Роль наземных экосистем в связывании парниковых газов: вопросов больше чем ответов

Рис. 1. Колебания годового прироста содержания СО2 в атмосфере (ppm СО2 в год) за последние 50 лет. Каждая точка — усреднение для 6 месяцев. По данным обсерваторий Мауна-Лоа (Гавайи) и Южного полюса. Цветные полосы фона показывают значения интегрирующего индекса «Эль-Ниньо — Южная осцилляция» (см.: Wolter, Timlin, 1998. Measuring the strength of ENSO events: How does 1997/98 rank? // Weather, 53, 315-324; полный текст PDF, 670 Кб). Коричневым выделены положительные значения индекса (года, когда выражено Эль-Ниньо), а синим — отрицательные. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Наземные экосистемы, поглощая или выделяя огромное количество парниковых газов (СО₂, метана, оксидов азота), тем самым не только участвуют в глобальном круговороте углерода, но и оказывают заметное влияние на климат. Однако не меньшее значение имеет и обратное воздействие — влияние климата на процессы, протекающие в экосистемах. В статье, опубликованной в журнале Nature, Мартин Хайманн (Martin Heimann) и Маркус Райхштайн (Markus Reichstein) из Института биогеохимии Макса Планка (Йена, ФРГ) подчеркивают, что взаимосвязь климата и процессов, протекающих внутри экосистем, остается еще крайне малоизученной. Очевидно только, что эффекты глобального потепления могут экосистемами как ослабляться, так и усиливаться.

Если в какой-то экосистеме увеличивается масса растительности или запасы органического вещества в почве, то очевидно, что процессы потребления углекислого газа (СО₂) преобладают над процессами выделения (экосистема работает как «сток» атмосферного углерода). Если же интенсивнее идут процессы разложения органического вещества, а количество СО₂, выделяемого в ходе дыхания грибов и бактерий (а также самих растений), превышает количество СО₂, фиксируемого в процессе фотосинтеза, то данная экосистема становится источником атмосферного углерода. Хотя принципы функционирования экосистем (в том числе трансформация ими соединений углерода) в основном понятны, детали протекания отдельных процессов, их количественная характеристика и то, как на них влияют внешние условия, остаются плохо изученными, что и оборачивается низким качеством прогнозов.

Так, например, судя по лабораторным экспериментам, зависимость интенсивности фотосинтеза от концентрации СО₂ достаточно проста: по мере увеличения содержания СО₂ фотосинтез растет, достигая порога насыщения при концентрации СО₂ на уровне 800–1000 ppm (частей на миллион). Поскольку современная концентрация составляет 380 ppm, то, казалось бы, существуют еще достаточные возможности противодействия росту СО₂. Однако специалисты ожидают, что из-за нехватки элементов минерального питания насыщение углеродом произойдет, видимо, уже при 550–650 ppm СО₂. Еще более существенные ограничения на фотосинтез накладывает дефицит влаги. В настоящее время развитие растительности лимитировано нехваткой воды более чем на половине территории суши, и с каждым годом эта доля только возрастает.

Параллельно росту содержания СО₂ в атмосфере происходит и увеличение средней температуры (глобальное потепление есть уже твердо установленный факт, с которым нельзя не считаться). Поскольку интенсивность дыхания любых организмов при увеличении температуры растет экспоненциально (по закону Аррениуса), то неудивительно, что возрастает и суммарное дыхание экосистемы. В итоге леса тропического пояса (а это самые продуктивные экосистемы мира) становятся местами стока атмосферного углерода только в более влажные годы, а в годы более сухие оказываются местами его выделения. Отсюда — сильные межгодовые колебания содержания СО₂ в атмосфере (см. рис. 1), коррелирующие с климатическими особенностями того или иного года, в частности с выраженностью явления Эль-Ниньо (точнее «Эль-Ниньо — Южная осцилляция»), которое сказывается на режиме выпадения осадков в Южной Америке и Юго-Восточной Азии. Однако переход к другим временным масштабам — к десятилетиям и столетиям — делает взаимодействие СО₂ и климата куда менее понятным. Отсюда — крайняя неопределенность в оценках того, как уже менялось во времени связывание СО₂ наземными экосистемами и каковы прогнозы на будущее (см. рис. 2).

