Земной биологический цикл углерода - Terrestrial biological carbon cycle

Взаимосвязь углеродного, водородного и кислородного цикла в метаболизме фотосинтезирующих растений

В цикл углерода является неотъемлемой частью жизни на Земле. Около половины сухого веса большинства живых организмов составляет углерод.[нужна цитата ] Он играет важную роль в структура, биохимия, и питание всего живого клетки. Живая биомасса содержит около 550 гигатонн углерода[1], большая часть которого состоит из наземных растений (древесины), а около 1200 гигатонн углерода хранятся в земной биосфере в виде мертвая биомасса.[2]

Углерод циркулирует через земную биосферу с различной скоростью, в зависимости от того, в какой форме он хранится и при каких обстоятельствах.[3] Наиболее быстро он обменивается с атмосферой, хотя небольшое количество углерода покидает земную биосферу и попадает в океаны в виде растворенный органический углерод (ДОК).

Движение углерода в земной биосфере

Большая часть углерода в земной биосфере хранится в лесах: они содержат 86% наземного углерода планеты, а лесные почвы также содержат 73% углерода почвы.[4] Углерод, хранящийся внутри растений, может передаваться другим организмам во время потребления растений. Когда животные едят растения, например, органический углерод, хранящийся в растениях, превращается в другие формы и используется внутри животных. То же самое верно для бактерий и других гетеротрофы. Мертвый растительный материал внутри или выше почвы остается там некоторое время, прежде чем быть вздохнул гетеротрофами. Таким образом, углерод передается на каждом этапе пищевой цепи от одного организма к другому.

Обмен углерода между земной биосферой и другими системами

Часть серии о
Цикл углерода
Формы органического вещества. Webp
По регионам
Основная статья: Цикл углерода

Атмосфера

Основная статья: Круговорот углерода в атмосфере

Автотрофы, например деревья и другие зеленые растения, используйте фотосинтез преобразовать диоксид углерода во время основное производство, выпуская кислород в процессе. Наиболее быстро этот процесс происходит в экосистемах с высоким уровнем роста, например в молодых лесах. Поскольку углерод расходуется в процессе автотрофный рост, весной и летом в дневное время потребляется больше углерода, чем зимой и ночью, когда фотосинтез больше не происходит у большинства растений. На хранение углерода в биосфере влияет ряд процессов в разных временных масштабах: в то время как поглощение углерода через автотрофное дыхание следует за дневной и сезонный цикл, углерод может храниться в земной биосфере до нескольких столетий, например в древесине или почве.

Большая часть углерода покидает земную биосферу через дыхание. Когда присутствует кислород, аэробного дыхания происходит с образованием диоксида углерода. Если кислорода нет, например как в случае с болота или у животных ' пищеварительный тракт, анаэробное дыхание может произойти, что производит метан. Около половины валовой первичной продукции вырабатывается растениями непосредственно обратно в атмосферу. Часть чистой первичной продукции или оставшийся углерод, поглощенный биосферой, выбрасывается обратно в атмосферу в результате пожаров и гетеротрофное дыхание. Остальное превращается в органический углерод почвы, который выделяется медленнее, или «инертный» растворенный углерод, которые могут оставаться в биосфере неизвестный период времени.[3]

Геосфера

Основная статья: Ископаемое топливо § Происхождение

Углерод земной биосферы попадает в геосферу только посредством узкоспециализированных процессов. Когда анаэробное разложение превращает органический материал в углеводород богатые материалы, а затем отложен в виде осадка, углерод может попасть в геосферу через тектонический процессы и остаются там несколько миллионов лет. Этот процесс может привести к созданию ископаемое топливо.

Антропогенные воздействия

Выбросы углекислого газа из ручьев и рек как неотъемлемая часть дыхания суши. Непропорциональная роль ручьев и рек в выбросе углерода земли в атмосферу усиливается:
(а) высокое поступление почвенного CO2 к ручьям и речкам
(б) дифференциальный перенос богатых органическими веществами почв в ручьи и реки
(c) сильная турбулентность в ручьях и реках, которая способствует быстрому уходу газа в атмосферу.

Человеческая деятельность оказывает большое влияние на земную биосферу, изменяя то, как она действует как резервуар углерода. Антропогенные пожары выделяют большое количество углерода в виде CO.2 прямо в атмосферу. Однако более существенно то, что люди изменяют земной покров. Изменение земного покрова значительно снижает поглощение углерода земной биосферой. Он изменяет местную экосистему, часто заменяя богатые углеродом леса сельскохозяйственными или городскими землями. Это высвобождает углерод, накопленный в предыдущем типе почвенного покрова, и одновременно снижает способность биосферы поглощать углерод из атмосферы.

Косвенно антропогенные изменения глобального климата вызывают повсеместные изменения функции земной экосистемы в углеродном цикле. По мере изменения местного климата места, которые долгое время были благоприятными для одного типа экосистемы, могут стать более благоприятными для других типов экосистем. Например, потепление в Арктике вызвало стресс в Северной Америке. бореальные леса,[5] таким образом уменьшая первичную продукцию и поглощение углерода, в то время как те же более высокие температуры привели к увеличению роста кустарников в тех же областях,[6] производит противоположный эффект. Изменения погодных условий также могут повлиять на животных. Например, изменение погодных условий может создать благоприятные условия для сосновых жуков, что приведет к их массовым вспышкам и уничтожению лесов.[7] Измененные режимы выпадения осадков также могут привести к засухам или экстремальным осадкам, вызывая дополнительную нагрузку на экосистемы и усиливая эрозию. Такие воздействия на наземную экосистему не только изменяют ее углеродный обмен с атмосферой - они также могут привести к усиленному вымыванию углерода в океаны из-за переноса органического материала в реки. Эти широко распространенные изменения земного покрова также вызывают изменения в планетарное альбедо, вызывая сложные обратные связи в планетарной системе Земли. радиационный баланс.

Высшее СО2 уровни в атмосфере могут способствовать более эффективному фотосинтезу, тем самым увеличивая рост растений и первичную продукцию. Это может привести к тому, что биосфера будет извлекать из атмосферы больше углекислого газа. Однако неясно, как долго этот углерод будет улавливаться в земной биосфере, прежде чем будет повторно выпущен в атмосферу, и вполне вероятно, что другие ограничивающие факторы (например, доступность азота, влажность и т. Д.) Будут препятствовать CO2 удобрение за счет значительного увеличения первичной продукции.

использованная литература

  1. ^ 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. Дои:10.1073 / pnas.1711842115. ЧВК  6016768. PMID  29784790.
  2. ^ Фальковски П., Скоулз Р. Дж., Бойл Э, Канаделл Дж., Кэнфилд Д., Эльзер 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. Bibcode:2000Sci ... 290..291F. Дои:10.1126 / science.290.5490.291. PMID  11030643.
  3. ^ а б Прентис, И. (2001). «Круговорот углерода и углекислый газ в атмосфере». Изменение климата 2001: научная основа: вклад Рабочей группы I в Третий оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата / Houghton, J.T. [редактировать.] Получено 31 мая 2012.
  4. ^ Седжо, Роджер (октябрь 1993 г.). «Углеродный цикл и глобальная лесная экосистема». Загрязнение воды, воздуха и почвы. 70: 295–307. Дои:10.1007 / BF01105003.
  5. ^ Вербыла, Д. (2011). «Браунинг бореальных лесов западной части Северной Америки». Письма об экологических исследованиях. 6 (4): 041003. Bibcode:2011ERL ..... 6d1003V. Дои:10.1088/1748-9326/6/4/041003.
  6. ^ Лоранти MM, Goetz SJ (2012). «Распространение кустарников и обратная связь с климатом в арктической тундре». Письма об экологических исследованиях. 7 (1): 011005. Bibcode:2012ERL ..... 7a1005L. Дои:10.1088/1748-9326/7/1/011005.
  7. ^ Самбараджу К.Р., Кэрролл А.Л., Чжу Дж., Сталь К., Мур Р.Д., Аукема Б.Х. (2012). «Изменение климата может повлиять на распространение вспышек горных сосновых жуков в западной Канаде». Экография. 35 (3): 211–223. Дои:10.1111 / j.1600-0587.2011.06847.x.

Смотрите также

Глубокая углеродная обсерватория