Связь между потоками и запасами углерода в биосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Связь между потоками и запасами углерода в биосфере

Н.Д. Воинова

ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия

Существует гипотеза, что глобальное потепление климата происходит, в частности, из-за увеличения выбросов парниковых газов в атмосферу. Одним из таких газов является углекислый газ. Увеличение содержания этих газов в атмосфере может явиться причиной повышения температуры атмосферы и таяния ледников.

Действительно, с начала прошлого столетия уровень СО₂ в атмосфере увеличился на 31 % [6]. Но миллионы лет назад, как считают ученые, в каменноугольный период, концентрация СО₂ была в 10 раз выше: «…тогда деревья были огромными, природа буйно цвела, и именно такая концентрация газов обеспечила нас сегодня запасами каменного угля» [6]. Возникает вопрос: почему же сейчас биота не поглощает дополнительное количество углерода?

Наряду с природными факторами, стоит отметить, по крайней мере, два антропогенных, которые влияют на способность биоты поглощать углекислый газ. Первый фактор представляют собой промышленные выбросы, второй - механическое воздействие человека на экосистемы.

Основное внимание при рассмотрении проблемы глобального потепления уделяется промышленным выбросам, поскольку сейчас вместе с углекислым газом «в атмосферу летит огромное количество поллютантов (сернистый газ, угарный газ, окислы азота, бенз(а)пирен, сажа, тяжелые металлы и пр.), часть из них отличается высокой токсичностью, мутагенностью, канцерогенностью» [3]. Промышленные выбросы, сбросы, кислотные дожди угнетают биоту в среде ее обитания, и она теряет способность регулировать концентрацию СО₂ в атмосфере.

С другой стороны, угнетение происходит при механических воздействиях человека на биоту, таких как освоение земель под сельскохозяйственные угодья, вырубка лесов, а также в результате возникновения пожаров. В работе [9] было выяснено, что основными, причинами пожаров оказываются действия человека.

Вследствие суммарного воздействия человека углерод, накопленный экосистемами, высвобождается в атмосферу. Баланс вещества (физиологический баланс) определяется как «сопоставление прихода и расхода веществ, участвующих в жизнедеятельности организма (в частности, в процессе обмена веществ» [5]. Различают потоки биотического и абиотического происхождения. Под потоком вещества понимается «перемещение веществ в форме химических элементов и их соединений, - и, если речь идет о потоке живого вещества, то это перемещение происходит oт продуцентов к редуцентам (через консументов или без них)» [8]. Превышение потоков приходных статей баланса над расходными приводит к образованию запаса вещества. Годовой, например, баланс выглядит следующим образом:

запасы (Гт) = приходящие потоки (Гт/год) - выходящие потоки (Гт/год).

Теоретически баланс отдельного вещества на планете, определяемый суммой потоков и запасов, должен быть равен нулю.

Однако соотношение между статьями баланса - основными резервуарами углерода (атмосфера, живая биомасса и детрит, океан и литосфера, см. таблицу) - изменяется вследствие антропогенного вмешательства.

Некоторые компоненты цикла органического углерода /по рис. Кобак, 1988, с.174/

Соотношение между запасами и потоками неравномерно. Они связаны обратной зависимостью: чем больше запасы в конкретном резервуаре, тем меньше потоки. Так, литосфера обладает огромными запасами углерода по сравнению с атмосферой и, напротив, очень небольшими потоками. Это значит, что в литосфере - малоподвижном резервуаре - выход углерода незначителен по сравнению с его запасом. В атмосфере наоборот, потоки углерода преобладают над запасами, то есть имеет место активная циркуляция вещества.

По мнению В.В. Шабанова, между потоками и запасами как в океане, так и на суше, также существует характерная, то есть обратная, зависимость. С увеличением запасов углерода потоки убывают. Схематично связь между потоками и запасами представлена на рисунке. Нужно рассматривать либо сплошную линию (когда биота функционирует в благоприятных условиях), либо пунктирную. В последнем случае биота находится в угнетенном состоянии (при загрязнении, механическом воздействии в случае биоты и т.п.), и при одинаковых запасах потоки в рассматриваемом резервуаре заметно уменьшаются, жизнь в резервуаре «замирает».

Связь между потоками и запасами углерода в биосфере и изменение поглощения углерода под воздействием антропогенного фактора

Данный рисунок отражает общие черты соотношений потоков и запасов между атмосферой и литосферой (две точки на кривой - атмосфера и литосфера), между планктоном и взвешенными (ВОВ) и растворенными (РОВ) органическими веществами в океане (три точки - планктон, РОВ и ВОВ), между живой биомассой и гумусом почвы на суше (три точки - живая биомасса, лабильный и стабильный гумус).

