Откуда растения берут углерод?

double_break

/оффтоп = > модель хлорофилла 3D напомнила мне модель космического корабля…/

Эти опыты не снимали главного вопроса: откуда растения берут углерод, если в воде, как показал Лавуазье, его нет, в почве его содержание ничтожно, и притом, что самое главное, растения способны развиваться в почве, вовсе лишенной углеродных соединений?

В самом деле: если не в почве, если не в воде, то остаётся один только воздух. Но если из воздуха, то значит, только посредством листьев. Так замкнулась цепь. Всей логикой развития науки, логикой научных открытий, в истинность которых все свято верили, исследования ученых-физиологов объективно и жестко детерминированно были направлены только в одном единственном направлении — в направлении развития противоестественной теории воздушного питания растений путём ассимиляции листьями углекислоты воздуха и синтезирования её в сложные органические соединения.

В развитии этих взглядов серьёзным побудительным мотивом послужили опыты и наблюдения, проведённые рядом ученых. В 1771 г. английский химик Дж. Пристли обнаружил, что зелёные растения способны якобы «исправлять» испорченный животными воздух и делать его вновь пригодным для дыхания. Примечательным здесь было то обстоятельство, что многократные попытки учёного получить аналогичные результаты в опытах на крупных, активно растущих растениях окончились неудачей:
во всех таких опытах растения, подобно животным «портили» воздух.

Причины неудовлетворительных результатов опытов Пристли и недостаточной убедительности его выводов были выявлены голландским естествоиспытателем Ингенгаузом. Тот обнаружил (1779), что способность растений «исправлять» воздух непосредственно связана с воздействием солнечного света. Этой способностью обладают зелёные растения, которые реализуют её лишь на солнечном свету, в темноте же они ведут себя точно так же как остальные части растений, то есть загрязняют воздух своим дыханием.

Позже Сенебье (1782) и Соссюр (1767-1845), показали, что растение на свету усваивает углерод из углекислоты воздуха с выделением в равном объёме кислорода. Трудами этих ученых теория фотосинтеза обрела свой общий и в принципе завершённый вид. В своих основных чертах она сохраняется и поныне. Черты эти сводятся к следующему:

а) растения поглощают углекислоту и выделяют кислород в равном объёме;

б) этот процесс происходит только на солнечном свету;

в) он характерен лишь для зелёных частей растения, то есть частей, содержащих хлорофилл;

г) процесс выделения кислорода происходит только при наличии в воздухе углекислоты: чем её больше, тем больше выделяется кислорода.

Можно всё сказать про теорию фотосинтеза, кроме одного, а именно, что она разумна. Не случайны поэтому были ожесточенные нападки на неё как стороны теоретиков, так и практиков. С точки зрения простого здравого смысла и повседневного опыта, теория воздушного углеродного питания растений казалась не только несостоятельной, но и попросту абсурдной.

Практики из многовекового опыта прекрасно знали: чтобы собрать хороший урожай, растению нужны — тепло, влага и удобрение.

Правильное сочетание и чередование этих трех элементов неизменно давало устойчивые и обильные урожаи. И опыт никогда не подводил практиков. Что же касается содержания углекислоты в воздухе, то об этом просто никто и никогда не думал, пока учёные не обнаружили странный факт, что растения не только способны поглощать при некоторых условиях углекислоту, но и создают именно из неё всю свою растительную массу.

Из практики хорошо известно, что при соблюдении агрохимических правил повышение продуктивности возделываемых культур имеет самые широкие пределы, хотя при этом содержание углекислоты в воздухе не увеличивается совершенно. Если критерием справедливости всякой теории является в конечном счете практика, то у теории фотосинтеза за всё время её существования отношения с этим критерием оставляли желать много лучшего.

Если строго следовать теории, нужно были бы ставить урожайность всех культур в прямую зависимость от содержания углекислоты в атмосфере согласно правилу: чем её больше, тем, стало быть, урожайность должна быть выше.

И наоборот, чтобы повысить урожайность, нужна большая насыщенность атмосферы углекислотой. Но, увы, нигде, никогда и никем эта зависимость не была подтверждена. Наоборот, всегда и везде подтверждался факт вредного влияния повышенного содержания углекислоты в атмосфере на все живые существа, не исключая и растения.

