Глобальный круговорот углерода
Скотт Стеггенборг, Университет штата Канзас, США
Углерод — основной структурный элемент всего живого. Углерод присутствует в атмосфере, тканях растений и животных, неживом органическом веществе, ископаемом топливе, камнях, он растворен в водах океана. В росте растений, да и вообще в нашей жизни его присутствие занимает не последнее место. Все начинается с корня, а если он растет в почве с недостатком углерода, то ситуацию надо брать под особый контроль, иначе. На количество углерода в почве влияет все, даже обработка почвы.
Почвенный органический углерод
Переход молекул углерода из одной формы в другую известен как круговорот углерода (рис. 1). Растения получают из атмосферы углерод, который участвует в процессе фотосинтеза. Используя энергию солнца и углекислый газ (СО2) из атмосферы, растения преобразуют СО2 в органический углерод, что способствует росту стеблей, листьев и корней. Результатом жизненного цикла и гибели растений является накопление и разложение растительной ткани как на поверхности почвы, так и под ней (корни растений) и производство значительного количества почвенного органического углерода.
Почвы отличаются по количеству содержания в них почвенного органического углерода, спектр варьирования: от менее 1% в песчаных почвах до более 20% в заболоченных почвах. Естественный уровень содержания почвенного органического углерода в почвах Канзаса варьирует в пределах 1-4%. Сегодня в большинстве обрабатываемых земель Канзаса уровень содержания органического углерода составляет 0,5-2%.
Рис.1.Современный круговорот углерода. Все показатели выражены в гигатоннах и гигатоннах в год.
В Канзасе степные травы способствовали формированию толстого плодородного слоя почвы. Корни этих и других видов злаковых волокнистые. Они могут проникать на большую глубину, производя значительную часть своей биомассы под землей. Следовательно, высокий уровень органического углерода в почвах под естественными лугами встречается на глубине до нескольких сантиметров. Черный цвет, который ассоциируется с плодородием почвы — это показатель содержания органического углерода. По мере того как содержание органического углерода снижается, цвет почвы становится более светлым и отражает ее минеральный состав. Так, красный цвет почв на юго-востоке Канзаса и северо-востоке Оклахомы является индикатором более высокой концентрации железа и более низкого содержания почвенного углерода. В почвах, которые формируются под лесами, высокий уровень почвенного органического углерода, как правило, наблюдается в верхнем слое, в более глубоких слоях этот уровень ниже. Такое отличие обусловлено, прежде всего, накоплением опавших листьев, а также веток кустарников и деревьев на поверхности почвы.
Атмосферный углерод
Используя данные, полученные в результате исследования ледяного керна, а также данные, накопленные в ходе продолжительного отслеживания уровня содержания СО2 в атмосфере, ученые обнаружили существенные колебания уровня содержания его в атмосфере в течение 200 000 лет. В последние 1000 лет атмосферное содержание СО2 существенно возросло (рис. 2). В наши дни (2000 г.) уровень содержания СО2 составляет приблизительно 369 мг/л, и этот показатель выше, чем когда-либо в последнее тысячелетие. Что еще самое важное: такие беспрецедентные темпы роста настолько велики, что экосистема может оказаться неспособной адаптироваться к ним. Подобное повышение содержания СО2 объясняется расширением использования ископаемого топлива, расчисткой земель и изменениями в землепользовании, что наблюдается по всему миру. Наиболее существенный фактор, который обуславливает повышение содержания СО2 в атмосфере — это использование ископаемого топлива. При существующих темпах этого процесса, составляющих 1 трлн. кг, запасы ископаемого топлива будут исчерпаны в ближайшие 300-400 лет. По мере роста использования ископаемого топлива углерод, который был вне круговорота миллионы лет, поступает непосредственно в атмосферу. Со временем атмосферный углерод снова преобразуется в органический углерод или же попадет в океан — и будет достигнут новый баланс, но этот процесс может занять тысячи лет. В ближайшее время «новый» углерод будет оставаться в атмосфере в виде СО2. На основании современных атмосферных моделей можно сделать вывод, что полное использование запасов ископаемого топлива приведет к возрастанию концентрации атмосферного СО2 до пикового показателя, составляющего около 1 200 мг/л. Некоторые ученые считают, что эти концентрации будут еще выше. Такой рост уровня содержания СО2 заставил многих ученых предположить, что средние глобальные температуры начнут увеличиваться. В массовой прессе данный процесс называют глобальным потеплением. Так называемые парниковые газы — СО2, метан (СН4) и окись азота (N2O), которые содержаться в атмосфере, способствуют удержанию тепла, которое, как правило, отражается от поверхности земли. При более высокой концентрации этих газов тепло может не отдаваться, результатом чего является повышение глобальных температур. На настоящий момент изменения глобальных температур не существенны и не наблюдается никаких определенных тенденций к этому, но изменения уровня содержания СО2 полностью документально подтверждены и признаются большинством ученых.
