факторы, характеристики среды обитания и взаимодействие видов, которые обычно не учитываются в документации по сдвигу ареала. Понимание и управление сдвигами ареала потребует увеличения и объединения биологических данных наблюдений, обобщения закономерностей сдвига ареала между системами и прогнозирования сдвигов в сроки, важные для управления.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-024-00527-z

 

Авторы показывают, что последний ледниковый максимум обеспечивает более сильное ограничение равновесной чувствительности климата, размера глобального потепления из-за увеличения выбросов парниковых газов, после учёта температурных режимов. Обратные связи, управляющие равновесной чувствительностью климата, зависят от пространственных закономерностей температуры поверхности («эффекты закономерностей»); следовательно, использование последнего ледникового максимума для ограничения величины будущего потепления требует количественной оценки того, как температурные режимы создавали различные обратные связи во время охлаждения в последний ледниковый максимум по сравнению с современным потеплением. Объединив реконструкции ассимиляции данных с результатами атмосферных моделей, авторы показывают, что климат более чувствителен к воздействию последнего ледникового максимума, поскольку ледяные щиты усиливают внетропическое похолодание, где они дестабилизируют обратные связи. С учётом эффектов структуры последнего ледникового максимума медианная современная равновесная чувствительность климата составляет 2,4°C, 66% - в диапазоне от 1,7° до 3,5°C (от 1,4° до 5,0 °C, от 5 до 95%), исходя только из данных последнего ледникового максимума. Если объединить последний ледниковый максимум с другими доказательствами, то наилучшая оценка составит 2,9°C, 66% — в диапазоне от 2,4° до 3,5°C (2,1°–4,1°C, от 5 до 95%), что существенно сужает неопределённость по сравнению с недавними оценками.

 

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk9461

 

Учёные стремятся объединить наблюдения экспериментов по потеплению глубоких почв во всём мире, чтобы лучше понять, как экосистемы, жизненно важные для продовольственной безопасности и здоровья окружающей среды, будут реагировать на изменение климата. 

Почвенные экосистемы играют фундаментальную роль в поддержании производства продуктов питания и волокон, улучшении качества и доступности воды, связывании углерода и обеспечении других социальных потребностей. Потепление климата влияет на способность почв предоставлять эти экосистемные услуги, что, вероятно, будет иметь серьёзные последствия для продовольственной безопасности и стабильности подземных и надземных экосистем. Чтобы прогнозировать и эффективно управлять этими последствиями, крайне важно понять, как почвенные процессы реагируют на повышение температуры. 

Учёные во всём мире проводят эксперименты по глубокому прогреванию почвы, в ходе которых слои почвы намеренно нагреваются, чтобы наблюдать за реакцией растений, почвы и микробов. Однако недавно исследователи осознали важность сравнения и интеграции результатов этих экспериментов, чтобы помочь выявить новые идеи. 

Глобальная сеть DeepSoil 2100 возникла в результате бесед среди почвоведов, организованных в 2020 году одним из авторов в ответ на потребность в координации. Сеть объединяет исследователей на местах и в лабораториях, разработчиков моделей, поставщиков данных и их пользователей, а также обеспечивает платформу для обмена практическими рекомендациями по проведению полевых экспериментов, отчётности по данным, обсуждения результатов и изучения синергии данных. В его цели входит синтез результатов экспериментов по потеплению почвы, повышение доступности этих результатов для более широкого научного сообщества и, в конечном итоге, содействие более обоснованным прогнозам и принятию решений относительно изменения климата и стратегий смягчения последствий и адаптации. 

Первые усилия сети DeepSoil 2100 заключались в объединении исследовательского сообщества для обмена знаниями и опытом и подготовки отправной точки для будущих исследований и синтеза. В марте 2023 года более 50 исследователей из более чем 10 стран собрались на семинар, проходивший в Университете Сорбонны в Париже, а последующая встреча состоялась в апреле 2023 года во время Генеральной ассамблеи Европейского союза геонаук (EGU) в Вене, Австрия. Дискуссии на этих встречах были сосредоточены вокруг новых областей для синтеза, цели обучения на основе различных экспериментов и вопросов, требующих совместного исследования. 

Необходимость более глубокого понимания 

Почвы претерпевают многочисленные взаимодействующие изменения по мере повышения температуры. Почвенные микроорганизмы обычно становятся более активными, ускоряя разложение органического вещества почвы и, в свою очередь, выброс углекислого газа (CO₂) в атмосферу. Эти изменения влияют на многие связанные функции почвы и могут усилить изменение климата. То есть большее количество CO₂ в атмосфере приводит к ещё большему парниковому потеплению, в результате чего почвы выделяют ещё больше CO₂. 