Действительно, если растение и в самом деле создавало бы всю свою растительную массу и питательные вещества исключительно за счет ассимилируемой им углекислоты воздуха, то совершенно непонятно, почему оно плохо переносит даже небольшое повышение её концентрации, почему оно может расти в атмосфере, вообще лишенной углекислоты и почему, наконец, растения бурно увеличивают свою растительную массу от внесения в почву даже небольшого количества азотных удобрений при сохраняющемся неизменным содержании углекислоты в атмосфере?

Теория фотосинтеза, таким образом, за все своё более чем стопятидесятилетнее существование не продвинула агрохимию ни на один шаг вперед, и все успехи сельского хозяйства в выращивании богатых урожаев были достигнуты помимо неё.

Другим серьёзным аргументом против теории служил и такой факт, как весьма низкое содержание углекислоты в воздухе. По крайней мере, по мнению многих ученых, оно совершенно неспособно было бы обеспечить жизнедеятельность растений, если исходить из теории фотосинтеза. Другим доводом против служил факт постоянства содержания кислорода в атмосфере и несоответствие объемного содержания последнего содержанию углекислоты, хотя, как утверждает теория, при фотосинтезе образуется количество кислорода, равное в объёмном отношении количеству поглощенного растениями из воздуха углекислого газа. Иными словами, сколько растениями поглощается углекислоты, ровно столько же выделяется кислорода. Поскольку в воздухе содержится примерно 0,03% углекислого газа, то при газообмене в процессе фотосинтеза должно высвободиться такое же количество кислорода, да и то лишь в том случае, если растения поглотят весь атмосферный углекислый газ. Но воздух ведь содержит 21% кислорода, т.е. его объём в 700 раз превышает объём содержащейся в нём углекислоты.

Откуда же берется такой избыток кислорода?

Ведь кислород расходуется постоянно и в больших количествах. Он — главный агент бесчисленного числа окислительных процессов, происходящих на земле. Известны тысячи реакций, протекающих при его участии в живой и неживой природе.
Процессы дыхания животных и растений, процессы горения и разложения, которые происходят на земле непрерывно в течение многих миллионов лет, — всё это требует огромного количества кислорода. Без кислорода нет жизни. Однако, несмотря на большое число процессов, при которых происходит связывание кислорода, его количество в атмосфере остаётся поразительно постоянным. Более того, если (процентное содержание углекислоты ещё как-то варьируется в зависимости от различных обстоятельств (больше её в промышленных районах, городах, меньше в сельских районах, вдали от заводов и фабрик, совсем мало её в горных районах), то содержание кислорода практически постоянно и не зависит ни от каких условий, будь это в районах с богатой растительностью, в пустынях, над просторами океанов. Даже на высотах до 70-80 км не обнаружено нарушения процентного содержания кислорода и соотношения между содержанием последнего и азота — 21% и 79% соответственно.

Такое постоянство состава воздуха и содержащихся в нём азота и кислорода не может не вести к вполне естественному предположению о существования на земле столь же постоянного источника их пополнения, притом в неизменном соотношении. Но можно ли рассматривать в качестве такого постоянного и неизменного источника процесс фотосинтеза?

Сюда же отнесём и значительные сезонные колебания в фотосинтезе, которые должны были бы заметно воздействовать на содержание кислорода и углекислоты в атмосфере. В течение полугода почти вся растительность северного полушария практически выключалась бы из процесса фотосинтеза. С наступлением осени и зимы и вплоть до мая месяца исчезает зелёный покров Земли, деревья сбрасывают листья — этот орган фотосинтеза, и природа замирает.

К этому нельзя не прибавить и те причины, которые упоминались в связи с процессом фотосинтеза — неравномерное распределение растительности по земному шару, сезонные перерывы в ее жизнедеятельности, колебания в содержании углекислоты в атмосфере и т.д. Но все перечисленные факторы как раз говорят об отсутствии на земле такого идеального механизма смешения газов атмосферы. Если бы атмосфера действительно состояла из смеси газов, то их распределение по земному шару носило бы совершенно случайный, переменчивый характер, и это непременно было бы зарегистрировано различными приборами, да и самими животными, для которых не могли бы пройти незамеченными серьёзные перепады в содержании кислорода и углекислоты.

Круг сомнений, однако, далеко не ограничивается вышеизложенным: в него включается, помимо кислорода, и другой главный составной элемент атмосферы — азот. В отношении него мы вправе задать тот же вопрос: каков источник его постоянного содержания в атмосфере (79%) и его пополнения? Может быть, в данном случае, в отличие от кислорода, нам удастся найти большее соответствие? Увы, его, к сожалению, нет применительно и к азоту.

