Methane and carbon dioxide fluxes correlation according to automatic chamber observations at the Mukhrino bog ridge and hollow complex

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель: исследовать динамику удельных потоков парниковых газов (СО2 и СН4) в грядово-мочажинном олиготрофном болотном комплексе в подзоне средней тайги Западной Сибири с учетом их пространственной неоднородности под воздействием факторов внешней среды, выявить степень влияния метеорологических параметров на потоки парниковых газов, а также установить количественные зависимости между наблюдаемыми потоками углекислого газа и метана.

Методы: измерения потоков парниковых газов проводились с использованием камерной автоматической системы мониторинга с восемью прозрачными камерами и газоанализатором для анализа концентраций CO₂, CH₄ и H₂O.

Результаты: получены оценки средних значений потоков СО2 и СН4 с поверхности болота; показаны различия в функционировании гряды и мочажины: медианные значения потока СО2 свидетельствуют о большем его поглощении на гряде (-74.4 мгСО2/м2/ч), чем на мочажине (-52.7 мгСО2/м2/ч); потоки метана на гряде (0.08 мгСН4/м2/ч) в среднем в 20 раз меньше, чем на мочажине (2.76 мгСН4/м2/ч). Выявлены корреляционные зависимости потоков парниковых газов с факторами среды: наибольшие связи выявлены с интенсивностью приходящей солнечной (r = -0.84 ÷ -0.91), фотосинтетически активной радиации (r = -0.85 ÷ -0.92), температурой (r = -0,51 ÷ -0,63) и относительной влажностью воздуха (r = +0.56 ÷ +0.62).

Выводы: на основе данных пространственной и временной вариабельности потоков исследованы взаимосвязи между удельными потоками парниковых газов. Корреляционные связи между потоками парниковых газов отличаются в ночное и дневное время, что напрямую связано с внешними факторами.

Об авторах

E. A. Dyukarev

Югорский государственный университет; Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: e_dyukarev@ugrasu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7019-4459
Россия, Ханты-Мансийск; Томск; Москва

E. E. Veretennikova

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН; Сибирский государственный медицинский университет

