Modelowanie wymiany netto ekosystemu (NEE) na obszarach bagiennych z zastosowaniem danych satelitarnych

• Autorzy: Dąbrowska-Zielińska K. , Budzyńska M. , Tomaszewska M. , Malińska A. , Bartold M. , Gatkowska M. , Turlej K. , Małek I. , Turbiak J. , Jaszczyński J.

Warianty tytułu

EN

Modeling of net ecosystem exchange (nee) at wetlands applying remote sensing

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań nad modelowaniem wymiany netto ekosystemu (NEE – ang. Net Ecosystem Exchange) bagiennego na przykładzie doliny Biebrzy z wykorzystaniem zdjęć satelitarnych i danych z pomiarów naziemnych z lat 2011–2015. Przeprowadzono szczegółową analizę zastosowania zdjęć optycznych i radarowych do uzyskania charakterystyk roślinno-wilgotnościowych wpływających na wymianę węgla. W wyniku przeprowadzonych analiz opracowano modele szacowania NEE, w których zastosowano opracowane na podstawie danych satelitarnych następujące parametry: wilgotność gleby (WG), zawartość wody w roślinach (WR). Do analizy WG i WR został zastosowany współczynnik wstecznego rozpraszania (σº) obliczony z sygnału zarejestrowanego w zakresie mikrofalowym przez urządzenia SAR (ang. Synthetic Aperture Radar) dla różnych polaryzacji fal. Prace badawcze zmierzające do określenia wielkości wymiany węgla oraz jego zróżnicowania przestrzennego i czasowego, przeprowadzone z uwzględnieniem informacji o pokrywie roślinnej i wilgotności gleby uzyskanych z danych satelitarnych, są ważne dla monitorowania ekosystemów bagiennych.

EN

The article presents results of the study on modeling Net Ecosystem Exchange (NEE) in the wetland ecosystem using remote sensing and in-situ data. The study has been conducted in Biebrza Valley for the years 2011–2015. The analysis of application of optical and microwave images for the assessment of vegetation-moisture conditions influenced carbon exchange has been performed. The impact of soil moisture and type of vegetation habitat on CO₂ flux in wetland ecosystems has been analyzed to develop NEE models. Soil moisture (WG) and vegetation water content (WR) have been correlated with backscattering coefficient (σº) calculated from the signal registered by microwave satellites in different wave polarization. The research was focused on the assessment of carbon balance in time and space taking into account vegetation cover and soil moisture derived from satellite data. The research is important for monitoring wetland ecosystem.

Słowa kluczowe

PL

ENVISAT ASAR; Landsat 8 OLI; NEE; Sentinel-1A; TerraSAR-X; wilgotność gleby; współczynnik wstecznego rozpraszania; zawartość wody w roślinach

EN

backscattering coefficient; ENVISAT ASAR; Landsat 8 OLI; NEE; Sentinel-1A; soil moisture; TerraSAR-X; vegetation water content

• Wydawca: Wydawnictwo ITP
• Czasopismo: Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 17, z. 1
• Strony: 31--51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 46 poz., rys.

Twórcy

autor

Dąbrowska-Zielińska K.

• Instytut Geodezji i Kartografii, Centrum Teledetekcji, ul. Modzelewskiego 27, 02-679 Warszawa

autor

Budzyńska M.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Tomaszewska M.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Malińska A.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Bartold M.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Gatkowska M.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Turlej K.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Małek I.

• Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie, Centrum Teledetekcji

autor

Turbiak J.

• Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, Kujawsko-Pomorski Ośrodek Badawczy w Bydgoszczy

autor

Jaszczyński J.

• Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, Zakład Doświadczalny w Biebrzy

Bibliografia

• BALDOCCHI D.D., VOGEL C.A., HALL B. 1997. Seasonal variation of carbon dioxide exchange rates above and below a boreal jack pine forest. Agricultural and Forest Meteorology [online]. Vol. 83. Iss. 1–2 s. 147–170. [Dostęp 8.12.2014]. Dostępny w Internecie: http://dx.doi.org/10.1016/S0168-1923(96)02335-0
• BARTOSZUK H. 2005. Zbiorowiska roślinne Biebrzańskiego Parku Narodowego. W: Przyroda Biebrzańskiego Parku Narodowego. Monografia [Vegetation communities in Biebrza National Park. In: Nature in Biebrza National Park]. Pr. zbior. Red. A. Dyrcz, C. Werpachowski. Osowiec-Twierdza. BPN s. 133–148.
• BRANDYK T., SZUNIEWICZ J., SZATYŁOWICZ J., CHRZANOWSKI S. 1996. Potrzeby wodne roślinności obszarów hydrogenicznych [Vegetation water needs over hydrogenic areas]. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. Z. 432 s. 91–104.
• BUDZYŃSKA M., DĄBROWSKA-ZIELIŃSKA K., TURLEJ K., MAŁEK I., BARTOLD M. 2011. Monitoring przyrodniczy Bagien Biebrzańskich z zastosowaniem teledetekcji [Monitoring of the Biebrza wetlands using remote sensing methods]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 11. Z. 3 (35) s. 39–64.
• CHOJNICKI B.H., MICHALAK M., ACOSTA M., JUSZCZAK R., AUGUSTYN J., DROSLER M., OLEJNIK J. 2010. Measurements of carbon dioxide fluxes by chamber method at the Rzepin wetland ecosystem, Poland. Polish Journal of Environmental Studies. Vol. 19. No. 2 s. 283–291.
• CHOJNICKI B.H., MICHALAK M., KONIECZNA N., OLEJNIK J. 2012. Sedge community. (Caricetum elatae) carbon dioxide exchange seasonal parameters in a wetland. Polish Journal of Environmental Studies. Vol. 21. No. 3 s. 579–587.
• DABROWSKA-ZIELINSKA K., BUDZYNSKA M., KOWALIK W., MALEK I., TURLEJ K. 2010. Characterizing status of selected ecosystems using optical and microwave remote sensing data. Proceedings of ESA Living Planet Symposium. 28.06–02.07.2010, Bergen, Norway. ESA SP-686 s. 1–8.
• DABROWSKA-ZIELINSKA K., BUDZYNSKA M., TOMASZEWSKA M., BARTOLD M., GATKOWSKA M., MALEK I., TURLEJ K., NAPIORKOWSKA M. 2014. Monitoring wetlands ecosystems using ALOS PALSAR (L-Band, HV) supplemented by optical data: A case study of Biebrza Wetlands in Northeast Poland. Remote Sensing. Special Issue. Remote Sensing of Peatlands. Vol. 6. Iss. 2 s. 1605–1633.
• DABROWSKA-ZIELINSKA K., BUDZYNSKA M., TOMASZEWSKA M., MALINSKA A., GATKOWSKA M., BARTOLD M., MALEK I. 2016. Assessment of carbon flux and soil moisture in wetlands applying Sentinel-1 Data. Remote Sensing. Vol. 8. Iss. 9, 756. DOI:10.3390/rs8090756.
• DABROWSKA-ZIELINSKA K., GRUSZCZYNSKA M., LEWINSKI S., HOSCILO A. BOJANOWSKI J. 2009. Application of remote and in situ information to the management of wetlands in Poland. Journal of Environmental Management. Vol. 90 s. 2261–2269.
• DABROWSKA-ZIELINSKA K., INOUE Y., KOWALIK W., GRUSZCZYNSKA M. 2007. Inferring the effect of plant and soil variables on C- and L-band SAR backscatter over agricultural fields based on model analysis. Advances in Space Research. Vol. 39. Iss. 1 s. 139–148.
• DECAGON Devices Inc. 2010. AccuPAR operator’s manual version 10. ss. 78.