Важно обратить внимание на то, что максимальные потоки соответствуют планктону в океане и живой биомассе - на суше. Отсюда ясна та роль, которую играет живое вещество на планете. Вспомним известные слова Вернадского В.И. о живом веществе как о геологической силе. Оно пропускает через себя основные потоки углерода, постоянно способствуя накоплению его в соответствующем резервуаре.

В здоровой обстановке живое вещество способно регулировать содержание углерода в определенном резервуаре, так как «…цикл круговорота углекислого газа в системе атмосфера - литосфера не замкнут, и, следовательно, количество углекислого газа в атмосфере может за заданный интервал времени увеличиваться или уменьшаться» [1]. Биота может выступать в роли посредника между атмосферой и литосферой в процессе циркуляции углерода. Атмосфера служит «буфером обмена» между другими резервуарами, например между литосферой и биосферой. Потоки за год полностью обновляются, поэтому углерод в атмосфере не накапливается. При антропогенных воздействиях биота теряет способность поглощать весь углерод, в связи с чем содержание его в атмосфере увеличивается. Так, загрязнение и механическое воздействие, препятствующие депонированию углекислого газа, приводят к выбросу углерода биотой. Дело в том, что угнетение биоты, происходящее в результате загрязнения, приводит к неспособности накапливать углерод в биомассе, и биота становится, можно сказать, вторичным источником поступления углерода в атмосферу, помимо выбросов в результате промышленной деятельности и пожаров.

По рисунку прослеживается интересная аналогия между потоками и запасами (или накоплениями) вещества и информации. Если рассматривать работу современной ЭВМ, то скорость обмена информации зависит от того, насколько «забита» память компьютера. Чем больше запасов информации, тем медленнее работает ЭВМ. Так же и в литосфере: большие запасы и маленькие потоки - мало жизни. В биосфере - живом веществе, - в отличие от литосферы, потоки должны быть максимальными, так как эффективность работы любой системы зависит от «скорости оборота» ее «живых» компонентов. Биота захоронила огромные запасы углерода в литосфере, откуда естественный поток (как видно из рисунка) совсем невелик. Антропогенное же воздействие способно существенно менять потоки вещества, и нерациональное вмешательство разбалансирует функционирование экосистем. В частности, загрязнение экосистем приводит к тому, что извлеченный из запасов углерод поглощается биотой медленнее. На рисунке выположенной пунктирной кривой показано уменьшение поглощения углерода, обусловленное антропогенными воздействиями.

При рассмотрении океана как резервуара углерода связь между потоками (П) и запасами (З) более удачно описывается степенной зависимостью: П = 18,95 З^-0,35, величина степени достоверности аппроксимации R², полученная в результате расчетов с использованием программы Excel, равна 0,605, плотность связи R² = 0,78 ± 0,23.

Для суши степенная функция П = 3,12 10¹¹ З^-3,71, R² = 0,645, R² = 0,80 ± 0,20.

Соотношение запасов и потоков в логарифмическом масштабе (более наглядно представляющем кривую) для океана описывается степенной (lnП = 2,83 (lnЗ)^-0.82) и логарифмической (lnП = -1.36ln(lnЗ) + 3) функциями. В обоих случаях R² = 0,842, R² = 0,92 ± 0,09.

Для суши - логарифмическая функция lnП = -25.39ln(lnЗ)+49,85), R² = 0,66, R² = 0,81 ± 0,20.

В полулогарифмическом масштабе (по оси запасов) для океана степенная функция следующая: П = 20,65 (lnЗ)^-1,36, R² = 0,842, R² = 0,92 ± 0,09.

Для суши П = 5 10²¹ (lnЗ)^-25,41, R² = 0,65, R² = 0,81 ± 0,20.

В то время как плотность связи между потоками и запасами на суше и океане примерно одинакова (R² = 0,78 ± 0,23 и 08 ± 0,2, соответственно), та же зависимость, представленная как в полулогарифмическом, так и в логарифмическом масштабе, является более плотной для океана, чем для суши (R² = 0,92 ± 0,09 и (0,81ч0,80) ± 0,2, соответственно).

Чтобы уменьшить содержание углерода в атмосфере, нужно, с одной стороны - стимулировать поглощение углекислого газа живым веществом, то есть создать для биоты такие условия, чтобы она поглощала его в необходимом количестве, с другой - ограничить расход углерода из его запасов путем борьбы с возникновением пожаров в лесах и на торфяниках, а также рационального использования полезных ископаемых - угля, нефти и торфа. В целях устранения тех факторов, которые снижают скорость депонирования биотой (уменьшают потоки), необходимо:

1) сохранять ненарушенные и восстанавливать сильно измененные природные системы;

2) не разрушать естественные экосистемы;

3) ликвидировать загрязнения.