С другой стороны, повышенные температуры могут увеличить поглощение растениями углерода из атмосферы за счёт увеличения фотосинтеза, что может помочь компенсировать потери углерода в почве, вызванные потеплением. Кроме того, более высокие температуры могут существенно повлиять на влажность почвы и круговорот питательных веществ, что может положительно или отрицательно повлиять на рост растений и почвенные процессы. 

Модельные прогнозы реакции наземных экосистем на изменение климата, которые являются результатом нашего понимания изменения почвенных процессов и баланса между потерей и получением почвенного углерода, к сожалению, содержат значительные неопределённости, особенно в глобальном масштабе [Bradford et al., 2016]. Например, наземные компоненты в моделях системы Земли не представляют микробов в явном виде, не объясняют большинство механизмов, контролирующих скорость разложения органического вещества почвы, и имеют плохо определённые параметры для многих экосистем и процессов. 

Кроме того, текущие модельные прогнозы часто основываются на экспериментальных данных, собранных в основном из верхних 10-сантиметровых почвенных профилей [Yost and Hartemink, 2020]. Эти исследования дают представление о том, как потепление влияет на приповерхностные слои почвы, но они не отражают сложные взаимодействия и механизмы обратной связи, происходящие в более глубоких слоях. 

Глубокие почвы содержат более половины мировых запасов почвенного органического углерода [Rumpel, Kögel-Knabner, 2011; Jackson et al., 2017]. Эти более глубокие слои прогреваются так же быстро, как и приповерхностные слои почвы [Soong et al., 2020], но им уделяется меньше внимания. Однако в последние годы несколько независимых исследовательских групп по всему миру провели эксперименты по глубокому прогреванию почвы (рис. 1), обычно нагревая почву на глубине более 30 сантиметров ниже поверхности, чтобы изучить биогеохимические реакции растений и почвы. Этот подход обеспечивает лучшее представление всей сложной почвенной системы за счёт рассмотрения всех слоёв почвы. 

Эти новые эксперименты основаны на использовании подземных кабелей, инфракрасных обогревателей и даже естественного геотермального отопления для нагрева почв в широком диапазоне биомов [Hanson et al., 2017; O’Gorman et al., 2014], от лесов в умеренных и тропических зонах до тундры, торфяников, солончаков умеренного пояса и субарктических лугов (рис. 1). Эти усилия дают новое понимание реакции почвенного углерода, круговорота питательных веществ, растительности и почвенных микробов на потепление по всему профилю почвы. Например, недавние исследования показали более высокие потери углерода в почвах при потеплении в более глубоких слоях, чем в приповерхностных почвах в умеренных и субтропических лесах [Soong et al., 2021; Lin et al., 2018]. 

Рис. 1. Эксперименты по глубокому прогреванию почвы в сети DeepSoil 2100 распределены по всему миру, хотя в настоящее время все они находятся в Северном полушарии. Цветовая шкала указывает плотность органического углерода почвы (SOC) (в метрических тоннах на гектар) в слое почвы толщиной от 0 до 30 сантиметров. Глобальные оценки SOC были взяты из работы Hiederer and Köchy [2012]. 

Синтезированные данные этих экспериментов обеспечат основу для более глубокого и целостного понимания сложных взаимодействий между атмосферой и сушей, тем самым повышая точность прогнозов того, как наземные экосистемы под различным управлением будут реагировать на изменение климата. 

Глобальная база данных и новые области синтеза 

Одним из первых результатов DeepSoil 2100 станет база данных, заполненная наблюдениями в ходе экспериментов по глубокому прогреванию почвы, показанных на рис. 1, и многих других, насколько это возможно. Эти наблюдения включают вызванные потеплением изменения в запасах углерода в почве, дыхании почвы, корневой биомассе, составе почвенного микробного сообщества и многих других компонентах почвенной экосистемы. Участники встреч в 2023 году обсудили приоритеты для базы данных, которая будет включать оптимизированный конвейер ввода данных, адаптируемую и понятную структуру данных, а также доступный интерфейс, позволяющий пользователям легко извлекать данные. 

Приоритеты базы данных также включают открытый доступ и совместимость с существующими базами данных по углероду в почве. Для оптимизации взаимодействия авторы следуют моделям данных и шаблонам из последних успешных баз данных, таких как Международная база данных по радиоуглероду в почве (ISRAD), база данных по гармонизации данных о почвах (SoDaH) и база данных Международной сети по углероду в почве (ISCN) [например, Malhotra et al., 2019]. 

