Interannual variability and climatic determination of carbon balance in spring barley agroecosystems on sod-podzolic soils of the southern taiga

Abstract

In the context of global climate transformation and the implementation of national low-carbon development strategies, precise assessment of the sequestration potential of agroecosystems is a critical task. This study analyzes the interannual dynamics of carbon dioxide fluxes (NEE, GPP, Reco) in spring barley (Hordeum vulgare L.) agroecosystems on sod-podzolic soils in the southern taiga zone (Moscow region). The research is based on Eddy Covariance measurements obtained during growing seasons with contrasting hydrothermal conditions (2013, 2016, and 2023). A non-linear response of carbon exchange to climatic drivers was revealed: while the maximum gross primary production was recorded in the warmest year, 2016 (GPP=775 g Cm−2), the record net uptake occurred in 2013 (NEE=−245 g Cm−2) under optimal moisture conditions. It was established that the determining factors for productivity are the moisture regime and the proportion of diffuse radiation, rather than heat supply alone. A pattern of decreasing carbon exchange efficiency (GPP:Reco ratio) from 2.27 in moderately productive years to 1.25 in highly productive seasons was discovered, indicating an outstripping growth of ecosystem respiration during the intensification of assimilation processes. The results are of fundamental importance for the verification of carbon cycle models and the development of regional greenhouse gas monitoring systems