Управление углеродом
Что можно сделать, чтобы замедлить процесс увеличения содержания СО2? Если мы задумаемся об источниках, из которых поступает СО2, и о том, куда он девается потом, наиболее очевидным решением будет сокращение его поступления путем снижения использования ископаемого топлива. Это уменьшит попадание СО2 в атмосферу. Со временем потребуются более эффективные и экологически чистые источники энергии, но текущие экономические аспекты использования ископаемого топлива ограничивают внедрение и развитие альтернативных источников. В будущем, когда мы разработаем технологии альтернативной энергии, массовое использование стоков углерода, возможно, поможет стабилизировать уровень содержания СО2 в атмосфере. Описание мировых резервов углерода (рис. 1) демонстрирует, что скопления углерода в глубинах океана — основной резерв, но его изменения могут занять миллионы лет. Помимо этого, наши возможности управлять этим резервом ограничены. Следующий по размерам резерв — почвенный органический углерод. Количество почвенного органического углерода в два раза превышает количество углерода, содержащегося в растительной биомассе (растения, деревья, сельскохозяйственные культуры, травы и т.д.). Одним из способов стабилизации атмосферного углерода могло бы быть внедрение по всему миру технологий, которые способствуют увеличению содержания почвенного углерода. Сколько углерода может удерживаться в почве Канзаса? Вопрос прост, но на него нет простого ответа. Потенциал накопления для этого вида почвы зависит от уровня содержания почвенного углерода на данный момент, концентрации СО2 в атмосфере и применяемых агротехнических приемов. Во многих почвах Канзаса результатом значительных потерь верхнего слоя, обусловленных эрозией и проведением многочисленных механических обработок, стало сокращение уровня содержания углерода более чем в два раза по сравнению с исходными показателями. При правильном управлении содержание органического углерода во многих почвах можно повысить. Потери почвенного углерода, которые произошли в первой половине ХХ столетия, были частично компенсированы во второй половине с усовершенствованием сберегающих технологий и интенсификацией систем земледелия (рис. 3). Правильное внесение удобрений и возделывание улучшенных гибридов и сортов также сыграли свою роль в накоплении почвенного органического углерода. Более высокая урожайность и интенсивность возделывания способствуют увеличению объема биомассы, которая проникает в почву, обеспечивая поступление большего объема материала, который может быть преобразован в почвенный углерод. На рис. 3 отображены прогнозы по уровням содержания почвенного углерода в зависимости от уровня использования технологии no-till на 1990 год. В почвах, которые обрабатываются по технологии no-till и на которых используются интенсифицированные системы возделывания, содержание почвенного углерода может увеличиваться на 1% в год. В настоящее время в штате Канзас с применением технологии no-till обрабатывается 10% сельскохозяйственных земель (общая площадь 8,2 млн. га), и на этих площадях дополнительно должно секвестрироваться 19 000 т углерода в год. При расширении использования технологии no-till и использования интенсифицированных систем возделывания углерод секвестрировался бы в больших объемах. В мире не существует потенциальной возможности использовать почву в качестве стока углерода, этот вариант остается кратковременным решением. Через какой-то период времени, возможно, через 30-50 лет, будет достигнут новый уровень баланса почвенного СО2, при котором будет сложно достигнуть дальнейшего накопления углерода. Более долгосрочным решением для стабилизации уровня атмосферного СО2 может стать снижение нашей зависимости от ископаемого топлива для получения энергии.
Секвестрация углерода: 9 наиболее задаваемых вопросов
1. Что подразумевается под секвестрацией углерода?
Секвестрация углерода — это, как правило, процесс трансформации углерода в воздухе (углекислый газ или ТО2) в почвенный углерод. Углекислый газ поглощается растениями в процессе фотосинтеза, а также впитывается живыми растениями. Когда растение отмирает, углерод, находившийся в листьях, стебле, а также корнях, попадает в почву и становится почвенным органическим веществом.