После встреч была создана предварительная база данных с подробной информацией о текущих экспериментах по глубокому прогреванию почвы, включая их местонахождение, подходы к прогреванию, продолжительность и глубину (включая расстояние от поверхности, горизонты почвы и плотность укоренения), а также параметры окружающей среды, такие как климат, почвы и растительность. Следующим шагом будет запрос исходных данных этих экспериментов после заключения соглашения об обмене данными. 

Участники встречи также обсудили, как новая база данных будет способствовать синтезу исследований и метаанализу, сравнению модельных данных, объединению прогнозов модели с данными для уточнения прогнозов и проверке гипотез с использованием полного массива доступных данных о глубоком потеплении почвы (рис. 2). Широкий спектр экосистем, охваченных экспериментальными данными в базе данных, позволит учёным оценить глобальные закономерности и движущие силы реакции на потепление почвы, одновременно выявляя ключевые различия и сходства между участками. Кроме того, учитывая продолжительность текущих экспериментов по потеплению глубоких слоёв почвы (более половины из которых проводятся уже более десяти лет), можно оценить, адаптируются ли экосистемные процессы к более высоким температурам, и сравнить краткосрочные и долгосрочные реакции на потепление почвы [например, Melillo et al., 2017; Walker et al., 2020]. 

Рис. 2. Первым крупным результатом сети DeepSoil 2100 станет глобальная база данных, собирающая данные наблюдений из существующих экспериментов по потеплению глубоких слоёв почвы. Эта база данных будет способствовать проведению синтеза и моделирования для решения ряда новых тем исследований, а также других видов деятельности. 

Синтетические исследования могут быть сосредоточены на том, как реакция круговорота углерода в почве внутри и между участками зависит от питательных веществ в почве и динамики влажности почвы. Повышение температуры может снизить влажность почвы и изменить доступность питательных веществ, и то и другое может изменить поведение ключевых компонентов углеродного цикла (например, растений и микробов) при длительном потеплении. Ещё одним механизмом, который следует учитывать, может быть сезонная и межгодовая изменчивость влажности почвы и питательных веществ. Например, ожидается, что дыхание почвы и валовая первичная продуктивность (скорость, с которой растения улавливают солнечную энергию во время фотосинтеза) будут наиболее чувствительны к потеплению во время сезонных переходов от засушливых условий к влажным, что, вероятно, обусловлено увеличением доступности азота. 

Синтез глобальных данных о глубоких почвах также будет полезен для получения понимания динамики и реакции на потепление почвенных организмов, ответственных за круговорот углерода и питательных веществ, стехиометрию растений и почвы (относительный баланс питательных веществ и других присутствующих элементов), а также надземную и подземную структуру поступления углерода. Все эти факторы в совокупности влияют на стабильность и состав почвенных экосистем, а также на плодородие почвы для растений. 

Другие синтетические исследования могут изучить глубинные реакции на потепление, включая изменения в производстве CO₂ в почве и запасах органического углерода в почве, а также изменения в химических компонентах органического вещества почвы и возрастном распределении углерода в почве по профилю почвы. Ожидается, что различная реакция на потепление почвы с глубиной будет зависеть от таких факторов, как влажность почвы, плотность корней, активность почвенной фауны и взаимодействие между органическим веществом почвы и её минералами. 

Изучение процессов в зонах укоренения по сравнению с процессами в насыпной почве на экспериментальных участках является ещё одной богатой областью для совместных исследований с помощью DeepSoil 2100. Почвенные субстраты и доступность питательных веществ различаются в зависимости от профиля почвы, а также изменения в подземном поступлении таких материалов, как корневые экссудаты (соединения, клетки корня), опосредуют многие микробные и почвенные процессы, потенциально влияя на долгосрочные реакции на потепление на глубине. Скоординированные полевые эксперименты с использованием изотопной маркировки могли бы дополнить такие исследования, например, для изучения того, как конкретные пулы углерода и питательных веществ изменяются с потеплением. Кроме того, лабораторные эксперименты по инкубации при контролируемой температуре могут быть полезны для выяснения процессов, ответственных за изменения, вызванные потеплением, фиксируемые во время полевых наблюдений. 

Призыв к междисциплинарным исследованиям глубоких слоёв и данным 

Для более глубокого понимания влияния климата и его изменения на подземную биогеохимию необходимы комплексные междисциплинарные исследования, включающие скоординированный отбор проб на разных экспериментальных площадках и на разных глубинах почвы. Участники сети DeepSoil 2100 проводят исследования в ряде биомов, но некоторые типы экосистем и географические регионы не представлены, например, экосистемы засушливых земель и экосистемы в Африке, Океании и Южном полушарии в целом (рис. 1). 