References

1.    Замолодчиков Д.Г., Валентини Р. Климатические изменения в России: прошлое, настоящее и будущее // Лес и климат / Отв. ред. Д.Г. Замолодчиков. М., 2020. С. 45–58.
2.    Карелин Д.В.,Замолодчиков Д.Г., Краев Г.Н. и др. Межгодовые изменения ФАР и влажности почвы определяют величину нетто-обмена СО2 в экосистемах кустарничковой тундры (Чукотка) // Журнал общей биологии. 2013. Т. 74, № 1. С. 11–23.
3.    Карелин Д.В., Азовский А.И., Куманяев А.С. и др. Значение пространственного и временного масштаба при анализе факторов эмиссии СО2 из почвы в лесах Валдайской возвышенности // Лесоведение. 2019. № 1. С. 29–37. https://doi.org/10.1134/S0024114819010078
4.    Кудеяров В.Н., Курганова И.Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, общие оценки // Почвоведение. 2005. № 9. С. 1112–1121.
5.    Курганова И.Н.,Лопес де Гереню В.О.,ШвиденкоА.З. и др. Изменение запасов органического углерода в почвах залежных земель России в 1990–2004 гг. // Почвоведение. 2010. № 3. С. 361–368.
6.    Курганова И.Н.,Лопес де Гереню В.О., Хорошаев Д.А. и др. Анализ многолетней динамики дыхания почв в лесном и луговом ценозах Приокско-Террасного биосферного заповедника в свете современных климатических трендов // Почвоведение. 2020. № 10. С. 1220–1236. DOI: 10.31857/S0032180X20100111
7.    Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Мякшина Т.Н. и др. Температурная чувствительность дыхания почв луговых ценозов в зоне умеренно-континентального климата: анализ данных 25-летнего мониторинга // Почвоведение. 2023. № 9. С. 1059–1076. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600476
8.    Куричева О.А., Авилов В.К., Варлагин А.В. и др. Мониторинг экосистемных потоков парниковых газов на территории России: сеть RuFlux // Известия РАН. Сер. географическая. 2023. Т. 87, № 4. С. 512–535. https://doi.org/10.31857/S2587556623040052
9.    Лопес де Гереню В.О., Курганова И.Н., Хорошаев Д.А. Влияние контрастных режимов увлажнения на эмиссию СО2 из серой лесной почвы под сеяным лугом и чистым паром // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1244–1258.https://doi.org/10.1134/S0032180X18100039
10.    Люри Д.И., Горячкин С.В., Караваева Н.А. и др. Динамика сельскохозяйственных земель России в XX веке и постагрогенное восстановление растительности и почв. М., 2010. 415 с.
11.    Смагин А.В., Карелин Д.В. О влиянии ветра на газообмен почвы и атмосферы // Почвоведение. 2021. № 3. С. 337–348. https://doi.org/10.31857/S0032180X21030138
12.    Суховеева О.Э., Золотухин А.Н., Карелин Д.В.Климатообусловленные изменения запасов органического углерода в пахотных черноземах Курской области // Аридные экосистемы. 2020. Т. 26, № 2(83). С. 72–79. https://doi.org/10.24411/1993-3916-2020-10098
13.    Хорошаев Д.А., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О. Оценка отклика гетеротрофного почвенного дыхания на режим выпадения летних осадков и разную глубину снежного покрова в условиях умеренно-континентального климата // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1400–1417. https://doi.org/10.31857/S0032180X23600749
14.    Allen M., Dube O.P., Solecki W. et al. Special report: Global warming of 1.5 C. // Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 2018. Vol. 677,№ 393.P. 49–92.
15.    Aubinet M., Vesala T., Papale D. (Eds.) Eddy Covariance: A Practical Guide to Measurement and Data Analysis. Springer Atmospheric Sciences, 2012. 438 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2351-1
16.    Baldocchi D.D. Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: past, present and future // Global Change Biology. 2003. Vol. 9, № 4. P. 479–492. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2003.00629.x
17.    Durand M., Murchie E.H., Lindfors A.V. et al. Diffuse solar radiation and canopy photosynthesis in a changing environment // Agricultural and Forest Meteorology. 2021. Vol. 311. С. 108684. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2021.108684
18.    Emmel C., D′Odorico P., Revill A. et al. Canopy photosynthesis of six major arable crops is enhanced under diffuse light due to canopy architecture // Global Change Biology. 2020. Vol. 26, № 9. С. 5164–5177. https://doi.org/10.1111/gcb.15226
19.    Kljun N., Calanca P., Rotach M.W. et al. A simple two-dimensional parameterisation for Flux Footprint Prediction (FFP) // Geoscientific Model Development. 2015. Vol. 8, № 11. P. 3695–3713. https://doi.org/10.5194/gmd-8-3695-2015
20.    Kumari S., Kambhammettu B.V.N.P., Adams M.A. et al. Analysis of flux footprints in fragmented, heterogeneous croplands // Meteorology and Atmospheric Physics. 2024. Vol. 136, № 2. С. 9. https://doi.org/10.1007/s00703-023-01004-w
21.    Lasslop G., Reichstein M., Papale D. et al. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation // Global Change Biology. 2010. Vol. 16, № 1. P. 187–208. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2009.02041.x
22.    Papale D., Reichstein M., Aubinet M. et al. Towards a standardized processing of Net Ecosystem Exchange measured with eddy covariance technique: algorithms and uncertainty estimation // Biogeosciences. 2006. Vol. 3, № 4. P. 571–583.https://doi.org/10.5194/bg-3-571-2006
23.    Reichstein M., Falge E., Baldocchi D. et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm // Global Change Biology. 2005. Vol. 11, № 9. P. 1424–1439.https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2005.001002.x
24.    Webb E.K., Pearman G.I., Leuning R. Correction of flux measurements for density effects due to heat and water vapour transfer // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1980. Vol. 106. P. 85–100. DOI: 10.1002/qj.49710644707
25.    Wiesner S., Desai A.R., Duff A.J. et al. Quantifying the natural climate solution potential of agricultural systems by combining eddy covariance and remote sensing // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2022. Vol. 127, № 9. С. e2022JG006895. https://doi.org/10.1029/2022JG006895
26.    Wutzler T., Lucas-Moffat A., Migliavacca M. et al. Basic and extensible post-processing of eddy covariance flux data with REddyProc // Biogeosciences. 2018. Vol. 15, № 16. С. 5015–5030. https://doi.org/10.5194/bg-15-5015-2018
27.    Zhou Y., Wu X., Ju W. et al. Global parameterization and validation of a two‐leaf light use efficiency model for predicting gross primary production across FLUXNET sites // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2016. Vol. 121, № 4. С. 1045–1072. https://doi.org/10.1002/2014JG002876