Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

КАРТА БОЛОТ ТАЙГИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭМИССИИ МЕТАНА

Терентьева И.Е.1, Глаголев М.В. 1,2,3, Сабреков А.Ф.3, Максютов Ш.Ш.4

1 Томский государственный университет, Томск, Россия

kleptsova@gmail.com

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

m_glagolev@mail.ru

3 Институт лесоведения РАН, пос. Успенское (Московская обл.), Россия

sabrekovaf@gmail.com

4 National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan shamil@nies.go.jp

Аннотация: для получения оценки эмиссии метана была создана типологическая карта болот тайги Западной Сибири по спутниковым снимкам Landsat. Итоговая точность определения различных классов составила 79%. Площадь болотных и водных ландшафтов была оценена в 54.5 Мга, а поток метана – в 4.08 МтСН4/год.

1. Введение

Изучение потоков CH4 особенно актуально в Западной Сибири (ЗС) – одном из самых заболоченных регионов мира. Недавние исследования показали, что при оценке регионального потока существенную неопределенность вносит используемая картографическая основа (Melton et al., 2013). Целью данной работы явилось получение региональной оценки эмиссии метана из таежных болот ЗС на основании вновь созданной карты болотных ландшафтов.

2. Объекты и методы

Для оценки регионального потока CH4 использовалась модель эмиссии (Glagolev et al., 2011). Она включает три основных элемента для каждой подзоны: 1) продолжительность периода эмиссии метана, 2) медианы потоков метана из типичных болотных экосистем, 3) площади различных болотных комплексов и соотношения экосистем в них. Вычисления первого элемента были выполнены на основании данных по сезонной динамике эмиссии. Второй элемент был получен на основании данных полевых измерений, выполненных методом статических камер. Для получения третьего элемента была создана типологическая карта болот с помощью спутниковых снимков Landsat с разрешением 30 метров. Дешифрирование проводилось посценно с помощью Multispec v.3.3 (Purdue Research Foundation) методом классификации с обучением на основании данных всех каналов за исключением теплового. Эталонные участки задавались на основании данных полевых исследований и спутниковых снимков высокого разрешения. Было разработано две типологии, включающие: 1) 9 болотных комплексов (на основании этой типологии проводилось дешифрирование), 2) 7 болотных экосистем (с помощью этой типологии проводилась экстраполяция потоков CH4). Соотношения болотных экосистем в болотных комплексах вычислялись с помощью спутниковых снимков высокого разрешения.

3. Результаты и обсуждение

Площадь болотных и водных ландшафтов тайги ЗС была оценена в 54.5 Мга (или 48.4 Мга без учета водных поверхностей). Площади различных типов болотных экосистем четырех подзон тайги ЗС представлены в таблице 1. Общая заболоченность подзон тайги составляет 29% и варьировала от 8% на юге до 36% на севере.

Болота тайги ЗС занимают 6% площади мировых болот (Melton et al., 2013). Что касается сравнения с существующими инвентаризациями по ЗС, близкие значения площадей

178

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

были получены в работах Вомперского с соавт. (1999), Sheng et al. (2004), а также по карте Романовой с соавт. (1977) и ее цифровой версии (Peregon et al., 2009). Сходные значения площадей болот говорят (с учетом различных методик создания) об общей близости оценок к истинному значению. Поскольку они могут быть объяснены компенсацией ошибок омиссии и комиссии, оно не говорит о нахождении истинного пространственного распределения.

Итоговая точность определения различных классов была оценена с помощью простой матрицы ошибок (Congalton and Green, 2008) на основании 1082 случайно распределенных полигонов размером 10х10 пикселей. Показатели точности пользователя и точности производителя варьировали от 73% до 97% и от 62% до 99%, соответственно. Итоговая точность определения различных классов была оценена в 79%.

Мы сравнили оценки региональной эмиссии на основании двух карт – ранее используемой карты Peregon et al. (2009) и новой типологической карты. При этом применялся один и тот же набор данных о потоках, полученных за период с 2008 по 2013 гг. Использование новой карты болотных ландшафтов увеличило оценку потока из болот тайги с 1.85 до 4.08 МтСН4/год, т.е. на 121%. Основной причиной этого стало изменившееся соотношение “обводненных” (мочажины) и “необводненных” (рямы и гряды) типов болотных экосистем, принципиально различающихся по уровню эмиссии метана.

Таблица 1 – Площади и потоки СН4 из болотных экосистем тайги ЗС (ОбМ – обводненные мочажины, ОлМ – олиготрофные мочажины, ММ – мезо и эвтрофные мочажины, МБ – мерзлые бугры; Area – площадь болот, Мга; Flux – поток, ктСН4/год)

Литература

Congalton R.G., Green K. Assessing the accuracy of remotely sensed data: principles and practices. - New York: CRC press, 2008. – 180p.

Glagolev M., Kleptsova I., Filippov I., Maksyutov S., Machida T. Regional methane emission from West Siberia mire landscapes // Environmental Research Letters. - 2011. - V. 6. - № 4. - P.045214.

Melton J.R., Wania R., Hodson E.L., Poulter B., Ringeval B., Spahni R., ... Kaplan J.O. Present state of global wetland extent and wetland methane modelling: conclusions from a model inter-comparison project (WETCHIMP) // Biogeosciences. - 2013. - V. 10. - № 2. - P.753-788.