Email: lena2701@yandex.ru
Россия, Томск; Томск

A. F. Sabrekov

Югорский государственный университет

Email: misternickel@mail.ru
Россия, Ханты-Мансийск

A. A. Kulik

Югорский государственный университет

Email: k.artem.a@yandex.ru
SPIN-код: 3435-7765
Россия, Ханты-Мансийск

E. A. Zarov

Югорский государственный университет

Email: zarov.evgen@yandex.ru
SPIN-код: 2765-5532
Россия, Ханты-Мансийск

Список литературы

  1. Alekseychik P., Korrensalo A., Mammarella I., Launiainen S., Tuittila E.-S., Korpela I., Vesala T. 2021. Carbon balance of a Finnish bog: temporal variability and limiting factors based on 6 years of eddy-covariance data. Biogeosciences, 18: 4681–4704. doi: 10.5194/bg-18-4681-2021.
  2. Alekseychik P., Mammarella I., Karpov D., Dengel S., Terentieva I., Sabrekov A., Glagolev M., Lapshina, E. Net ecosystem exchange and energy fluxes measured with the eddy covariance technique in a Western Siberian bog. Atmos. Chem. Phys., 17: 9333–9345. doi: 10.5194/acp-17-9333-2017.
  3. Bellisario L.M., Bubier J.L., Moore T.R. 1999. Controls on CH4 emissions from a northern peatland. Global Biogeochemical Cycles, 13: 81–91.
  4. Chanton J.P., Bauer J.E., Glaser P.A., Siegel D.I., Kelley C.A., Tyler S.C., Romanowicz E.H., Lazrus A. 1995. Radiocarbon evidence for the substrates supporting methane formation within northern Minnesota peatlands. Geochimica et Cosmochimica Acta, 59: 3663-3668.
  5. Climate Change. 1990. The IPCC scientific assessment. Contribution of Working Group I to the First Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 365 p.
  6. Cui S., Liu P., Guo H., Nielsen C.K., Pullens J.W.M., Chen Q., Pugliese L., Wu, S. 2024. Wetland hydrological dynamics and methane emissions. Communications Earth & Environment, 5(1): 470.
  7. Dorodnikov M., Knorr K.-H., Kuzyakov Y., Wilmking M. 2011. Plant-mediated CH4 transport and contribution of photosynthates to methanogenesis at a boreal mire: a 14C pulse-labeling study. Biogeosciences, 8: 2365-2375. doi: 10.5194/bg-8-2365-2011
  8. Dunfield P., Dumont R., Moore, T.R., 1993. Methane production and consumption in temperate and subarctic peat soils: response to temperature and pH. Soil Biology and Biochemistry, 25(3): 321-326.
  9. Dyukarev E., Filippova N., Karpov D., Shnyrev N., Zarov E., Filippov I., Voropay N., Avilov V., Artamonov A., Lapshina E. 2021b. Hydrometeorological dataset of West Siberian boreal peatland: a 10-year record from the Mukhrino fieldstation. Earth System Science Data, 13(6): 2595-2605. doi: 10.5194/essd-13-2595-2021.
  10. Dyukarev E., Zarov E., Alekseychik P., Nijp J., Filippova N., Mammarella I., Filippov I., Bleuten W., Khoroshavin V., Ganasevich G., Meshcheryakova A., Vesala T., Lapshina E. 2021a. The multiscale monitoring of peatland ecosystem carbon cycling in the middle taiga zone of Western Siberia: the Mukhrino bog case study. Land, 10(8): 824. https://doi.org/10.3390/land10080824.
  11. Dyukarev E.A., Godovnikov E.A., Karpov D.V., Kurakov S.A., Lapshina E.D., Filippov I.V., Filippova N.V., Zarov E.A. 2019. Net Ecosystem Exchange, Gross Primary Production AndEcosystem Respiration In Ridge-Hollow Complex At Mukhrino Bog. Geography, Environment, Sustainability, 12(2): 227-244. doi: 10.24057/2071-9388-2018-77.
  12. Euskirchen E.S., Edgar C.W., Kane E.S., Waldrop M.P., Neumann R.B., Manies K.L., Douglas T.A., Dieleman C., Jones M.C., Turetsky M. R. 2024. Persistent net release of carbon dioxide and methane from an Alaskan lowland boreal peatland complex. Global Change Biology, 30: e17139. doi: 10.1111/gcb.17139.
  13. Farquhar, G.D., von Caemmerer, S., Berry, J.A. 1980. A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta, 149 (1): 78–90.
  14. Forster P., Storelvmo T., Armour K., Collins W., Dufresne J.-L., Frame D., Lunt D.J., Mauritsen T., Palmer M.D., Watanabe M., Wild M., Zhang H. 2021. The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., Connors S.L., Péan C., Berger S., Caud N., Chen Y., Goldfarb L., Gomis M.I., Huang M., Leitzell K., Lonnoy E., Matthews J.B.R., Maycock T.K., Waterfield T., Yelekçi O., Yu R., Zhou B. eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 923–1054. doi: 10.1017/9781009157896.009.
