Математическая модель динамики углерода болотных экосистем с учетом климатических факторов

Предложена математическая модель, описывающая углеродный цикл в болотных экосистемах северных регионов. Модель описывает концентрацию углерода в двух ключевых резервуарах: Live (живые растения-биомасса) и Mort (отмершие органические материалы). Основные процессы, учтенные в модели, включают фотосинтез, автотрофное и гетеротрофное дыхание, отмирание биомассы и вынос углерода грунтовыми водами. Процессы формализованы с учетом температуры и уровня грунтовых вод. Включение в модель уровня грунтовых вод позволяет учитывать различия между аэробным и анаэробным процессами разложения органики. Проведены численные расчеты на модельных данных. При низких температурах и высоком уровне грунтовых вод гетеротрофное дыхание замедляется, создаются анаэробные условия, что способствует накоплению углерода в почве. В условиях пониженного уровня воды доступ кислорода к органическому материалу увеличивается, что стимулирует аэробное разложение и увеличивает выбросы CO₂. В отличие от моделей, ориентированных на глобальные процессы, данная работа учитывает специфику климатических, гидрологических и биохимических условий северных болот, что особенно важно для моделирования углеродного баланса в холодных регионах.

1. Huang B., Zipper S., Peng S., Qiu J. Groundwater effects on net primary productivity and soil organic carbon: a global analysis // Environ. Res. Lett. 2023. V. 18, N 8. 084024.

2. Hilbert D., Roulet N., Moore T. Modelling and analysis of peatlands as dynamical systems // J. Ecol. 2001. V. 88. P. 230–242.

3. St-Hilaire F., Wu J., Roulet N., Frolking S., Lafleur P., Humphreys E., Arora V. McGill Wetland Model: Evaluation of a peatland carbon simulator developed for global assessments // Biogeosci. 2010. V. 7, N 11. 3517–3530.

4. Yan L., Li Y., Zhang X., Wu H., Kang E., Zhongqing Y., Zhang K., Li M., Yang A., Niu Y., Wang X., Yu X., Kang X. Carbon fluxes of alpine peatlands were jointly affected by water table level changes and the duration // J. Soils Sediments. 2023. V. 23. P. 1–11.

5. Zavalishin N. Coupled modeling of peatlands carbon cycle and carbon dioxide emission from their peat deposits // IOP Conf. Ser., Earth Environ. Sci. 2022. V. 1093. 012009.

6. Qiu C., Zhu D., Ciais P., Guenet B., Krinner G., Peng S., Aurela M., Bernhofer C., Bruemmer C., Bret-Harte S., Chu H., Chen J., Desai A. R., Dusek J., Euskirchen E. S., Fortuniak K., Flanagan L. B., Friborg T., Grygoruk M., . . . , Ziemblinska K. ORCHIDEE-PEAT (revision 4596), a model for northern peatland CO2, water, and energy fluxes on daily to annual scales // Geosci. Model Development. 2018. V. 11, N 2. P. 497–519.

7. Delire C., Sfrian R., Decharme B., Alkama R., Calvet J.-C., Carrer D., et al. The global land carbon cycle simulated with ISBA-CTRIP: Improvements over the last decade // J. Adv. Model. Earth Syst. 2020. V. 12, N 9. e2019MS001886.

8. Jrveoja J., Peichl M., Maddison M., Soosaar K., Vellak K., Karofeld E., Teemusk A., Mander U., ¨ Impact of water table level on annual carbon and greenhouse gas balances of a restored peat extraction area // Biogeosci. Discussions. 2015. V. 12. P. 17177–17218.

9. Heidari P., Hassanzadeh H. Modeling of carbon dioxide leakage from storage aquifers // Fluids. 2018. V. 3, N 4. 80.

10. Zhang Y., Xiao X., Guanter L., Zhou S., Ciais P., Joanna J., Sitch S., Wu X., et al. Precipitation and carbon-water coupling jointly control the interannual variability of global land gross primary production // Sci. Rep. 2016. V. 6. 39748.

11. Semenov S. P., Dyukarev E. A., Tashkin A. O. Biogeochemical carbon cycles numerical modeling in wetland ecosystems // Lobachevskii J. Math. 2023. V. 44, N 3. P. 1223–1228.

12. Семенов С. П., Дюкарев Е. А., Ташкин А. О. Математическая модель для расчета динамики углерода в болотных экосистемах холодных регионов Западной Сибири // Мат. заметки СВФУ. 2024. Т. 31, № 1. С. 102–112.

13. Worrall F., Moody C. S., Clay G. D., Burt T. P., Rose R. The flux of organic matter through a peatland ecosystem: The role of cellulose, lignin, and their control of the ecosystem oxidation state // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2017. V. 122. P. 1655–1671.