Основной целью проведенного исследования было получение новых экспериментальных данных о потоках диоксида углерода (CO2) и метана (CH4) у поверхности почвы на береговом залесенном участке карбонового полигона в Краснодарском крае. Измерения потоков проводились с помощью переносной мобильной камеры и портативного инфракрасного газоанализатора LI-7810 (LI-COR, США) в ходе интенсивных полевых компаний с июня 2022 года по апрель 2023 года. Измерения показали значительную временную и пространственную изменчивость потоков CO2 и CH4 у поверхности почвы. На протяжении всего периода измерений почвенный покров на экспериментальном участке служил устойчивым источником CO2 в атмосферу и поглотителем CH4 из атмосферы. Максимальные скорости эмиссии СО2 и поглощения CH4 почвой отмечались в июне 2022 года. Выявлена нелинейная зависимость потоков CO2 и CH4 от температуры и влажности почвы. The aim of the study was to obtain new experimental data on carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) fluxes at the soil surface in the coastal forest area of the carbon supersite in the Krasnodar region. CO2 and CH4 fluxes were measured using a portable mobile chamber and a LI-7810 portable infrared gas analyzer (LI-COR, USA) during intensive field campaigns from June 2022 to April 2023. The measurements revealed significant temporal and spatial variability of CO2 and CH4 fluxes at the soil surface. The results indicate that during the period of flux measurements, the soil surface at the experimental site served as a steady source of CO2 into the atmosphere and a sink for CH4 from the atmosphere. The highest rates of CO2 emission and CH4 uptake were observed in June 2022. A non-linear dependence of CO2 and CH4 fluxes on soil temperature and moisture was revealed.

Актуальность работы. Основные используемые на данный момент методы измерения потоков парниковых газов в полевых условиях, такие как метод экспозиционных камер и метод турбулентных пульсаций, имеют ряд методических ограничений. Это затрудняет их широкое использование на местности с неоднородной подстилающей поверхностью, особенно в горных регионах. Поэтому весьма актуальной является задача разработки новой рабочей методики для оценки потоков парниковых газов, применимой над поверхностями со сложным рельефом и неоднородной растительностью, основанной на методах дистанционного зондирования и математическом моделировании. Цель работы заключается в формулировке методики оценки потоков парниковых газов на основе данных измерений концентрации парниковых газов на двух уровнях над поверхностью и применения трехмерной гидродинамической модели турбулентного переноса парниковых газов. Также цель работы включает исследование репрезентативности предложенной методики. Методы исследования. С помощью разработанной ранее гидродинамической модели, модифицированной для учета влияния рельефа, оценивается коэффициент турбулентного обмена для парниковых газов и поле скорости ветра. При наличии измеренных полей концентрации парникового газа на двух уровнях над поверхностью (например, с помощью БПЛА) и модельных данных для коэффициента турбулентности и скорости ветра поток парникового газа оценивается по предложенной в работе приближенной формуле, включающей в себя аппроксимацию вертикального турбулентного и адвективного потоков. Приближенная формула может также использоваться как начальное приближение при решении обратной задачи оценки потока парникового газа, также сформулированной в работе. Результаты работы. На основе ряда численных экспериментов, проведенных для лесного участка карбонового полигона в Рошни-Чу (Чеченская республика) и предложенной в работе аналитической оценки получено распределение потоков CO2 над кронами деревьев, проведено их сравнение с теоретически ожидаемым распределением, а также найдены оптимальные уровни над поверхностью для проведения измерений концентрации парниковых газов.

