Главные компоненты, обеспечивающие малый биогеохимический круговорот углерода (как и ландшафтный круговорот): продуценты (все зеленые растения, производящие органическое вещество из неорганических составляющих), консументы (все группы животных, паразитарные формы грибов, растения-паразиты) и редуценты (в первую очередь бактерии и грибы, превращающие органические остатки в неорганические вещества). Малый биогеохимический круговорот углерода проявляется в относительно коротком цикле (часы – сотни лет) и связан со сложным взаимодействием химических, биохимических и биологических процессов, которые контролируются сложным комплексом природно-экологических (биотой, климатом и т.д.) и антропогенных факторов. Малый биогеохимический круговорот углерода развивается на фоне биосферного биогеохимического круговорота и в экосистемах (биогеоценозах) протекает совместно с ландшафтным круговоротом, хотя и в разных формах, и с разной интенсивностью. Малый и ландшафтный биогеохимические круговороты углерода являются наземными круговоротами, так как они охватывают экосистемы суши.
Биосферный биогеохимический круговорот углерода – непрекращающийся процесс миграции, распределения, рассеяния и концентрации углерода в системе "верхние слои литосферы – океан – нижняя часть атмосферы", соизмеримый с геологической историей земной коры. Данный круговорот определяется как биологическими, так и геологическими процессами (тектонические поднятия, седиментогенез, вулканическая деятельность и др.), в своей совокупности осуществляющими обмен углерода между сушей, океаном и атмосферой. Круговорот углерода в биосфере состоит из двух разных циклов: наземного и морского, связанных через границу между океаном и атмосферой [20]. Круговорот, идущий в океане, в основном автономен. Диоксид углерода, растворенный в морской воде, усваивается фитопланктоном, а кислород уходит в раствор. Зоопланктон и рыбы потребляют углерод, фиксированный фитопланктоном, а кислород используют при дыхании. В результате разложения органических веществ в воду возвращается СО2, усвоенный фитопланктоном. Ежегодное сжигание примерно 5 млрд. т горючих ископаемых должно увеличить атмосферный запас СО2 на 0,7 %, т.е. к 320 млн.–1 (современное содержание СО2) ежегодно должно прибавляться почти на 2 млн.–4. На деле же за год концентрация СО2 в воздухе быстро уходит из атмосферы или в океан, или в наземную флору. Биосферный круговорот углерода состоит из двух разных циклов – наземного и морского (океанического).
Распределение СО2 между органическим веществом почвы, растительностью, атмосферой и океаном играет важную роль в формировании теплового баланса планеты, который зависит как от природных (фотосинтез растений, дыхание корней, животных и микроорганизмов, обменная диффузия на поверхности океана, метаморфизация органических материалов, поступление СО2 из глубин земной коры), так и от антропогенно-техногенных (обработка земли, выжигание растительности, сгорание топлива) процессов. Деятельность человека приводит к дополнительному накоплению углерода в атмосфере, которое катализирует парниковый эффект, что может привести к планетарному потеплению климата.
Годовой уровень обмена углерода между поверхностью Земли и атмосферой составляет 225 ГтС/год, что примерно в 30 раз превышает количество СО2, связанного с антропогенными выбросами. Около 80 % (или 60 % СО2 суши) пула углерода сосредоточено в северной циркумполярной области (тундра, тайга, леса, луга), тропических и субтропических лесах. В бореальных лесах, 2/3 которых сосредоточены в России, содержится более 40 % СО2 суши. Три четверти запасов углерода циркумполярного Севера сосредоточены в лесных регионах, составляющих более 1500 млн. га суши (10 % поверхности Земли). Основная часть этого пула находится в виде отмершего органического вещества в поверхностном слое торфяных и лесных почв. По отношению к массе углерода коэффициенты фоссилизации органического углерода составляют: в глубоководных частях океана – 0,06 %, на шельфе – около 1%, в озерах на континентах (в виде сапропеля) – 3,5%, в болотах – 8,6 %. Содержание органического углерода в детрите и гумусе педосферы достигает 2104* 1012 кгС, что в 2,9 раза превышает его массу в атмосфере (728 *1012 кгС) и в 3,8 раза выше, чем в биомассе наземной растительности (560* 1012 кгС). Океан поглощает более 4 ГтС/год, из них более 2 ГтС/год приходится на долю биоты океана.