  15. Ge M., Korrensalo A., Laiho R., Kohl L., Lohila A., Pihlatie M., Li X., Laine A.M., Anttila J., Putkinen A., Wang, W. 2023. Plant-mediated CH4 exchange in wetlands: A review of mechanisms and measurement methods with implications for modelling. Science of the Total Environment, 169662.
  16. Glagolev M.V., Sabrekov A.F., Kazantsev V.S. 2010. Methods for measuring gas exchange at the soil/atmosphere interface. Publishing house of Tomsk State Pedagogical University, Tomsk, 96 p. (in Russian). [Глаголев М.В., Сабреков А.Ф., Казанцев В.С. 2010. Методы измерения газообмена на границе почва/атмосфера. – Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 96 с.].
  17. Green S. M., Baird A.J. 2012. A mesocosm study of the role of the sedge Eriophorum angustifolium in the efflux of methane—including that due to episodic ebullition—from peatlands. Plant Soil, 351, 207–218 doi: 10.1007/s11104-011-0945-1
  18. Greenup A.L., Bradford M.A., McNamara P.N., Ineson P., Lee J.A. 2000. The role of Eriophorum vaginatum in CH4 flux from an ombrotrophic peatland. Plant and Soil, 227: 265–272.
  19. Holmes, M. E., Crill, P. M., Burnett, W. C., McCalley, C. K., Wilson, R. M., Frolking, S. 2022. Carbon accumulation, flux, and fate in Stordalen Mire, a permafrost peatland in transition. Global Biogeochemical Cycles, 36: e2021GB007113. doi: 10.1029/2021GB007113.
  20. Ilyasov D.V., Meshcheryakova A.V., Glagolev M.V., Kupriianova I.V., Kaverin A.A., Sabrekov A.F., Kulyabin M.F., Lapshina E.D. 2023. Field-layer vegetation and water table level as a proxy of CO2 exchange in the West Siberian boreal bog. Land, 12, 566. doi: 10.3390/land12030566.
  21. Jentzsch K., Männistö E., Marushchak M.E., Korrensalo A., van Delden L., Tuittila E.S., Knoblauch C., Treat C.C. 2024. Seasonal controls on methane flux components in a boreal peatland–combining plant removal and stable isotope analyses. EGUsphere, 2024: 1-32.
  22. Joabsson A., Christensen T.R., Wallén B. 1999. Vascular plant controls on methane emissions from northern peatforming wetlands. Trends in Ecology and Evolution, 14: 385–388.
  23. King J.Y., Reeburgh W.S. 2002. A pulse-labeling experiment to determine the contribution of recent plant photosynthates to net methane emission in arctic wet sedge tundra, Soil Biology and Biochemistry, 34: 173–180.
  24. Kiselev M.V., Dyukarev E.A., Voropay N.N. 2019. SEASONALLY FROZEN LAYER OF PEATLANDS IN THE SOUTHERN TAIGA ZONE OF WESTERN SIBERIA. Earth's Cryosphere, XXIII(4): 3–15. (in Russian). [Киселев М.В., Дюкарев Е.А., Воропай Н.Н. 2019. Сезонно-мерзлый слой болот южно-таёжной зоны Западной Сибири // Криосфера Земли. Т. 23. № 4. С. 3-15.] doi: 10.21782/KZ1560-7496-2019-4(3-15).
  25. Kleptsova I.E., Glagolev M.V., Filippov I.V., Maksyutov S.S. 2010. Methane emission from middle taiga ridges and ryams of Western Siberia. Environmental Dynamics and Global Climate Change. 1(1): 66-76.
  26. Knox S.H., Bansal S., McNicol G., Schafer K., Sturtevant C., Ueyama M., Valach A.C., Baldocchi D., Delwiche K., Desai A.R., Euskirchen, E. 2021. Identifying dominant environmental predictors of freshwater wetland methane fluxes across diurnal to seasonal time scales. Global Change Biology, 27(15): 3582-3604.
  27. Korkiakoski M., Tuovinen J.-P., Aurela M., Koskinen M., Minkkinen K., Ojanen P., Penttilä T., Rainne J., Laurila T., Lohila A. 2017. Methane exchange at the peatland forest floor – automatic chamber system exposes the dynamics of small fluxes. Biogeosciences, 14:1947–1967. doi: 10.5194/bg-14-1947-2017.
  28. Korrensalo A., Mammarella I., Alekseychik P., Vesala T., Tuittila E.S. Plant mediated methane efflux from a boreal peatland complex. Plant Soil, 2022, 471: 375–392. doi: 10.1007/s11104-021-05180-9.