• DMP Ltd. niedatowane. TRIME measuring moisture theory. Physics consulting. Fehraltorf, Switzerland ss. 22. Dostęp 19.11.2013. Dostępny w Internecie: https://imko.de/phocadownload/TRIMETHEORY.pdf
• GILMANOV T.G. SOUSSANA J.F., AIRES L., ALLARD V., AMMANN C., BALZAROLO M., BARCZA Z., BERNHOFER C., CAMPBELL C.L., CERNUSCA A., CESCATTI A., CLIFTON-BROWN J., DIRKS B.O.M., DORE S., EUGSTER W., FUHRER J., GIMENO C., GRUENWALD T., HASZPRA L., HENSEN A., IBROM A., JACOBS A.F.G., JONES M.B., LANIGAN G., LAURILA T., LOHILA A., MANCA G., MARCOLLA B., NAGY Z., PILEGAARD K., PINTER K., PIO C., RASCHI A., ROGIERS N., SANZ M.J., STEFANI P., SUTTON M., TUBA Z., VALENTINI R., WILLIAMS M.L., WOHLFAHRT G. 2007. Partitioning European grassland net ecosystem CO2 exchange into gross primary productivity and ecosystem respiration using light response function analysis. Agriculture, Ecosystems and Environment. Vol. 121. Iss. 1–2 s. 93–120.
• GÓRNIAK A. 2000. Klimat województwa podlaskiego [Climate of Podlaskie Voivodeship]. Białystok. IMGW. ISBN 83-85176-87-X ss.119.
• GRUSZCZYNSKA M., DABROWSKA-ZIELINSKA K. 1998. Application of microwave images from European Remote Sensing Satellites (ERS-1/2) for soil moisture estimates. Journal of Water and Land Development. No. 2 s. 7–18.
• HUANG C. Y., ASNER G. P., BARGER N. N. 2012. Modeling regional variation in net primary production of pinyon-jupiter ecosystems. Ecological Modelling. Vol. 227 s. 82–92.
• INOUE Y., OLIOSO A., CHOI W. 2004. Dynamic change of CO2 flux over bare soil field and its relationship with remotely sensed surface temperature. International Journal of Remote Sensing. Vol. 25 s. 1881–1892.
• JASZCZYŃSKI J., TURBIAK J., URBANIAK M. 2010. Rozpraszanie związków węgla z gleb torfowo murszowych w dolinie środkowej Biebrzy [Carbon losses from peat-muck soils in the middle Biebrza River valley]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 10. Z. 4 (32) s. 65–77.
• JUNG M., REICHSTEIN M., MARGOLIS H.A., CESCATTI A., RICHARDSON A.D., ARAIN M.A., ARNETH A., BERNHOFER C., BONAL D., CHEN J., GIANELLE D., GOBRON N., KIELY G., KUTSCH W., LASSLOP G., LAW B.E., LINDROTH A., MERBOLD L., MONTAGNANI L., MOORS E.J., PAPALE D., SOTTOCORNOLA M., VACCARI F., WILLIAMS C. 2011. Global patterns of land‐atmosphere fluxes of carbon dioxide, latent heat, and sensible heat derived from eddy covariance, satellite, and meteorological observations. Journal of Geophysical Research.Vol. 116. Iss. G00J07. DOI: 10.1029/2010JG001566.
• LASSLOP G., REICHSTEIN M., PAPALE D., RICHARDSON A. D., ARNETH A., BARR A., STOY P., WOHLFAHRT G. 2010. Separation of net ecosystem exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation. Global Change Biology. Vol. 16. Iss. 1 s. 187–208. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2009.02041.x.
• LI-COR Inc.1991. LAI-2000 Plant canopy analyzer. Instruction manual. Licoln, Nebraska, USA ss. 178.
• MIATKOWSKI Z., TURBIAK J. 2006. Zmiany emisji CO2 z gleby torfowo-murszowej pod wpływem nagłego i głębokiego obniżenia poziomu wody gruntowej [Changes CO2 emission from peat- muck soil under the influence of sudden and deep subsidence of ground water level]. WodaŚrodowisko-Obszary Wiejskie. T. 6. Z. 1(16) s. 267–276.
