Последние конференции
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии
- Современные проблемы экологии
- Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения
- Экология, образование и здоровый образ жизни
Почвенные организмы и глобальное изменение климата
Бутовский Р. О.
Фонд «Устойчивое Развитие»/
ТГПУ им. Л.Н.Толстого
Россия, Москва
Аннотация
Почвенные организмы оказывают огромное влияние на протекание цикла углерода в наземных экосистемах, а следовательно, на глобальное изменение климата и сопутствующие процессы. Сохранение структуры и функций почвенной биоты, а также современные технологии обработки почвы способствуют устойчивому развитию экосистем и решению проблем, связанных с изменением климата.
Summary
Soil organisms have a strong impact on carbon cycle in terrestrial ecosystems, and therefore on global climate change. The protection of structure and functioning of soil biota, as well as modern practices of soil treatment will contribute to sustainable development of ecosystems and solution of problems caused by climate changes.
Цикл углерода в почвенных экосистемах
Для эффективной борьбы с глобальным изменением климата, представляющим угрозу для устойчивого развития человечества (UNDP, 2007/2008), необходимо понимание процессов происходящих в наземных экосистемах, в частности, цикла углерода (Butovsky, 2010).
Глобальные запасы органического углерода составляют 1550 Гигатонн (Гт), из которых 73-79 Гт (около 5 %) находятся в Европе (Shils et al., 2008). В основном почвенный углерод формируется почвенными организмами и аккумулируется в органическом веществе почвы и на поверхности (табл. 1).
Таблица 1
Запасы углерода в различных компонентах биосферы
(Lal, 2004 по Assessment, 2010)
|
Запасы углерода |
Гига-тонны |
|
Почвенный неорганический углерод |
950 |
|
Почвенный органический углерод |
1550 |
|
Атмосфера |
760 |
|
Биота |
560 |
|
Вода |
38000 |
Запасы углерода в почве могут быть органическими или неорганическими. Почва содержит примерно в 2 раза больше углерода, чем атмосфера. Если учитывать содержание углерода в неорганической форме, то почва содержит в 3 раза больше углерода, чем атмосфера. В водных, в основном морских экосистемах, содержится на один порядок больше углерода, чем в почве и воздухе, вместе взятых. Таким образом, почвы, благодаря способности запасать углерод, могут быть буфером в процессе изменения климата. Высокая способность почвенных экосистем к накоплению углерода может быть одним из механизмов ослабления изменения климата (Assessment, 2010).
Эмиссия углерода наблюдается в форме двуокиси, которая является одним из основных парниковых газов, вносящих вклад в глобальное потепление. Помимо двуокиси углерода, почвенные организмы могут влиять на поступление других газов, таких как метан или закись азота N2O, который выделятся в цикле азота. Хотя эти газы выделяются в значительно меньших масштабах по сравнению с двуокисью углерода, их «парниковый» потенциал значительно выше (в 21 раз и в 310 раз соответственно).
Запасы углерода в почвах и растительности всех наземных экосистем России составляют 16 % от мировых (причем большая часть запасов находится в почвах – 19,7 % от мировых, в то время как в растительности – 7,2 %) (Заварзин, Кудеяров, 2006). Кроме того, огромные количества углерода сохраняются в торфах, вечной мерзлоте и на арктическом шельфе. От того, какую функцию будут выполнять российские экосистемы – поглотителей или источников углерода – во многом зависит масштаб будущих климатических изменений (Павлов и др., 2009).
В Европе, например, наибольшие эмиссии двуокиси углерода из почвы наблюдаются при изменении землепользования (при распашке пастбищ), сопровождающимся утратой почвой органических веществ. Сейчас Европейские почвы являются поглотителем углерода, поглощая до 100 млн. т углерода/год (Assessment, 2010).
В пре-индустриальную эпоху, почвенные экосистемы были одним из основных источников атмосферного CO2, в основном в результате изменения системы землепользования (например, распашки природных экосистем). Однако, в индустриальную эпоху поступление углерода из почвы составляет только половину от количества, которое выбрасывается при сжигании ископаемого топлива (табл. 2).
Роль почвенных организмов в круговороте углерода
Почвенные биологические процессы могут оказывать существенное влияние на глобальный цикл углерода, поскольку почвы являются поглотителем и источником углерода одновременно. Почва запасает углерод в основном в виде органического вещества и высвобождает углерод в форме двуокиси углерода, который образуется при разложении органического вещества.
Двуокись углерода, высвобождаемая при дыхании почвенных организмов включенных в процессы распада органического вещества, является одним из наиболее важных источников двуокиси углерода (55 Гт) (Assessment, 2010).