Трудно, если вообще возможно, оставаясь на почве разума и действительности, согласиться с существующим представлением, что 4\5 объема атмосферы обязано своим существованием деятельности некоторых видов микроорганизмов типа гнилостных бактерий. А ведь именно так объясняет наука источник пополнения атмосферы азотом.

Во-первых, сам этот источник крайне непостоянен в своем функционировании, и он не в состоянии обеспечить такую точность в обеспечении атмосферы одной из её составных частей, как бы нас ни уверяли в обратном.

Во-вторых, нелепость этого утверждения видна из того, что в то время как вся мощная растительность земного шара, как наземная, так и подводная, даёт, согласно теории фотосинтеза, 21% кислорода, тогда как некоторые виды микроорганизмов обеспечивают её 79% азота. Далее, если взять те же процессы гниения и разложения, то их основными продуктами являются опять-таки углекислота и аммиак, а не азот. Но если углекислого газа содержится в атмосфере всего лишь 0,03%, то содержание в ней аммиака настолько ничтожно, что нет даже смысла приводить эти данные. Количественные сопоставления не дают, таким образом, никаких оснований считать обоснованным существующий взгляд на источник основных частей атмосферы, а именно: кислорода и азота.

Итак, отмечу, что фотосинтез по своей сути не только противоположен процессу дыхания, но и противоречит ряду фундаментальных положений физики.

Не может не возникнуть тут правомерный вопрос: на каких законах физики основан в этом случае весь процесс фотосинтеза? Для его выяснения обратимся непосредственно к разъяснениям, которые даёт в этой связи сама теория.

Так, например, известный физиолог проф. Рубин пишет в своей книге (просим читателя внимательно отнестись к нижеследующему свидетельству): «Углекислый газ является важнейшим материальным субстратом фотосинтеза. Обычное содержание СО2 в воздухе колеблется от 0,02% до 0,03%. При нормальном давлении и нуле градусов это составляет 0,589 мг. CO2 в 1 л. воздуха. Поскольку из 1 л. ассимилированной CO2 образуется 0,682 г. глюкозы, то для образования 1 г. глюкозы нужно затратить количество CO2, содержащееся в 2500 л. воздуха. Для образования же килограмма сахара растению необходимо «переработать» около 2,5 млн.л. (500 кубометров), полностью освободив последний от содержащего в нём углекислого газа. При крайне низком содержании углекислоты в воздухе, растениям, можно сказать, приходится в буквальном смысле «вылавливать» её посредством имеющихся у них различных приспособлений. К их числу относятся прежде всего устьица, являющиеся основным путем проникновения CO2 внутрь листа»1.

1 Рубин ЕЛ. Физиология растений. Ч. 1., М, 1954, с.236.

Нарисованная картина просто поразительна! Не растения, а форменные насосы. С какой же интенсивностью должно работать растение в качестве такого насоса, чтобы пропустить через устьица листьев 2500 л воздуха и в итоге получить всего лишь 1 грамм сахара? Удивительно здесь то, что эта малоправдоподобная и не соответствующая даже простым наблюдениям за миром растений картина выдается в качестве истинной, и что в нее верят десятки, а то и сотни умных учёных мужей.
Приводимые цифры красноречивее всех иных доводов говорят против теории фотосинтеза. Здесь мы лишний раз видим, что, за какую сторону теории фотосинтеза ни возьмись, везде сплошные натяжки, забвение основных физических законов, будто они её не касаются вовсе, подтасовки и всё прочее в том же духе. И всё это благодаря одной единственной причине, а именно так называемому открытию Лавуазье, согласно которому вода состоит из водорода и кислорода и которому все легко поверили, и свято верят до сих пор.
Я уже отмечал, что растения дышат так же, как и все животные. Дыхание осуществляется благодаря, прежде всего, теплообмену и газообмену живого организма с окружающей его средой, которые проходят самопроизвольно. Самопроизвольные процессы не могут происходить одновременно в двух направлениях: от большего к меньшему и от меньшего к большему — такое противоречит общепризнанным законам физики. Признание же теорией фотосинтеза одновременного существования двух противоположных и противоречащих один другому процессов газообмена при дыхании и при фотосинтезе представляет именно такое противоестественное явление.

Известный французский физиолог Ж. Буссенго, хотя и внёс свой вклад в разработку теории фотосинтеза, любил, между прочим, повторять, что во всех проводимых опытах над растениями необходимо спрашивать мнение самих растений.