Основные используемые на данный момент методы измерения потоков парниковых газов в полевых условиях, такие как метод экспозиционных камер и метод турбулентных пульсаций, имеют ряд методических ограничений. Это затрудняет их широкое использование на местности с неоднородной подстилающей поверхностью, особенно в горных регионах. Поэтому весьма актуальной является задача разработки новой рабочей методики для оценки потоков парниковых газов, применимой над поверхностями со сложным рельефом и неоднородной растительностью, основанной на методах дистанционного зондирования и математическом моделировании. Цель работызаключается в формулировке методики оценки потоков парниковых газов на основе данных измерений концентрации парниковых газов на двух уровнях над поверхностью и применения трехмерной гидродинамической модели турбулентного переноса парниковых газов. Также цель работы включает исследование репрезентативности предложенной методики. Методы исследования. С помощью разработанной ранее гидродинамической модели, модифицированной для учета влияния рельефа, оценивается коэффициент турбулентного обмена для парниковых газов и поле скорости ветра. При наличии измеренных полей концентрации парникового газа на двух уровнях над поверхностью (например, с помощью БПЛА) и модельных данных для коэффициента турбулентности и скорости ветра поток парникового газа оценивается по предложенной в работе приближенной формуле, включающей в себя аппроксимацию вертикального турбулентного и адвективного потоков. Приближенная формула может также использоваться как начальное приближение при решении обратной задачи оценки потока парникового газа, также сформулированной в работе. Результаты работы. На основе ряда численных экспериментов, проведенных для лесного участка карбонового полигона в Рошни-Чу (Чеченская республика) и предложенной в работе аналитической оценки получено распределение потоков CO2над кронами деревьев, проведено их сравнение с теоретически ожидаемым распределением, а также найдены оптимальные уровни над поверхностью для проведения измерений концентрации парниковых газов. The main methods currently used to measure greenhouse gas fluxes in the field, such as the chamber method and the eddy covariance method, have a number of methodological limitations. This makes it difficult to apply these methods widely in terrain with inhomogeneous underlying surface, especially in mountainous regions. Therefore, the task of developing a new working methodology for estimating greenhouse gas fluxes applicable over surfaces with complex topography and inhomogeneous vegetation based on remote sensing methods and mathematical modeling is very urgent. The aim of the paper is to formulate a methodology for retrieving greenhouse gas fluxes based on the data of greenhouse gas concentration measurements at two levels above the surface and the application of a three-dimensional hydrodynamic model of turbulent greenhouse gas transport. aim of the paper also includes the study of the representativeness of the proposed methodology. Research Methods. Using a previously developed hydrodynamic model modified to account for the effect of topography, the turbulent exchange coefficient for greenhouse gases (GHG) and the wind speed field are estimated. With measured GHG concentration fields at two levels above the surface (e.g., using a UAV) and model data for the turbulence coefficient and wind speed, the GHG flux is estimated using the rough formula proposed in the paper, which includes an approximation of the vertical turbulent and advective fluxes. The proposed formula can also be used as a first approximation for solving inverse problem of GHG flux retrieval, which is also given in the paper. Results.Based on a series of numerical experiments that were carried out for the forest area of the Carbon Experimental Site in Roshni-Chu (Chechen Republic) and the analytical evaluation proposed in the paper, the distribution of CO2fluxes over the tree canopy was obtained. They compared with the theoretically expected distribution, and the optimal levels above the surface for measuring greenhouse gas concentrations were found.

В ходе мониторинговых наблюдений за потоками парниковых газов на участке лесо- восстановления карбонового полигона в Чеченской Республике были получены новые экспери- ментальные данные об их сезонной изменчивости, а также оценена их чувствительность к изме- нению условий окружающей среды. Лесовосстановление и рекультивация нарушенных земель являются важными элементами стратегии низкоуглеродного развития и декарбонизации рос- сийской экономики. Наблюдения за потоками парниковых газов проводились на рекультивиро- ванном участке «Карбоновая ферма» Чеченского карбонового полигона, засаженного саженцами древесных растений. В качестве основных методов измерений потоков использовались метод турбулентных пульсаций (eddy covariance) и метод экспозиционных камер. Результаты пульса- ционных измерений показали, что для исследуемой экосистемы затраты тепла на турбулентный теплообмен превышали затраты на испарение в летний период из-за малого количества осадков при высоких температурах воздуха, способствующих значительному иссушению верхних слоев почвы и снижению скорости эвапотранспирации. Также на протяжении всего периода измерений (за исключением мая – начала июня) эмиссия СО2 в атмосферу превышала поглощение СО2 рас- тительностью. Максимум эмиссии СН4 на