Поощряется проведение новых экспериментов по потеплению глубоких слоёв почвы, особенно в этих непредставленных областях, и авторы готовы предоставлять экспертные знания и поддержку исследователям, планирующим такие эксперименты, связывая их с учёными, участвующими в уже существующих усилиях. Также приветствуется присоединение к сети представителей текущих экспериментальных проектов, ещё не связанных с DeepSoil 2100. 

Междисциплинарное глобальное сотрудничество между экспериментаторами, учёными, работающими с данными, и разработчиками моделей является незаменимым. Благодаря такому сотрудничеству можно проводить комплексные исследования, разрабатывать стандартизированные протоколы для полевых и лабораторных экспериментов, а также достигать значительных успехов в построении точных моделей, позволяющих получить представление о динамике всей почвы и о том, как она меняется по мере нагревания земли. Только благодаря этим знаниям станет возможным адекватно адаптировать управление экосистемами в будущем. 

Проблемы в будущих исследованиях баз данных и синтеза могут возникнуть из-за различий в структурах данных и методологиях, используемых на экспериментальных площадках, но открытый диалог и совместное обучение, проводимые через сеть DeepSoil 2100, предоставляют возможности преодолеть эти препятствия. Объединяя данные нескольких экспериментов в единую стандартизированную базу данных, DeepSoil 2100 способствует обмену данными по всему миру и способствует более обоснованному принятию решений для устранения глубокого воздействия глобального потепления на почвенные процессы и, как следствие, на экосистемы и общество. 

Цитируемая литература

Bradford, M. A., et al. (2016), Managing uncertainty in soil carbon feedbacks to climate change, Nat. Clim. Change, 6(8), 751–758, https://doi.org/10.1038/nclimate3071.

Hanson, P. J., et al. (2017), Attaining whole-ecosystem warming using air and deep-soil heating methods with an elevated CO₂ atmosphere, Biogeosciences, 14(4), 861–883, https://doi.org/10.5194/bg-14-861-2017.

Hiederer, R., and M. Köchy (2012), Global Soil Organic Carbon Estimates and the Harmonized World Soil Database, Inst. for Environ. and Sustainability, Ispra, Italy, https://doi.org/10.2788/13267.

Jackson, R. B., et al. (2017), The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls, Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst., 48, 419–445, https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-112414-054234.

Lin, W., et al. (2018), Warming exerts greater impacts on subsoil than topsoil CO₂ efflux in a subtropical forest, Agric. For. Meteorol., 263, 137–146, https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.08.014.

Malhotra, A., et al. (2019), The landscape of soil carbon data: Emerging questions, synergies and databases, Prog. Phys. Geogr., 43(5), 707–719, https://doi.org/10.1177/0309133319873309.

Melillo, J. M., et al. (2017), Long-term pattern and magnitude of soil carbon feedback to the climate system in a warming world, Science, 358(6359), 101–105, https://doi.org/10.1126/science.aan2874.

O’Gorman, E. J., et al. (2014), Climate change and geothermal ecosystems: Natural laboratories, sentinel systems, and future refugia, Global Change Biol., 20(11), 3,291–3,299, https://doi.org/10.1111/gcb.12602.

Rumpel, C., and I. Kögel-Knabner (2011), Deep soil organic matter—A key but poorly understood component of terrestrial C cycle, Plant Soil, 338(1), 143–158, https://doi.org/10.1007/s11104-010-0391-5.

Soong, J. L., et al. (2020), CMIP5 models predict rapid and deep soil warming over the 21st century, J. Geophys. Res. Biogeosci., 125(2), e2019JG005266, https://doi.org/10.1029/2019JG005266.

Soong, J. L., et al. (2021), Five years of whole-soil warming led to loss of subsoil carbon stocks and increased CO₂ efflux, Sci. Adv., 7(21), eabd1343, https://doi.org/10.1126/sciadv.abd1343.

Walker, T. W. N., et al. (2020), A systemic overreaction to years versus decades of warming in a subarctic grassland ecosystem, Nat. Ecol. Evol., 4(1), 101–108, https://doi.org/10.1038/s41559-019-1055-3.

Yost, J. L., and A. E. Hartemink (2020), How deep is the soil studied—An analysis of four soil science journals, Plant Soil, 452(1–2), 5–18, https://doi.org/10.1007/s11104-020-04550-z.

Ссылка: https://eos.org/science-updates/how-are-deep-soils-responding-to-warming