Однако опыты по фотосинтезу напоминают скорее не мирную дружескую беседу с ними, а форменный допрос под пыткой, вследствие которого растения вынуждены «признаваться» в деяниях, никакого отношения к ним не имеющих. В самом деле, главной особенностью всех этих опытов было то, что они делались в условиях искусственных, весьма сильно отличающихся от тех, в которых растение находится обычно.

Поэтому оно и не могло давать «правдивых показаний», а давало те, которые выбивались из него принудительно. Прежде всего, это относится к повышенному содержанию углекислоты в среде, в которой обычно проводились опыты, и, наоборот, к пониженному содержанию в ней кислорода. В таких ненормальных условиях «нормальным» оказывалось то, что растение вынуждено было поглощать ненужную ему углекислоту и выделять при этом замещаемый ею кислород.

***

Помимо сказанного остаётся ещё один важный вопрос, требующий ответа: почему растения в условиях повышенной концентрации углекислоты во время опытов над ними выделяют всё-таки кислород. Ведь именно на этом факте строится главный вывод теории фотосинтеза, что зелёные растения являются якобы единственным источником всего кислорода атмосферы. Здесь необходимо отметить тот факт, что во время опытов над растениями такое выделение кислорода начинается исключительно на солнечном свету и моментально прекращается при переносе растения в слабо освещенное место. Этот момент очень важен. Почему так происходит? На этот вопрос мы не сможем ответить, исходя лишь из законов диффузии. Ответ нужно искать уже в области физиологии. С этой целью обратимся к одному весьма важному обстоятельству.

Итак, теория говорит нам, что процесс фотосинтеза происходит только при солнечном освещении и только в зелёных частях растений, то есть в листьях, и что он связан непосредственно с красящим пигментом растений — хлорофиллом. Какова же во всём этом роль хлорофилла?

По теории, именно хлорофилл связывает всю всасываемую растением углекислоту, именно в нём происходит процесс синтеза углекислоты и воды в сложные органические соединения, и происходит выделение кислорода. Но это по теории. Поскольку, как мы уже могли убедиться, эта теория, мягко говоря, не совсем адекватна, то возникает необходимость дать более точное объяснение роли хлорофилла в жизни растений. С этой целью обратимся непосредственно к хлорофиллу и посмотрим, что он из себя представляет.

Не стану рассматривать тут все его замечательные химические и физические свойства. Для нас важны некоторые его особенности и свойства, роднящие его с другими подобными же веществами в живом мире, что позволяет прибегнуть к аргументированной аналогии.

Обратимся, прежде всего, к тому важному обстоятельству, что по своей химической природе хлорофилл очень близок к пигменту крови гемоглобину, выполняющему дыхательную функцию как переносчик кислорода и частично углекислоты. Данный момент хотелось бы подчеркнуть особо.

В этой связи беру на себя смелость утверждать, что хлорофилл выполняет не приписываемую ему функцию фотосинтеза, а дыхательную функцию растений плюс функцию теплообмена, то есть прямо противоположную той, которую ему отводит теория фотосинтеза. Но есть ли этому иные подтверждения, помимо химического родства гемоглобина и хлорофилла? Для ответа на этот вопрос еще раз обратимся к отношению между хлорофиллом, кислородом и углекислотой.

Примечательным обстоятельством тут является то, что такое же отношение можно видеть и в случае гемоглобина крови. В процессе дыхания гемоглобин (НЬ), присоединяя к себе кислород, превращается в так называемый оксигемоглобин — нестойкое соединение с кислородом:

НЬ + О2 = НЬО2.

В 1892 г. ученик Сеченова Б.Ф. Вериго впервые пришел к выводу, что углекислота способствует вытеснению кислорода из оксигемоглобина.

Позже Бор (1904) окончательно подтвердил этот вывод, получивший название «эффекта Бора-Вериго». Проф. Рубинштейн отмечает в этой связи, что при избытке углекислоты оксигемоглобин легче отдаёт связанный им кислород даже при одном и том же парциальном давлении последнего в окружающей среде1. Было также показано — и этот факт весьма важен для наших рассуждений, — что кислород, химически связанный с кровью, освобождается гораздо легче при повышении температуры.

Если теперь обратиться к опытам по так называемому фотосинтезу и вспомнить, при каких условиях происходит взаимодействие между хлорофиллом, кислородом и углекислым газом, то нетрудно убедиться в том, что при этом имели место процессы, полностью покрываемые «эффектом Бора-Вериго».