исследуемом участке был отмечен в середине мая на фоне активного прогрева почвы после зимнего периода. Начиная с конца мая экосистема служит преимущественным стоком СН4 из атмосферы. Анализ результатов измерений потоков методом экспозиционных камер показал хорошее согласование результатов с измерениями потоков ме- тодом турбулентных пульсаций. Измерения показали, что диапазон изменения потоков СО2 на участках полигона в зависимости от атмосферных условий и наличия травянистой растительно- сти изменялся от -1 до 6 мкмоль/(м2с). Потоки СН4, N2O и NH3 значительно варьировали по вре- мени и в пространстве от отрицательных к положительным значениям, определяясь преимуще- ственно температурой и влажностью почвы. In the course of monitoring observations of greenhouse gas fluxes at the reforestation site of the carbonic landfill in the Chechen Republic, new experimental data were obtained on their seasonal variability, and their sensitivity to changes in environmental conditions was also assessed. Reforestation and reclamation of disturbed lands are important elements of the strategy for low-carbon development and decarbonization of the Russian economy. Observations of greenhouse gas fluxes were carried out at the reclaimed area “Carbon Farm” of the Chechen carbon polygon, planted with saplings of woody plants. The turbulent pulsation method (eddy covariance) and the exposure chamber method were used as the main methods for measuring flows. The results of pulsation measurements showed that for the ecosystem under study, the heat costs for turbulent heat transfer exceeded the costs for evaporation in summer due to the low amount of precipitation at high air temperatures, which contributes to a significant drying of the upper soil layers and a decrease in the evapotranspiration rate. Also, throughout the entire period of measurements (except for May - early June), CO2 emission into the atmosphere exceeded CO2 absorption by vegetation. The maximum CH4 emission in the study area was noted in mid-May against the background of active soil warming after the winter period. Starting from the end of May, the ecosystem serves as the predominant sink of CH4 from the atmosphere. Analysis of the results of flow measurements by the exposure chamber method showed good agreement between the results and flow measurements by the turbulent pulsation method. The measurements showed that the range of changes in CO2 fluxes in the areas of the landfill, depending on atmospheric conditions and the presence of herbaceous vegetation, varied from -1 to 6 μmol/(m2s). The fluxes of CH4, N2O, and NH3 varied considerably in time and space from negative to positive values, being determined mainly by temperature and soil moisture.

Основная цель исследования заключалась в получении новых экспериментальных данных о сезонной изменчивости потоков углекислого газа (CO2), метана (CH4), явного (Н) и скрытого (LE) тепла в лесных и болотных экосистемах Северной Евразии, а также в оценке их чувствительности к изменениям окружающей среды. Учитывая значительную роль парниковых газов в современных изменениях климата, существует неотложная необходимость исследования пространственной и временной изменчивости потоков парниковых газов в лесных и болотных экосистемах, а также анализа их воздействия на водный и углеродный баланс земной поверхности. Измерения потоков парниковых газов проводились в субарктической болотной экосистеме (Игарка) и северотаежном лиственничнике (Тура). В качестве основного метода измерений потоков использовался метод турбулентных пульсаций (eddy covariance). Результаты полевых измерений показали, что в обеих выбранных экосистемах поглощение СО2 из атмосферы превышало эмиссию СО2 с середины июня до конца августа. В конце августа баланс между эмиссией и поглощением CO2 приближался к нулю. Измерения потоков CH4, проводимое в болотной экосистеме в Игарке показало, высокую изменчивость и чувствительность потоков CH4 к погодным условиям. Экосистема на протяжении преимущественно источником CH4 для атмосферы. The main goal of the study was to obtain new experimental data on the seasonal variability of carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) fluxes in the forest and moor ecosystems of Northern Eurasia, as well as to assess their sensitivity to environmental changes. Given the significant role of greenhouse gases in modern climate change, there is an urgent need to study the spatial and temporal variability of greenhouse gas fluxes in forest and moor ecosystems, as well as to analyze their impact on the water and carbon balance of the earth’s surface. The eddy covariance method was used as the main measurement method. In this research assessed and analyzed the temporal variability of carbon dioxide, methane, sensible (H) and latent heat (LE) fluxes in the subarctic palsa mire (Igarka) and middle taiga forest (Tura) ecosystems of Northern Eurasia. The results of field measurements showed that both selected ecosystems served as a sink of CO2 from the atmosphere for the period between mid-June to the end of August. At the end of August, the balance between emission and absorption of CO2 was approaching zero. Measurements of CH4 fluxes carried out in the Igarka palsa mire ecosystem showed high variability and sensitivity of CH4 fluxes to weather conditions. The ecosystem during the growing season served mainly as a source of CH4 for the atmosphere.