углерод круговорот климат парниковый
Выводы по II главе
Углерод участвует в глобальном круговороте. Живые организмы в той или иной мере фиксируют его, и он на миллионы лет оседает в земной коре в связанном состоянии в виде горных пород, ископаемых топлив - каменного угля, нефти, органических газов. Постоянно действующий конвейер вещества планеты увлекает углерод на различные глубины, где он в результате метаморфоза принимает самые разнообразные формы и в итоге рассеивается по всей земной коре.
Указанные типы биогеохимических круговоротов углерода во многом принципиально сходны. Они связаны между собой механизмами переноса углерода в пределах биосферы, которые совершаются с использованием солнечной энергии и энергии химических реакций. Различия заключаются в основном в масштабах, темпах и сроках завершения цикла. Биосферный биогеохимический круговорот протекает несопоставимо медленнее, чем ландшафтный и малый круговороты. Два последних направлены главным образом на аккумуляцию и удержание углерода в экосистемах (биогеоценозах). Любое нарушение почвенного покрова приводит к потере органического углерода, что порождает глубокие изменения в сложившихся биогеохимических потоках углерода в геосферах.
Потери органического углерода вызваны обработкой земли, лесными пожарами, рубками леса, гибелью лесов в результате болезней и инвазии насекомых, а также промышленными загрязнениями. По масштабам воздействия на углеродный бюджет лесных экосистем Европейской России основная роль принадлежит рубкам, а в Азиатской России – лесным пожарам, вредным насекомым и болезням. Размеры пулов СО2 в лесах России и масштабы его годичного депонирования в ближайшие один - два десятилетия будут определяться двумя основными факторами – лесными пожарами и промышленными рубками. Повышение продуктивности и улучшение структуры ("омоложение") лесов, расширение площадей покрытых лесом земель приведут к увеличению депонирования углерода лесной растительностью, что важно для сбалансированности биогеохимических круговоротов СО2.
Глава III. Влияние круговорота углерода на глобальный климат
3.1 Концентрация углерода в системе «литосфера-гидросфера атмосфера»
Больше всего углерода сконцентрировано в карбонатных горных породах - известняке CaCO3 и доломите СаСО3*MgCO3 . Однако, содержащийся в них углерод практически выводится из круговорота.
Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде оксида углерода IV.
Поскольку оксид углерода растворим в воде, атмосфера может обмениваться с океаном. По запасам углерода океан значительно превосходит воздушную оболочку. Однако углерод не превращается в биомассу из-за нехватки там других жизненно важных элементов - азота и фосфора. Тем не менее океан поддерживает концентрацию СО2 в атмосфере более или менее постоянной, забирая СО2 , если его становиться больше, и отдавая - если его количество уменьшается. Согласно имеющимся данным наблюдений [25,с.15], в настоящее время как Мировой океан, так и суша являются глобальными стоками СО2 , причем в океане это обусловлено химическими и биологическими процессами, тогда как на суше связано с усилением «фертилизации» растительности за счет возрастающей концентрации СО2 и азота, а также с изменениями землепользования.
СО2 не вымораживается при понижении температуры, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах, возможных в земных условиях. Вероятно, именно благодаря постепенному накоплению углекислого газа в атмосфере, вследствие вулканической деятельности, Земля смогла выйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшим слоем льда) в начале и конце протерозоя.
Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и изменение земного климата связывают, прежде всего, с изменением баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.
Большие потоки наблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) – атмосфера, и наземная биота – атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гт углерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу [31].Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается из атмосферы около 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умерших живых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтеза наземной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода [31]. Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован, обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человека включает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферу за счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.). Также поток углерода в атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов, при этом прирост биомассы, способствующий поглощению СО2 составляет всего около 0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около 2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительный поток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислого газа в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа океаном уже в ближайшем будущем может уменьшиться, и даже возможен обратный процесс – выделение углекислого газа из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газа при повышении температуры воды – так, например, при повышении температуры воды всего с 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2.