Исходя из факта близкого родства хлорофилла и гемоглобина, можно с достаточным основанием утверждать, что во всех опытах по фотосинтезу повышенная концентрация углекислоты, как и в случаях с гемоглобином, так сказать, провоцировала вытеснение кислорода из оксихлорофилла, то есть хлорофилла, насыщенного кислородом. Поскольку этот процесс особенно усиленно проходит на солнечном свету, то и здесь мы видим аналогию с гемоглобином крови, из которого кислород освобождается гораздо легче при повышении температуры.

источник Э.А. Поздняков «Извечные загадки науки» http://predmet.ru/zagadki-nauki.pdf

Tags: Поздняков Э.А., формула, фотосинтез, человек

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;

— буферные зоны;

— 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.

Поведение органического углерода в почвах

Поведение органического углерода (Сорг) в наземных экосистемах играет ведущую роль в структуре и функционировании почв. В процессе образования и закрепления гумуса в почвенном профиле или гумусонакопления «на фоне общих закономерностей в почвах различных групп неодинаково проявляется влияние отдельных конкретных био-гидротермических условий» . Особая роль в формировании специфики гумусовых соединений и их способности удерживаться в пределах почвенного профиля принадлежит кальцию .

В основу созданной карты положена карта геохимических ландшафтов (атлас, с. 218), содержащая информацию о классах ландшафтов, выделяемых по особенностям водной миграции химических элементов. Геохимические классы объединили в 5 групп: а) группа с ведущей ролью иона водорода (H+–класс); б) переходная группа с участием кальция и иона водорода (H+–Ca2+–класс); в) с абсолютной ролью кальция (Ca2+ –класс); г) группа с участием иона натрия, обеспечивающего подвижность углерода в щелочной среде (Ca2+–Na+–класс); д) группа с участием легкорастворимых солей, в присутствии которых происходит коагуляция органических соединений (Na+, Cl–, SO42––класс). При составлении карты были учтены современные сведения о широком распространении в пределах Таймыра почвообразующих пород, насыщенных основаниями, что позволило выделить этот регион как отдельную территорию с повышенной потенциальной ролью кальция в формировании гумусового состояния почв.

Карта геохимических ландшафтов была детализирована по типу растительных ассоциаций с использованием Карты растительности . Растительные ассоциации в зависимости от качества поступающего растительного опада объединены в 6 основных групп экосистем, или биомов: тундры, хвойные леса, смешанные леса, широколиственные леса, травяные экосистемы (степи, луга) и болота. (Болота при оценке степени закрепления Сорг в почвах из рассмотрения исключили.) В результате получена карта экосистем с характеристикой геохимического класса, связанного с преобладающим элементом.

Ведущую роль в формировании органо-минеральных соединений почв играет гранулометрический состав, обусловливающий прочность образующихся органо-минеральных соединений. Информация о гранулометрическом составе почвообразующих пород была снята с цифровой почвенной карты (раздел 8.2. Атласа). Все породы объединили в 8 групп. Шесть групп представляют собой последовательно сформированный ряд от глин до песчаных отложений, характеризующий закрепление Сорг в почвах от максимального до минимального. Дополнительно выделили две группы пород. Одна группа образована для отражения специфики территорий с наибольшим разнообразием поведения Сорг в почвах, обусловленного разным гранулометрическим составом. Вторая группа объединила территории с плотными породами, где потенциально ограничены уровень накопления и миграция углерода в профиле почв, а также возможен более интенсивный латеральный сток.

Поведение органического углерода охарактеризовано как для ландшафтов пяти геохимических классов, так и для выделенных биомов. Полученные результаты представлены на картах.

Дополнительно были учтены следующие особенности поведения углерода в почвах. Во-первых, выделены зоны с участием многолетнемерзлых пород, как зоны специфического поведения углерода в условиях криогенеза. Во-вторых, учтены горные экосистемы, в пределах которых особенно ярко проявляется латеральный сток. Границы распространения многолетней мерзлоты и горных территорий взяты с почвенной карты (Атлас, с. 72).

На картах в цифровом виде содержится информация о факторах, оказывающих влияние на пространственные закономерности размещения территорий с различными вариантами потенциального поведения (закрепления) органического углерода в почвенном покрове.

Значительные площади в пределах России характеризуются формированием и закреплением углерода в кислой обстановке. В них входят большие пространства, включая, в первую очередь, северо- и среднетаёжные экосистемы, а также преобладающую часть тундровых ландшафтов.