• MIODUSZEWSKI W., GOTKIEWICZ J. 2004. Ochrona walorów przyrodniczych Doliny Biebrzy. W: Kotlina Biebrzańska i Biebrzański Park Narodowy. Aktualny stan, walory, zagrożenia i potrzeby czynnej ochrony środowiska. Monografia przyrodnicza [Natural values protection of Biebrza Valley. In: Biebrza Valley and Biebrza National Park. Current status, values, threats and the need for active protection of the environment]. Red. H. Banaszuk. Białystok. Wydaw. Ekon. Środ. s. 490–504.
• MONTEITH J.L. 1973. Principles of Environmental Physics. London. Edward Arnold. ISBN 0-7131- 2931-X ss. 157.
• MOSIER A.R., MACK L. 1980. Gas-chromatographic system for precise, rapid analysis of nitrousoxide. Soil Science Society of America Journal. Vol. 44 s. 1121‒1123.
• OIKAWA P.Y., STURTEVANT C., KNOX S.H., VERFAILLIE J., HUANG Y.W., BALDOCCHI D.D. 2017. Revisiting the partitioning of net ecosystem exchange of CO2 into photosynthesis and respiration with simultaneous flux measurements of 13CO2 and CO2, soil respiration and a biophysical model, CANVEG [online]. Agricultural and Forest Meteorology Vol. 234 s. 149–163. [Dostęp 12.12.2014]. Dostępny w Internecie: http://dx.doi.org/10.1016/j.agrformet.2016.12.016
• OKRUSZKO H. 1991. Przeobrażanie się mokradeł pod wpływem odwodnienia [Wetland transformation after draining]. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. Z. 372 s. 251–269.
• OLEJNIK J., URBANIAK M., JUSZCZAK R., CHOJNICKI B., STRZELIŃSKI P., MOCZKO J., ROSZKIEWICZ J., DANIELEWSKA A., BARAN M. 2011. Oszacowanie strumieni netto dwutlenku węgla wymienianymi pomiędzy ekosystemem leśnym a atmosferą [Estimation of net carbon exchange between forest ecosystem and the atmosphere]. Raport z projektu badawczego zleconego przez DGLP za okres styczeń 2008–grudzień 2011. Maszynopis. Poznań. UP ss. 153.
• OŚWIT J. 1991. Łąkowe zbiorowiska roślinne bagien biebrzańskich na tle warunków siedliskowych [The plant communities of meadow in Biebrza wetland against habitat conditions]. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych. Z. 372 s. 185–217.
• PAWLAK W., FORTUNIAK K., SIEDLECKI M. 2011. Carbon dioxide flux in the centre of Łódź, Poland – Analysis of a 2-year eddy covariance measurement data set. International Journal of Climatology. Vol. 31 s. 232–243.
• PAWLAK W., FORTUNIAK K., SIEDLECKI M., KŁYSIK K. 2012. Wybrane problemy metodyczne pomiaru turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla na terenie podmokłym – Biebrzański Park Narodowy [Selected methodological problems of measurement turbulent exchange of carbon dioxide in the wetland]. Przegląd Geofizyczny. R. 57. Z. 2 s. 101–111.
• PLUMMER S., ARINO O., RANERA F., TANSEY K., CHEN J., DEDIEU G., EVA H., PICCOLINI I., LEIGH R., BORSTLAP G., BEUSEN B., FIERENS F., HEYNS W., BENEDETTI R., LACAZE R., GARRIGUES S., QUAIFE T., DE KAUWE M., QUEGAN S., RAUPACH M., BRIGGS P., POULTER B., BONDEAU A., RAYNER P., SCHULTZ M., MCCALLUM I. 2007. An update of the GLOBCARBON initiative: Multisensor estimation of global biophysical products for global terrestrial carbon studies. Proceedings ‘Envisat Symposium 2007’. 23–27 April 2007 Montreux, Switzerland. (ESA SP-636, July 2007) s. 1–11.
• RIEDERER M., SERAFIMOVICH A., FOKEN T. 2014. Net ecosystem CO2 exchange measurements by the closed chamber method and the eddy covariance technique and their dependence on atmospheric conditions. Atmospheric Measurement Techniques. Vol. 7. Iss. 4 s. 1057–1064. DOI: 10.5194/amt-7-1057-2014.