2. Как секвестрация углерода может помочь избавиться от проблемы глобального потепления?
Атмосферный углекислый газ и другие газы, вызывающие парниковый эффект, являются ловушкой для тепла, которое отходит от поверхности земли. Это накопление тепла может привести к глобальному потеплению. Посредством секвестрации углерода уровень атмосферного углекислого газа снижается, а уровень почвенных органических веществ повышается. Если почвенный органический углерод не трогать, он может оставаться в земле многие годы как стабильное органическое вещество. Этот углерод секвестрируется позже или перемещается в хранилища, чтобы стать доступным для рециркулирования в атмосферу. Данный процесс снижает уровень СО2, а также возможность глобального потепления.
3. Какое воздействие секвестрация углерода может оказывать на газы, вызывающие парниковый эффект?
Было установлено, что сократить выбросы СО2 на 20% и более можно путем сельскохозяйственной почвенной секвестрации углерода.
4. Что сельхозпроизводители могут предпринять, чтобы повысить уровень секвестрации углерода?
Существует несколько способов достичь этого:
— no-till или минимальная обработка почвы;
— интенсивное повышение севооборотов и исключение летнего пара;
— мероприятия по охране природы, которые будут способствовать снижению эрозии;
— использование культур, дающих много остатков (кукуруза, сорго обыкновенное, а также пшеница);
— использование покровных культур;
— выбор таких видов и гибридов, которые сохраняют больше углерода.
5. Что могут сделать фермеры для повышения секвестрации углерода?
Фермеры могут повысить секвестрацию углерода посредством:
— улучшения качества фуража;
— сохранения достаточного количества пожнивных остатков;
— сокращения чрезмерного выпаса.
6. Получат ли сельскохозяйственные работники вознаграждение за секвестрацию углерода?
Возможно, будет налажена коммерческая система предоставления кредитов фермерам, повышающим секвестрацию углерода. Также возможно, что правительство будет применять некоторые меры поощрения для производителей, чтобы стимулировать секвестрацию углерода. Но даже если бы не было никаких выплат, сельхозпроизводители увидели бы положительный эффект от внедрения методов повышения почвенных органических веществ:
— улучшение структуры и качества почвы;
— повышение плодородности почвы путем увеличения органических веществ;
— сокращение эрозии вследствие улучшения структуры почвы;
— улучшение качества воды из-за снижения эрозии.
7. Что такое почвенные органические вещества, откуда они берутся и куда уходят?
Почвенные органические вещества состоят из перегнивших растений и животных отходов. Они позволяют соединять почвенные минеральные частицы в комочки, которые называются почвенными агрегатами. Повышение уровней почвенных органических веществ ведет к установлению более стабильных почвенных агрегатов, более устойчивых к ветровой эрозии, лучшей инфильтрации и аэрации, снижению вероятности уплотнений, а также повышению плодородности. Органические вещества помогают содержать почвенные питательные вещества вместе, таким образом, они не вымываются и не выщелачиваются. Если их не трогать, почвенные органические вещества могут перерасти в гумус — очень стабильную форму органического вещества. Тем не менее, если почва обрабатывается, почвенные органические вещества будут окисляться, и углерод растворится в атмосфере как СО2. Если почва эродируется, почвенные органические вещества будут вымываться водой.
8. Что влияет на уровень почвенных органических веществ?
Природные уровни почвенных органических веществ для любого определенного места в большинстве случаев определяются географической широтой, а также ежегодным уровнем выпадения осадков. Природные уровни почвенных органических веществ будут повышаться при передвижении с севера на юг от экватора. На Великих Равнинах уровень органических веществ растет от запада к востоку с учетом количества выпавших осадков. Управление может изменить уровень почвенных органических веществ. В общем, с повышением интенсивности возделывания культур повышается уровень почвенных органических веществ. С увеличением частоты использования механической обработки почвы уровень почвенных органических веществ снижается. Для производителей из Канзаса использование технологии no-till и отказ от пара предоставили самый большой потенциал в достижении этой цели.
9. Что делает штат Канзас, чтобы увеличить секвестрацию углерода?
Ученые из штата Канзас работают над созданием лучших управленческих методов, которые будут способствовать повышению секвестрации углерода. Чтобы проверить результаты механической обработки почвы, различных севооборотов, методов сбережения почвы и методов управления почвенным углеродом, проводятся исследования.
Источник