Земной биологический углеродный цикл
Углеродный цикл является неотъемлемой частью жизни на Земле. Около половины сухого веса большинства живых организмов составляет углерод . [ нужна ссылка ] Он играет важную роль в строении , биохимии и питании всех живых клеток . Живая биомасса содержит около 550 гигатонн углерода. [1] большая часть которого состоит из наземных растений (дерева), а около 1200 гигатонн углерода хранится в земной биосфере в виде мертвой биомассы . [2]
Углерод циркулирует в земной биосфере с различной скоростью, в зависимости от того, в какой форме он хранится и при каких обстоятельствах. [3] Быстрее всего он обменивается с атмосферой, хотя небольшие количества углерода покидают земную биосферу и попадают в океаны в виде растворенного органического углерода (РОУ).
Движение углерода в земной биосфере
[ редактировать ]Большая часть углерода в земной биосфере хранится в лесах: они содержат 86% наземного надземного углерода планеты, а лесные почвы также содержат 73% почвенного углерода планеты. [4] Углерод, хранящийся внутри растений, может передаваться другим организмам во время потребления растений. Например, когда животные едят растения, органический углерод, хранящийся в растениях, преобразуется в другие формы и используется внутри животных. То же самое справедливо для бактерий и других гетеротрофов . Мертвый растительный материал в почве или над ней остается там в течение некоторого времени, прежде чем вдыхают гетеротрофы ее. Таким образом, углерод передается на каждом этапе пищевой цепи от одного организма к другому.
Углеродный обмен между земной биосферой и другими системами
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Углеродный цикл |
|---|
 |
Атмосфера
[ редактировать ]Автотрофы , такие как деревья и другие зеленые растения, используют фотосинтез для преобразования углекислого газа во время первичного производства , выделяя кислород при этом . Этот процесс происходит быстрее всего в экосистемах с высокой интенсивностью роста, например, в молодых лесах. Поскольку углерод потребляется в процессе автотрофного роста, весной и летом в дневное время потребляется больше углерода, чем зимой и ночью, когда у большинства растений фотосинтез больше не происходит.На хранение углерода в биосфере влияет ряд процессов, протекающих в разных временных масштабах: в то время как поглощение углерода посредством автотрофного дыхания следует суточному и сезонному циклу, углерод может храниться в земной биосфере до нескольких столетий, например, в древесине или почве. .
Большая часть углерода покидает земную биосферу посредством дыхания . При наличии кислорода происходит аэробное дыхание с образованием углекислого газа. Если кислорода нет, например, в болотах животных или в пищеварительном тракте , может возникнуть анаэробное дыхание , в результате которого образуется метан. Около половины валовой первичной продукции выдыхается растениями непосредственно обратно в атмосферу. Часть чистой первичной продукции, или оставшийся углерод, поглощенный биосферой, выбрасывается обратно в атмосферу в результате пожаров и гетеротрофного дыхания . Остальное превращается в почвенный органический углерод, который выделяется медленнее, или «инертный» растворенный углерод , который может оставаться в биосфере в течение неизвестного периода времени. [3]
Это может быть очень важным аспектом в жизни, поскольку он будет способствовать сосуществованию всех видов живых существ в экосистеме. Роль углерода в наземной экосистеме заключается в том, что углерод хранится в растениях и в конечном итоге будет депонироваться в других формах для поглощения и потребления другими организмами.
Геосфера
[ редактировать ]Углерод земной биосферы попадает в геосферу лишь посредством узкоспециализированных процессов. Когда анаэробное разложение превращает органический материал в углеводородами материалы, богатые , а затем откладывается в виде осадка , углерод может попасть в геосферу посредством тектонических процессов и оставаться там в течение нескольких миллионов лет. Этот процесс может привести к созданию ископаемого топлива .
Антропогенные воздействия
[ редактировать ]
(a) высокое поступление почвенного CO 2 в ручьи и малые реки
(б) дифференциальный перенос почв, богатых органическими веществами, в ручьи и реки
(в) высокая турбулентность ручьев и рек, способствующая быстрому испарению газа в атмосферу.
Человеческая деятельность оказывает большое влияние на земную биосферу, меняя ее роль резервуара углерода. Антропогенные пожары выбрасывают большое количество углерода в виде CO 2 непосредственно в атмосферу. Однако более существенно то, что люди изменяют растительный покров. Изменение земного покрова значительно снижает количество поглощения углерода земной биосферой. Это изменяет местную экосистему, часто заменяя богатые углеродом леса сельскохозяйственными или городскими землями. Это высвобождает углерод, накопленный в бывшем типе земного покрова, и одновременно снижает способность биосферы поглощать углерод из атмосферы.