Peregon A., Maksyutov S., Yamagata Y. An image-based inventory of the spatial structure of West Siberian wetlands // Environmental Research Letters. - 2009. - V. 4. - № 4. - P.045014.

Sheng Y., Smith L.C., MacDonald G.M., Kremenetski K.V., Frey K.E., Velichko, A.A., ... Dubinin, P. A highresolution GIS-based inventory of the west Siberian peat carbon pool // Global Biogeochemical Cycles. - 2004. - V. 18. - № 3.

Вомперский С., Цыганова О., Ковалев А., Глухова Т., Валяева Н. Заболоченность территории России как фактор связывания атмосферного углерода / Круговорот углерода на территории России. Под ред Г.А. Заварзина. - 1999. - C.124-145.

Романова Е.А., Быбина Р.Т., Голицина Е.Ф., Иванова Г.М., Усова Л.И., Трушникова Л.Г. Типологическая карта болот Западно-Сибирской равнины. - Масштаб 1:2 500 000. - Ленинград: ГУГК, 1977.

179

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

РАЗВИТИЕ КРУГОВОРОТА УГЛЕРОДА В ХОДЕ ЗАЛЕЖНОЙ СУКЦЕССИИ

Титлянова А.А.1, Самбуу А.Д.2, Шибарева С.В.1

1 Институт почвоведения и агрохимии СО РА, Новосибирск, Российская Федерация

argenta@issa.nsc.ru

2 Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, Кызыл, Российская Федерация

sambuu@mail.ru

Аннотация: В Туве на трех залежах (4-ый,7-ой, 11-ый и 17-ый годы), а также в коренных степях оценивали видовой состав фитоценозов и запасы различных фракций накопившего растительного вещества (РВ). Видовой состав фитоценозов выходит на стационарный уровень раньше, чем запасы РВ. Чем старше сукцессия, тем бóльшая доля фитомассы (89-95%) сосредоточена в живых и мертвых подземных органах. В степях биотический круговорот определяет скорость сукцессии и устойчивость экосистемы.

Насколько тесно растения и почва связаны с биотическим круговоротом наиболее четко проявляется в ходе сукцессии. Круговорот углерода отвечает на каждый шаг сукцессии, и только установившееся количественное постоянство фракций фитомассы свидетельствует о достижении сукцессией стационарного состояния.

Нами исследовалась залежная сукцессия в Туве, на полях, которые ранее были степями. Они одновременно прошли распашку, посев пшеницы и были одномоментно заброшены в 1994 г. Нам удалось найти ряд залежей, чьими предшественниками были луговые, настоящие, сухие и опустыненные степи.

В качестве иллюстрации мы выбрали залежи луговой степи на черноземе обыкновенном, сухой на каштановой почве и опустыненной на светло каштановой почве. Наблюдения проводились на 4,7,11 и 17-ый годы сукцессии, одновременно исследовались терминальные степи (таблица 1).

Таблица 1 – Характеристика залежей

К семнадцати годам видовая и доминантная структура трех выбранных залежей отличается по своей близости к терминальным сообществам. В формирующейся луговой степи на обыкновенном черноземе 80% видов являются терминальными. Фитоценоз залежи на каштановой почве имеет весь набор терминальных видов сухой степи, но еще включает виды, не свойственные сухим степям. Залежь на светло каштановой почве представляет собой и по доминантному и по видовому составам вариант опустыненной степи (таблица 2).

Чем суше и жестче условия существования, тем быстрее идет сукцессия к терминальному состоянию. Скорость формирования биотического круговорота хорошо иллюстрируется изменением различных фракций фитомассы (рисунок).

180

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

Рисунок – Изменение соотношения фракций фитомассы (обозначения фракций такие же как в таблице 2)

Общее направление круговорота в ходе сукцессии – снижение надземной и увеличение подземной фитомассы. Быстрее всего этот процесс происходит на залежи опустыненной степи. На 11-ый год сукцессии масса подземных органов составляла около 90% всей фитомассы, на 17-ый год – 95%. В луговой степи их доля не превышала 60%.

Таблица 2 – Структура растительного вещества в сукцессионных и терминальных степных экосистемах. Обеззоленное вещество, г/м2, для корней в слое почвы 0-20 см

181

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

Наши исследования показали, что залежный фитоценоз, подобный по видовому составу природной степи, возникает раньше, чем в данной экосистеме достигается стационарное состояние круговорота. Видимо основные изменения фитоценоза на отрезке времени t1 – t2 (где t1 – время достижения травостоем залежи видовой структуры коренной степи, а t2 – время достижения биотическим круговоротом стационарного состояния) – это количественные изменения в подземном ярусе фитоценоза. К этим изменениям относятся вертикальное и горизонтальное размещение корней и корневищ в почве, смена их

доминирования, установление равновесия в системе живые подземные органы → их

отмирание – подземные растительные остатки → их минерализация.

Можно, конечно, судить о растительном сообществе по надземной видовой структуре, но надо помнить, что травостой – это лишь один из компонентов биотического круговорота, в который входят и другие компоненты, и многочисленные связи между ними.

182