С загрязнением борются с помощью различных очистных сооружений и фильтров. В целях сохранения природной среды можно предложить, во-первых, охрану и защиту естественных биогеоценозов; во-вторых, - создание агроценозов, активно продуцирующих биомассу и не уступающих по продуктивности естественным экосистемам, то есть в целом - предусмотрение мероприятий по восстановлению депонирующей способности разрушенных экосистем. Для этого должны быть созданы условия, которые повысили бы коэффициент полезного действия использования фотосинтетически активной радиации (КПД ФАР) до уровня 3…4 % (в естественных экосистемах КПД ФАР не превышает единицы). Повышение этого показателя прямо зависит от удельной теплоты сгорания (калорийности) и биологического урожая общей сухой фитомассы (или наибольшей хозяйственно ценной части урожая) [7]. Положительный эффект повышенной концентрации СО₂ на продуктивность выражен сильнее, «если растения выращивали на высоком уровне азотного питания» [2]. Поэтому нужно восполнять нарушенный баланс питательных веществ путем внесения удобрений, в частности, азотных, которые способствуют лучшему поглощению углерода растениями.

Выводы

Особенностью круговорота углерода является то, что это вещество, содержащееся в ископаемом топливе, вновь поступает в атмосферу в составе углекислого газа. Накопленный за миллионы лет углерод в настоящее время исключается из цикла в результате деятельности человека, интенсивно извлекается из недр и сжигается. Это, возможно, служит причиной «парникового эффекта», изменения климата, таяния ледников, подъёма уровня мирового океана и изменения всех экосистем Земли.

В порядке гипотезы можно предположить, что нетронутая отрицательным воздействием человека биота обладает большей способностью к поглощению (депонирования) углерода, чем угнетенная. Это может быть выражено определенными зависимостями. В настоящее время биота суши нуждается во внимательном отслеживании изменений в ней и регулировании условий ее существования. Следует разумно изменять потоки углерода, проводя мероприятия по мелиорации земель. Из определения мелиораций А.Н. Костякова следует, что основной задачей земледелия и мелиорации является управление круговоротом воды и зольных питательных элементов для повышения плодородия почв. В этих процессах осуществляется перевод воды и зольных элементов из геологического круговорота в биологический, что обосновывает их связь с круговоротом энергии, так как перевести зольные элементы в биологический круговорот можно, накопив их в биомассе, а это, в свою очередь, можно сделать только под влиянием солнечной энергии. Такое управление А.Н. Костяков считал возможным осуществлять путем комплексных мелиораций, то есть гидротехнических и агротехнических воздействий, регулирующих водный, воздушный, тепловой, пищевой, а следовательно, и биологический режим почвы. Очевидно, что наряду с оптимизацией режимов почвы, необходимо бороться с загрязнением почв, атмосферы и водоемов. Стимулирование, интенсифицирование растений к депонированию углерода в их биомассе, в конце концов, может привести к уменьшению содержания углекислоты в атмосфере.

Автор выражает глубокую признательность студентке эколого-мелиоративного факультета Бекасовой М.А. за поддержку идей, содействие и участие в написании статьи, Корнееву И.В. -за ответы на вопросы, возникающие в начале исследования, а также аспиранту Острижнову А.И. за существенную помощь в проведении расчетов и подробные замечания.

углерод антропогенный экосистема восстановление

Библиографический список

1. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

2. Головко Т.К. Дыхание растений (физиологические аспекты). СПб.: Наука, 1999

3. Данилов-Данильян В.И. Экологические, экономические и политические аспекты проблемы Киотского протокола. // Зеленый мир, 2004. № 7-8.

4. Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. СПб.: Гидрометеоиздат, 1988.

5. Словарь иностранных слов /Под ред. И.В. Лёхина и проф. Ф.Н. Петрова. М.: Изд-во иностранных и национальных словарей, 1949.

6. Супрунова И. В Москве состоялась Всемирная конференция по изменению климата. //Зеленый мир, 2004. № 7-8.

7. Тооминг Х.Г. Экологические принципы максимальной продуктивности посевов. Л.: Гидрометеиздат, 1984.

8. Шабанов В.В. Словарь по прикладной экологии, рациональному природопользованию и природообустройству: Учебное пособие. М.: МГУП, 2003..

9. Клочкова Е.В., Курскова О.С., Павлова И.П., Соловьева О.В. Материалы научной конференции «Природообустройство - специальность XXI века» Тез. докл. «Зачем России нужны болота?». М.: МГУП, 2002.

Размещено на Allbest.ru