Косвенно антропогенные изменения глобального климата вызывают широкомасштабные изменения в функции наземной экосистемы в углеродном цикле. По мере изменения местного климата места, которые долгое время были благоприятными для одного типа экосистем, могут стать более благоприятными для других типов экосистем. Например, потепление в Арктике вызвало стресс в бореальных лесах Северной Америки . [5] тем самым уменьшая первичное производство и поглощение углерода, в то время как те же более высокие температуры привели к усилению роста кустарников на тех же территориях, [6] производя противоположный эффект. Изменения погодных условий также могут повлиять на животных. Например, изменение погодных условий может создать благоприятные условия для сосновых жуков, что приведет к крупным нашествиям жуков и уничтожению лесов. [7] Изменение режима осадков также может привести к засухам или экстремальным осадкам, вызывая дополнительный стресс для экосистем и усиливая эрозию. Такое воздействие на наземную экосистему не только изменяет обмен углерода с атмосферой, но и может привести к увеличению вымывания углерода в океаны посредством переноса органического материала реками. Эти широкомасштабные изменения земного покрова также вызывают изменения планетарного альбедо Земли , вызывая сложные обратные связи в планетарном радиационном балансе .
Более высокие уровни CO 2 в атмосфере могут привести к более эффективному фотосинтезу, тем самым увеличивая рост растений и первичную продукцию. Это может привести к тому, что биосфера будет извлекать больше углекислого газа из атмосферы. Однако неясно, как долго этот углерод будет оставаться секвестрированным в земной биосфере, прежде чем снова высвободиться в атмосферу, и вполне вероятно, что другие ограничивающие факторы (например, доступность азота, влажность и т. д.) не позволят удобрениям CO 2 значительно увеличить первичное производство. .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бар-Он Ю.М., Филлипс Р., Майло Р. (июнь 2018 г.). «Распределение биомассы на Земле» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (25): 6506–6511. Бибкод : 2018PNAS..115.6506B . дои : 10.1073/pnas.1711842115 . ПМК 6016768 . ПМИД 29784790 .
- ^ Фальковски П., Скоулз Р.Дж., Бойл Э., Канаделл Дж., Кэнфилд Д., Элзер Дж., Грубер Н., Хиббард К., Хёгберг П., Линдер С., Маккензи Ф.Т., Мур Б., Педерсен Т., Розенталь Ю., Зейтцингер С., Сметачек В., Штеффен В. (октябрь 2000 г.). «Глобальный углеродный цикл: проверка наших знаний о Земле как системе». Наука . 290 (5490): 291–6. Бибкод : 2000Sci...290..291F . дои : 10.1126/science.290.5490.291 . ПМИД 11030643 .
- ^ Jump up to: а б Прентис, IC (2001). «Углеродный цикл и углекислый газ в атмосфере» . Изменение климата 2001: научная основа: вклад Рабочей группы I в Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата / Хоутон, Дж. Т. [ред.] Проверено 31 мая 2012 г. .
- ^ Седжо, Роджер (октябрь 1993 г.). «Углеродный цикл и глобальная лесная экосистема». Загрязнение воды, воздуха и почвы . 70 (1–4): 295–307. Бибкод : 1993WASP...70..295S . дои : 10.1007/BF01105003 . S2CID 189855856 .
- ^ Вербыла, Д. (2011). «Браунинг бореальных лесов западной части Северной Америки» . Письма об экологических исследованиях . 6 (4): 041003. Бибкод : 2011ERL.....6d1003V . дои : 10.1088/1748-9326/6/4/041003 .
- ^ Лоранти М.М., Гетц С.Дж. (2012). «Расширение кустарников и климатические обратные связи в арктической тундре» . Письма об экологических исследованиях . 7 (1): 011005. Бибкод : 2012ERL.....7a1005L . дои : 10.1088/1748-9326/7/1/011005 .
- ^ Самбараю К.Р., Кэрролл А.Л., Чжу Дж., Шталь К., Мур Р.Д., Аукема Б.Х. (2012). «Изменение климата может изменить распространение вспышек горных сосновых жуков в западной Канаде». Экография . 35 (3): 211–223. дои : 10.1111/j.1600-0587.2011.06847.x .