  29. Koskinen M., Minkkinen K., Ojanen P., Kämäräinen M., Laurila T., Lohila A. 2014. Measurements of CO2 exchange with an automated chamber system throughout the year: challenges in measuring night-time respiration on porous peat soil. Biogeosciences, 11: 347–363. doi: 10.5194/bg-11-347-2014.
  30. Krasnov O.A., Maksyutov S., Glagolev M.V., Kataev M.Yu., Inoue G., Nadeev A.I., Shelevoi V.D. 2013. Automated complex “Flux-NIES” for measurement of methane and carbon dioxide fluxes. Atmospheric and Oceanic Optics. 26(12): 1090-1097 (in Russian). [Краснов О.А., Maksyutov S., Глаголев М.В., Катаев М.Ю., Inoue G., Надеев А.И., Шелевой В.Д. 2013. Автоматизированный комплекс «FLUX-NIES» для измерения потоков метана и диоксида углерода // Оптика атмосферы и океана. Т. 26. №. 12. С. 1090-1097].
  31. Kulik A.A., Zarov E.A. 2023. The influence of the hydrometeorological factors on the CO2 fluxes from the oligotrophic bog surface. Environmental Dynamics and Global Climate Change. 14(4): 249-263.
  32. Kupriianova I.V., Kaverin A.A., Filippov I.V., Ilyasov D.V., Lapshina E.D., Logunova E.V., Kulyabin M.F. 2022. The main physical and geographical characteristics of the Mukhrino field station area and its surroundings. Environmental Dynamics and Global Climate Change, 13(4): 215-252.
  33. Lai D. Y.E., Roulet N.T., Moore T.R. 2014. The spatial and temporal relationships between CO2 and CH4 exchange in a temperate ombrotrophic bog. Atmospheric Environment, 89: 249-259. doi: 10.1016/j.atmosenv.2014.02.034.
  34. Li N., Shao J., Zhou G., Zhou, L. Du, Z., Zhou X. 2022. Improving estimations of ecosystem respiration with asymmetric daytime and nighttime temperature sensitivity and relative humidity. Agricultural and Forest Meteorology, 312: 108709.
  35. Long K.D., Flanagan L.B., Cai T. 2010. Diurnal and seasonal variation in methane emissions in a northern Canadian peatland measured by eddy covariance. Global change biology, 16(9): 2420-2435.
  36. Marschner H. 1995. Mineral Nutrition of Higher Plants 2nd edn. Academic Press, London. 889 p.
  37. Murphy M.T., Moore T.R. 2010. Linking root production to aboveground plant characteristics and water table in a temperate bog. Plant and Soil, 336: 219-231.
  38. Olson D.M., Griffis T.J., Noormets A., Kolka R., Chen J. 2013. Interannual, seasonal, and retrospective analysis of the methane and carbon dioxide budgets of a temperate peatland. Journal of Geophysical Research Biogeoscience, 118: 226–238. doi: 10.1002/jgrg.20031.
  39. Petrescu, A.M.R., Lohila, A., Tuovinen, J.P., Baldocchi, D.D., Desai, A.R., Roulet, N.T., Vesala, T., Dolman, A.J., Oechel, W.C., Marcolla, B. and Friborg, T., 2015. The uncertain climate footprint of wetlands under human pressure. Proc. of the National Academy of Sciences, 112(15), 4594-4599. doi: 10.1073/pnas.1416267112.
  40. Potter C.S. 1997. An ecosystem simulation model for methane production and emission from wetlands. Global Biogeochemical Cycles, 11(4): 495-506.
  41. Poulter B., Fluet-Chouinard E., Hugelius G., Koven C., Fatoyinbo L., Page S.E., Rosentreter J.A., Smart L.S., Taillie, P.J. Thomas N., Zhang Z., Wijedasa L.S. 2021. A Review of global wetland carbon stocks and management challenges. In: Wetland carbon and environmental management (eds Krauss K.W., Zhu Z., Stagg C.L.). doi: 10.1002/9781119639305.ch1.
  42. Reichstein M., Falge E., Baldocchi D., Papale D., Aubinet M., Berbigier P., Bernhofer C., Buchmann N., Gilmanov T., Granier A., Grünwald T. 2005. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm. Global change biology, 11(9): 1424-1439.
  43. Roulet N.T., Lafleur P.M., Richard P.J.H., Moore T.R., Humphreys E.R., Bubier J. 2007. Contemporary carbon balance and late Holocene carbon accumulation in a northern peatland. Global Change Biology, 13: 397–411.
  44. Sabrekov A.F., Kleptsova I.E., Glagolev M.V., Maksyutov Sh.Sh., Machida T. 2011. Methane emission from middle taiga oligotrophic hollows of Western Siberia. Tomsk State Pedagogical University Bulletin, (107): 135-143.