В пределах Русской равнины проявляется довольно закономерный характер поведения углерода, обусловленный последовательной сменой покровных и моренных отложений относительно бедного минералогического состава на лёссовидные суглинки и глины с одновременной сменой биохимического состава опада. Переход от активного участия иона водорода в поведении углерода к более значительному участию в этом процессе кальция хорошо совпадает с северной границей южнотаёжной подзоны.

В Западной Сибири выделяется территория с максимальным потенциальным закреплением углерода в ландшафтах кислого класса, характерных для тундровых областей Гыданского полуострова. Два региона, характеризующиеся наибольшим разнообразием поведения углерода, расположены в областях, где основной механизм, обеспечивающий это явление, заключается в различном гранулометрическом составе почвообразующих пород. Один регион тяготеет к юго-западной части Западной Сибири, примыкающей к Уралу, и включает в себя смешанные и широколиственные леса. Второй регион, расположенный на юго-востоке Западной Сибири, состоит из участков хвойных, смешанных и широколиственных лесов, а на самом юге — травянистых экосистем.

Для территории Таймыра характерна довольно активная роль кальция в поведении углерода. Это обусловлено широким распространением специфических почвообразующих пород, а также современных почв с высокой степенью насыщенности основаниями. Ландшафты Таймыра, относящиеся к территории с максимальным уровнем закрепления Сорг в H+–Ca2+ среде, закономерно окаймляются зоной, отличающейся максимальным потенциальным закреплением углерода в ландшафтах Н+–класса. Территория Якутии также включает ландшафты с довольно высокой степенью закрепления Сорг. Они связаны с повышенной ролью кальция и частично натрия в поведении углерода. В северо-восточной Сибири высока доля ландшафтов с латеральным выносом углерода, зачастую дополнительно осложненных процессами криогенеза.

Закрепление углерода в почвах различных геохимических ландшафтов

Максимальное закрепление Сорг тяготеет к ландшафтам с ведущей ролью кальция. В то же время, и в ландшафтах кислого и H+–Ca2+–класса доля максимального уровня закрепления лишь немного уступает классу с активным участием кальция. По мере снижения уровня закрепления углерода, все большую долю составляют ландшафты с активным участием иона водорода. Характерно, что на ландшафты H+–класса приходятся значительные территории, где миграция углерода существенно ограничена в вертикальном отношении. Сюда вошли довольно разнообразные ландшафты, включающие в себя как тундровые экосистемы с многолетнемёрзлыми породами, так и горные экосистемы с плотными породами. Класс с активным участием иона водорода представлен во всех выделенных по особенностям закрепления и поведения Сорг группах. На него приходится около 65% от всех ландшафтов страны.

Закрепление углерода в почвах различных биомов

Потенциально возможное максимальное закрепление Сорг связано, в первую очередь, с травяными экосистемами. Преобладающая часть территорий с низким и минимальным потенциально возможным закреплением углерода принадлежит хвойным экосистемам. На эти же биомы, а также тундровые экосистемы, приходится и значительная часть площадей с ограниченным вертикальным перемещением углерода, что обусловлено их частой приуроченностью к горным ландшафтам с плотными породами. Высокая доля разнообразия в уровне закрепления углерода, связанная с разнообразием гранулометрического состава пород и почв, приходится на смешанные леса. Значительно меньшая доля приходится на травяные экосистемы, хвойные и широколиственные леса.

Специфика поведения углерода в пределах мерзлотных и горных областей

Многолетнемeрзлые породы занимают в России более 60% территории. Основная особенность поведения Сорг здесь — высокая доля, которая приходится на условия широкого распространения плотных пород (свыше 50% общей площади многолетнемерзлых пород), что обусловливает интенсивный латеральный сток. Менее 30% мерзлотных областей характеризуются уровнем закрепления углерода в почвенном покрове от максимального до среднего. Горные области, занимающие свыше 30% территории страны, характеризуются преобладанием плотных пород — более 80% ландшафтов с ограниченным вертикальным перемещением Сорг. На ландшафты со средним уровнем потенциально возможного закрепления углерода приходится, по сравнению с мерзлотными областями, существенно меньшая доля. В целом наблюдается достаточно высокая связь в общем характере распределения территорий с различными вариантами поведения и закрепления органического углерода в пределах мерзлотных и горных областей.

Л.Г. Богатырев, И.О. Алябина

  • Поведение органического углерода в почвах геохимических ландшафтов, масштаб 1:40 000 000
  • Поведение органического углерода в почвах биомов, масштаб 1:40 000 000

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *