Въглеродният цикъл - Барабанова О
Лекция 6
6.3. Въглеродният цикъл
Въглеродътсъществува в природата в много форми, включително като част от органични съединения. Неорганичното вещество, което е в основата на биогенния цикъл на този елемент, е въглеродният диоксид (CO2). Той е част от атмосферата и също е разтворен в хидросферата.
По-голямата част от въглерода в земната кора е в свързано състояние.Най-важните минерали на въглерода са карбонатите, количеството на въглерод в тях се оценява на 9,6·10 15 тона. Това количество е незначително в сравнение с масата на циркулиращия въглерод и като че ли изпада от цикъла и се губи в него.
Съдържанието на въглероден диоксид в атмосферата е около 0,03%, в почвения въздух - с порядък по-високо.
Въглеродният цикъл е най-интензивен. Основният източник на въглероден диоксид в биосферата е вулканичната дейност. В съвременната биосфера отделянето на CO2 от мантията на Земята по време на вулканични изригвания е не повече от 0,01%, а един от основните източници на въглероден диоксид в атмосферата е дишането. Включването на въглерод в състава на органичните вещества се дължи на фотосинтезиращите организми на растенията. Растителността постоянно обменя материя и енергия с атмосферата и почвата и по този начин въглеродният цикъл е сложна взаимозависима верига от обменни процеси в системата "атмосфера-растителност-почва-атмосфера".
В въглеродния цикъл могат да се разграничат две най-важни връзки, които имат планетарен мащаб и са свързани сосвобождаване и абсорбция на кислород (фиг. 11):
- Фиксиране на CO2 в процеса на фотосинтеза и генериране на кислород (агенти - растения);
- минерализация на органични вещества(разграждане до CO2)и консумация на кислород (основните агенти са микроорганизми; например животните представляват 4 до 10–15% от емисиите на въглероден диоксид).
Микроорганизмите и разлагащите животни разграждат мъртвите растения и мъртвите животни, карайки въглерода в мъртвата органична материя да се окисли до въглероден диоксид и да навлезе отново в атмосферата. Приносът на почвеното дишане (включително дишането на корените и биотата) към общото дишане на една екосистема може да варира от 40 до 70%. При определени условия в почвата разграждането на натрупаните мъртви остатъци протича с бавни темпове - чрез образуване на хумус от сапротрофни организми, чиято минерализация може да протича с различна, включително ниска, скорост.
Ориз. 11. Въглероден цикъл (от Ф. Рамад, 1981)
В някои случаи веригата на разлагане на органичната материя е непълна. По-специално, активността на разлагащите вещества може да бъде инхибирана от липса на кислород или повишена киселинност. В този случай органичните остатъци се натрупват под формата на торф; въглеродът не се освобождава и се осъществява неговото консервиране. Подобни ситуации са възникнали в минали геоложки епохи, както свидетелстват находищата на въглища, нефт, нефтени шисти, торф и др.
Характеристика на въглеродния цикъл е запазването на елемента. В далечни геоложки епохи, преди стотици милиони години, значителна част от органичната материя, създадена в процесите на фотосинтеза, се е натрупала в литосферата под формата на изкопаеми горива. Изгаряйки го, ние в известен смисъл завършваме въглеродния цикъл.
Така споредСпоред различни оценки средно 60 милиарда тона въглерод се свързват годишно в процеса на фотосинтеза, 48 милиарда тона въглерод се освобождават в процеса на разлагане на органична материя, 10 милиарда тона въглерод навлизат в почвата и се „консервират“ в многогодишни фитоценози, 1 милиард тона се заравят в седиментната дебелина на литосферата (включително реакции на въглероден диоксид с камъни), а 4 милиарда тона въглерод идват в резултат на изгаряне на гориво.
Основните запаси на въглерод на Земята са горите: има приблизително 1,5 пъти повече въглерод в горската биомаса и 4 пъти повече въглерод в горския хумус, отколкото в атмосферата. Тропическите и бореалните гори са от особено планетарно значение за натрупването на въглерод (Таблица 4).
Въглеродни запаси в основните биоми на планетата
Въглеродни запаси (Gt)
Пустини и полупустини
Северните гори са от особено планетарно значение. Тяхната роля в регулирането на атмосферата и климата вече е общопризната. Косвените данни за въглеродния баланс показват висока степен на натрупване на въглерод в горските екосистеми на северните ширини - те съдържат около 33% от глобалните въглеродни запаси. Въпреки че бореалните гори са по-ниски от тропическите по отношение на площта и запасите от фитомаса, те значително надвишават тропическите екосистеми по отношение на въздействието им върху биосферата и параметрите на въглеродния цикъл. Поради особеностите на климатичните условия, бореалните гори натрупват въглерод не само във фитомасата, но и в почвената органична материя, в резултат на което неговата фиксация по време на фотосинтеза надвишава емисиите в атмосферата поради дишане и минерализация на органични остатъци. Горите в България представляват 73% от бореалната зона на света. Освен това 42% са съсредоточени в Сибир. Общото натрупване на въглерод в горските екосистеми на Централен Сибир (територията на Красноярския край) е 15 879 милиона тона (156tC/ha залесена територия), включително 26% надземна и подземна фитомаса, останалата част се натрупва в органичната материя на горния 50 cm почвен слой (22% в мъртви растителни остатъци, 52% в хумус).
Въглеродният цикъл се извършва и във водната среда. Но тук е по-сложно в сравнение с континенталния, тъй като връщането на този елемент под формата на CO2 зависи от доставката на кислород в горните слоеве на водата както от атмосферата, така и от долните слоеве.
Като цяло, показателите за годишния цикъл на въглеродната маса в океаните са почти половината от тези на сушата. Между сушата и океана непрекъснато протичат процеси на миграция на въглерод, при които преобладава изнасянето му под формата на карбонати и органични съединения от сушата към океана. От океаните до сушата въглеродът идва в малки количества под формата на CO2, изпускан в атмосферата. Въглеродният диоксид от атмосферата и хидросферата се обменя и обновява от живите организми в продължение на 395 години.
Преди индустриалната ера въглеродните потоци между атмосферата, сушата и океана са били балансирани. Влиянието на човека върху въглеродния цикъл се проявява във факта, че с развитието на промишлеността и селското стопанство навлизането на CO2 в атмосферата започва да расте поради антропогенни източници.
Антропогенното въздействие върху въглеродния баланс се проявява и в селскостопанските дейности, което води до загуба на въглерод в почвата, тъй като фиксирането (свързването) на CO2 от атмосферата от земеделските култури само през част от годината не компенсира напълно въглерода, освободен от почвата, който се губи при окисляването на хумуса (резултат от честа оран).
Увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата през последния век, което не е придружено от увеличаване на запасите от фитомаса на растителната покривка, показвазагуба на компенсаторни способности на биосферата.