Связь между потоками и запасами углерода в биосфере

УДК 504.06.631.6 551.5.79
СВЯЗЬ МЕЖДУ ПОТОКАМИ И ЗАПАСАМИ УГЛЕРОДА В БИОСФЕРЕ1
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/
1
Работа выполнена под научным руководством проф. Шабанова В.В.
Проценты от
ПОТОКИ УГЛЕРОДА
общих потоков
Наименование
Величина, Гт/год
F1 – NPP наземных экосистем
60
27,52
F2 - дыхание корней
18,5
8,49
F3 - поступление с опадом
41,5
19,04
F4 - минерализация детрита
38,3
17,57
F5 - новообразование гумусовых веществ
2,5
1,15
F6 - чистый вывод гумусовых веществ
1
0,46
F7 - минерализация гумуса
1,5
0,69
F8 - минерализация гумуса
0,7
0,32
F9 - вынос речным стоком
0,7
0,32
F10 - эоловая пыль
0,3
0,14
F11 - NPP фитопланктона и фитобентоса
26
11,93
F12 - минерализация в толще воды
23
25
10,55
– 11,0
6
F13 - образование взвешенных и
1
–
3
0,46
– 1,33
растворенных органических веществ
F14 - поступление на дно
1
–
3
0,46
– 1,33
F15 - минерализация со дна океана
1,9
–
3,9
0,87
– 1,73
F16 - захоронение в верхних слоях
0,08
0,04
литосферы
F17 - захоронение в более глубоких слоях
0,02
0,01
литосферы
218
100
Сумма
226
–
Проценты
ЗАПАСЫ УГЛЕРОДА
от общих запасов
Резервуары
Величина, Гт
Атмосфера
728
0,006064
Живая биомасса
560
0,004665
Детрит
84
0,000700
Лабильный гумус
670
0,005581
Стабильный гумус
1350
0,011245
Планктон
2,8
0,000023
Взвешенные органические вещества
30
0,000250
0,01499 – 0,01
Растворенные органические вещества
1800
– 2000
3 99,96 6659
Литосфера
12000000
1200522 – 120055
Сумма
100
5
45
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».
«Здоровая» биота
Угнетенная биота
ПОТОКИ
ЗАПАСЫ
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 ± 0,232.
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,
2
R = 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 (0,81÷0,80) ± 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
2
Ошибка плотности связи (± ) считается по формуле:
1 R2
n
, где n – число значений, n = 3.
сухой фитомассы (или наибольшей хозяйственно ценной части урожая)3 [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.
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.
3
КПД, рассчитанный по общей сухой фитомассе, и КПД хозяйственно ценной части урожая за
вегетационный период связаны коэффициентом хозяйственной эффективности урожая [7].
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.