Очевидно, что почвы различаются по поглощающей способности. В Европе, например, торфяные болота содержат до 20 % от общего запаса углерода. Однако расчетные данные сильно различаются (Schils et al., 2008) (табл. 3)
Таблица 2
Расчеты пре- и пост-индустриальных эмиссий углерода из почвы и эмиссий от сжигания ископаемого топлива (Lal, 2004).
|
Источник |
Выбросы углерода (Гт) |
|
Пре-индустриальная эпоха |
|
|
Смена землепользования |
320 |
|
Сжигание ископаемого топлива |
0 |
|
Пост-индустриальная эпоха (после 1850 г.) |
|
|
Смена землепользования (всего) |
136+5 |
|
Культивация почвы |
78+12 |
|
Эрозия |
26+9 |
|
Минерализация |
52+8 |
|
Сжигание ископаемого топлива |
270+30 |
Таблица 3
Расчетные данные поглотительной способности разных типов экосистем
(Schils et al., 2008 по Assessment, 2010)
|
Тип почвы |
Роль в потоке углерода |
Расчеты |
|
Пастбище |
Поглотитель |
1-45 млн.т./год 101 млн.т./год |
|
Пахотные культуры |
Поглотитель |
10-39 млн т./год |
|
Лес |
Поглотитель |
17-39 млн. т./год |
Почвенная фауна прямо или косвенно влияет на поступление углерода и других парниковых газов в атмосферу: почвенные микроорганизмы играют важную роль в разложении органического вещества, в то время как биологические регуляторы регулируют численность первичных продуцентов, сапрофагов и инженеров. Инженеры экосистем усиливают разложение органического вещества, через перемешивание почвы.
Как следствие, все используемые приемы и технологии обработки почвы, которые позволяют сохранять ее биоразнообразие и восстанавливать почвенные экосистемы, могут влиять на способность почвы к поглощению парниковых газов. При правильном использовании эти технологии могут снижать концентрации парниковых газов в атмосфере и помогать бороться с глобальным изменением климата (Assessment, 2010).
Влияние глобального изменения климата на почвенное биоразнообразие и связанные с ним функции.
Глобальное изменение климата может влиять на почвенное биоразнообразие и связанные с ним услуги (Assessment, 2010).
Очевидно, что изменения климата влияют на
· Температуру, в том числе циклы заморозки/оттепель;
· Скорость выпадения осадков, в том числе влажные/сухие циклы;
· Концентрацию двуокиси углерода.
Запасы углерода в почве также обусловлены скоростью разложения органического вещества, качеством и количеством подстилки, эрозией и т.д. Например, длительное повышение температуры влияет на микробное дыхание в лабораторных опытах. Чем интенсивнее дыхание, тем больше разлагается органического вещества и тем больше высвобождается CO2. В свою очередь долгосрочные полевые опыты показывают, что разложение органического вещества является константой на различных широтах и при различных температурах. В травянистых прериях полевые опыты с искусственным повышением температуры на 2 градуса вызывали микробную акклиматизацию, и в целом адаптацию к новым условиям в большей степени, чем усиление интенсивности дыхания (Luo, 2001, Giardina, Ryan, 2000 цит. по Assessment, 2010). В зависимости от модели, количество высвобождаемого углерода может оцениваться по-разному и оптимальные климатические условия для ферментативной активности микробных сапрофагов всегда варьируются локально, в зависимости от специфических комплексов видов на определенной географической территории (Assessment, 2010).
Дальнейшее изменение климата может влиять на эффективность поглощения атмосферного углекислого газа, вызывая положительный обратный эффект. Повышение концентрации CO2 является и причиной и следствием изменения климата.
Экспериментальные работы показали, что увеличение содержания углекислого газа в атмосфере может изменять содержание питательных веществ и их взаимодействие. Например, увеличение содержания CO2 может ускорять рост растений, так как двуокись углерода необходима для фотосинтеза. Это может привести к повышению скорости образования подстилки и изменению химического состава подстилки. Такие изменения влияют на свойства органического вещества и его доступность для почвенных микроорганизмов (Assessment, 2010).
Список литературы
1. Заварзин Г.А., Кудеяров В.Н. Почва как главный источник углекислоты и резервуар органического углерода на территории России // Вестник РАН, Т. 76, № 1. 2006. С. 14-29.
2. Павлов Д.С., Стриганова Б.Р., Букварева Е.Н., Дгебуадзе Ю.Ю. Сохранение биологического разнообразия как условие устойчивого развития. М.: Институт устойчивого развития / Центр экологической политики России. 2009. 84 с.
3. AssessmentofsoilbiodiversitypolicyinstrumentsinEU-27. Final report. February 2010. European Commission DG ENV. Bio Intelligence Service. 232 pp.
4. Butovsky R.O. Soil Biodiversity and Global Climate Change/ Land use, biodiversity and climate change/ Proc. International Geographical Union (IGU) Commission Seminar. December 11-13, 2010. Guwahati. Assam. India.
5. Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science. 2004. V 304. P. 1623-1627.
6. Schils R., Kuikman P., Liski J. 2008. Review of exicting information of the interrelations between soil and climate change (cited by Assessment…2010).
7. UNDP Human Development Report 2007/2008. Fighting climate change: human solidarity in a divided world. UNDPPress. 384 pp.