• SAKOWSKA K., JUSZCZAK R., UŹDZICKA B., OLEJNICZAK J. 2012. Zmienność dobowa strumieni CO2 wymienianych między atmosferą a różnymi uprawami rolniczymi [Diurnal variability of CO2 fluxes exchanged between the atmosphere and various crops]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 12. Z. 2 (38) s. 221–244.
• SAUNDERS M., TOBIN B., SWEENEY C., GIORIA M., BENANTI G., CACCIOTTI E., OSBORNE B.A. 2014. Impacts of exceptional and extreme inter-annual climatic events onthe net ecosystem carbon dioxide exchange of a Sitka spruce forest [online]. Agricultural and Forest Meteorology. Vol. 184 s. 147–157. Dostęp 14.11.2015. Dostępny w Internecie: http://dx.doi.org/10.1016/j.agrformet.2013.09.009
• SCOTT R.L., HAMERLYNCK E.P., JENERETTE G.D., MORAN M.S., BARRON‐GAFFORD G.A. 2010. Carbon dioxide exchange in a semidesert grassland through drought‐induced vegetation change. Journal of Geophysical Research. Vol. 115. Iss. G03026. DOI: 10.1029/2010JG001348.
• SUYKER A.E., VERMA S.B., BURBA G.G., ARKEBAUER T.J., WALTERS D.T., HUBBARD K.G. 2004. Growing season carbon dioxide exchange in irrigated and rainfed maize. Agricultural and Forest Meteorology. Vol. 124 s. 1–13. DOI:10.1016/j.agrformet.2004.01.011.
• TURBIAK J. 2012. Bilans węgla w ekosystemie łąkowym na średnio zmurszałej glebie torfowo murszowej [Carbon balance in grassland ecosystem on a moderately decomposed peat-muck soil]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 12. Z. 4 (40) s. 281–294.
• TURBIAK J. 2014. Wpływ intensywności użytkowania łąki na glebie torfowo-murszowej na wielkość strumieni CO2 i jego bilans w warunkach doświadczenia lizymetrycznego [The effect of the intensity of meadow use on peat-muck soil on CO2 fluxes and balance in lysimetric experiment]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 14. Z. 2 (46) s. 127–140.
• TURBIAK J., MIATKOWSKI Z. 2010. Emisja CO2 z gleb pobagiennych w zależności od warunków wodnych siedlisk [CO2 emission from post-bog soils in relation to habitat water conditions]. WodaŚrodowisko-Obszary Wiejskie. T. 10. Z. 1 (29) s. 201–210.
• TURBIAK J., MIATKOWSKI Z. 2016. Ocena tempa mineralizacji masy organicznej w głęboko odwodnionej glebie torfowo-murszowej na podstawie ubytków masy gleby oraz emisji CO2 [Assessment of organic mass mineralization rate in deeply drained peat-muck soil based on losses of soil mass and CO2 emission]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 16. Z. 3 (55) s. 73–85.
• ULABY F.T. 1974. Radar measurement of soil moisture content. IEEE Transactions on Antennas and propagation. Vol. AP-22. No. 2 s. 15–47
• ULABY F.T., MOORE R.K., FUNG A.K. 1986. Microwave remote sensing, active and passive Vol. 3. From theory to applications. Boston. Addison-Wesley Publ. Comp. ISBN 0890061939 ss. 2162.
• ZHANG R. 2005. Estimation of land-atmosphere carbon exchange, combining remote sensing, modeling and CO2 flux data [online]. Report. School of Geosciences. University of Edinburgh. [Dostęp 16.05.2013]. Dostęp w Internecie: http://www.geos.ed.ac.uk/homes/s0340767/

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).