  45. Saunois, M., Martinez, A., Poulter, B., Zhang, Z., Raymond, P., Regnier, P., Canadell, J. G., Jackson, R. B., Patra, P. K., Bousquet, P., Ciais, P., Dlugokencky, E. J., Lan, X., Allen, G. H., Bastviken, D., Beerling, D. J., Belikov, D. A., Blake, D. R., Castaldi, S., Crippa, M., Deemer, B. R., Dennison, F., Etiope, G., Gedney, N., Höglund-Isaksson, L., Holgerson, M. A., Hopcroft, P. O., Hugelius, G., Ito, A., Jain, A. K., Janardanan, R., Johnson, M. S., Kleinen, T., Krummel, P., Lauerwald, R., Li, T., Liu, X., McDonald, K. C., Melton, J. R., Mühle, J., Müller, J., Murguia-Flores, F., Niwa, Y., Noce, S., Pan, S., Parker, R. J., Peng, C., Ramonet, M., Riley, W. J., Rocher-Ros, G., Rosentreter, J. A., Sasakawa, M., Segers, A., Smith, S. J., Stanley, E. H., Thanwerdas, J., Tian, H., Tsuruta, A., Tubiello, F. N., Weber, T. S., van der Werf, G., Worthy, D. E., Xi, Y., Yoshida, Y., Zhang, W., Zheng, B., Zhu, Q., Zhu, Q., and Zhuang, Q. 2024. Global Methane Budget 2000–2020, Earth Syst. Sci. Data Discuss. [preprint]. doi: 10.5194/essd-2024-115, in review.
  46. Shaver G.R., Kummerow J. 1992. Phenology, resource allocation, and growth of arctic vascular plants. In: Arctic ecosystems in a changing climate. An ecophysiological perspective (eds Chapin III F.S., Jefferies R.L., Reynolds J.F., Shaver G.R., Svoboda J.), Academic Press, Inc., San Diego. pp. 193-211.
  47. Ström L., Tagesson T., Mastepanov M., Christensen T.R. 2012. Presence of Eriophorum scheuchzeri enhances substrate availability and methane emission in an Arctic wetland Lena. Soil Biology & Biochemistry, 45: 61-70. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.09.005.
  48. Veretennikova E.E., Dyukarev E.A. 2021. Comparison of methane fluxes of open and forested bogs of the southern taiga zone of Western Siberia. Boreal Environment Research, 26: 43-59. doi: 10.5281/zenodo.4718848.
  49. VNIIGMI-MTsD. 2024. Federal State Budgetary Institution «All-Russian Research Institute of Hydrometeorological Information – World Data Center. http://meteo.ru/data (date accessed: 07.09.2024). (in Russian). [ВНИИГМИ-МЦД, 2024. Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных. http://meteo.ru/data (дата обращения: 07.09.2024)].
  50. Waddington J.M., Roulet N.T., Swanson R.V. 1996. Water table control of CH4 emission enhancement by vascular plants in boreal peatlands. Journal of Geophysical Research, 101: 22775–22785.
  51. Whiting G.J., Chanton J.P. 1993. Primary production control of methane emission from wetlands. Nature, 364: 794–795.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Внешний вид камерной автоматизированной системы мониторинга потоков парниковых газов КАСМ8 (а) и одной из измерительных камер (б). Схема размещения камер на ГМК (в), 0 – модуль управления КАСМ8, желтыми кружками обозначены места размещения измерительных камер 1-8.

Скачать (827KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Потоки углекислого газа (а, б) и метана (в, г) по камерным измерениям с 28 мая по 3 июня 2023 г. на мочажине (а, в) и гряде (б, г). Камеры 1-4 – мочажина (а, в), камеры 5-8 – гряда (б, г).

Скачать (555KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Взаимосвязь удельных потоков СО2 (а, б), СН4 (в, г) и интенсивности приходящей фотосинтетически активной радиации. Камеры 1-4 – мочажина (а, в), камеры 5-8 – гряда (б, г).

Скачать (577KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Взаимосвязь между удельными потоками СО2 и СН4. Камеры 1-4 – мочажина (а), камеры 5-8 – гряда (б). Линиями показана аппроксимация данных линейной зависимостью.

Скачать (387KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Коэффициент корреляции Спирмана удельных потоков СН4 и СО2 со сдвигом dt. Камеры 1-4 – мочажина (а), камеры 5-8 – гряда (б).

Скачать (205KB)
Метаданные

© Dyukarev E.A., Veretennikova E.E., Sabrekov A.F., Kulik A.A., Zarov E.A., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».