Рис. 2. Динамика связывания углерода (в петаграммах, 1015 г C за год) наземными экосистемами начиная от уровня 1850 года согласно 11 разным моделям. Видно, сколь велик разброс в оценках прошлого и в прогнозах на будущее. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Оценить роль наземных экосистем в круговороте углерода непросто и потому, что в используемых для этого моделях процесс создания органического вещества, протекающий в надземных частях растений, рассматривается совершенно отдельно от процессов разложения органического вещества, происходящих в почве. На самом деле «надземные и «подземные» процессы, конечно, взаимодействуют, но как — не всегда ясно. Особенно плохо известно, что происходит в почве. Если, к примеру, органическое вещество сосредоточено преимущественно в самых верхних слоях, а корни растений располагаются гораздо глубже — там, где больше почвенной влаги или близок водоносный слой, то в случае быстрого наступления засухи разложение органического вещества может остановиться, а фотосинтез будет продолжаться (экосистема будет работать как «сток» углерода). Но если воды будет не хватать корням, то резко затормозится и фотосинтез.

Важно учитывать и то, что экосистемы суши реагируют не столько на средние показатели климата, сколько на конкретную обстановку, сложившуюся в определенном месте в определенное время. Так, сильнейшая жара в Европе летом 2003 года привела к столь резкому снижению первичной продукции (сумарного количества органического вещества, произведенного растительностью за определенное время; поскольку вещество это образовано в ходе фотосинтеза, то его можно выражать и в количестве связанного углерода; см. Primary production), что свела на нет результаты накопления органического вещества за предыдущие 4 года (см.: Ciais et al. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the heat and drought in 2003). Кроме того, после таких сильных засух нередко наблюдается массовая гибель деревьев в последующие года. Жара, особенно если она сопровождается ветрами, резко повышает вероятность возникновения крупных лесных пожаров, в результате которых в атмосферу попадает огромное количество СО₂.

В своей статье Хайманн и Райхштайн приводят обобщенные схемы трех примеров, иллюстрирующих то, как происходящее внутри экосистем может сказываться на круговороте углерода, в частности на соотношении процессов выделения его в атмосферу и поглощения из атмосферы.

Рис. 3. На фоне карты, показывающей для всех континентов богатство почвы органическим веществом (шкала условных цветов на врезке слева; цифры — кг органического углерода на м2), приведены схемы трех групп взаимосвязанных процессов, приводящих к усилению выделения в атмосферу парниковых газов. Все эти процессы запускаются повышением температуры или увеличением содержания в атмосфере СО2. a. Влияние таяния вечной мерзлоты. b. Влияние добавления легко разлагаемых органических веществ (например, корневых выделений в условиях повышенной первичной продукции). c. Влияние взаимодействия циклов углерода и азота. Подробности в тексте. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Первый пример (рис. 3a) касается районов вечной мерзлоты, где, по существующим оценкам, в замороженном состоянии находится по крайней мере 400 петаграмм (4 ? 10¹¹ тонн; «пета-» означает 1 ? 10¹⁵) углерода органического вещества. Очевидно, что при повышении температуры воздуха возникает угроза поступления в атмосферу огромного количества метана и СО₂. Важно при этом не только прямое нагревание замерзшей почвы солнечными лучами, но и то тепло, которое начинает выделяться изнутри, при разложении бактериями оттаявшего органического вещества (аналогичный разогрев происходит в любой куче гниющих растительных остатков). Таким образом тепловой эффект усиливается, что способствует выделению еще большего количества метана и углекислого газа.

Второй пример (рис. 3b) иллюстрирует ситуацию, когда добавление в систему нового, легко разлагаемого бактериями субстрата (например, глюкозы и даже целлюлозы) приводит к тому, что размножившиеся бактерии принимаются за разложение старого более устойчивого органического вещества. Такое происходит, в частности, когда в ответ на увеличение содержания в атмосфере СО₂ стимулируется рост корней растений и выделение ими в среду легко разлагаемых органических веществ. Эти вещества дают пищу бактериям и активизируют тем самым их деятельность по разложению более глубоко лежащих органических веществ, ранее остававшихся стабильными. В результате также может достигаться значительное усиление процесса выделения в атмосферу углерода.

Третий пример (рис. 3c) касается взаимодействия циклов азота и углерода. Во многих случаях рост первичной продукции, произошедшей в условиях более высокой концентрации атмосферного СО₂,приводит к дефициту азота, причем не только для самих растений, но и для микроорганизмов, осуществляющих деструкцию органических веществ. В частности, грибы в таких условиях в качестве источника азота начинают активно использовать лигнин (очень стойкое вещество растительных клеточных стенок), который ранее оставался нетронутым. Таким образом в круговорот вовлекается дополнительное количество пребывавшего ранее в почве органического вещества. При этом, естественно, увеличивается и количество СО₂, поступающее в атмосферу.

В заключение авторы подчеркивают, что, несмотря на значительную неопределенность в существующих оценках, очевидно, что наземные экосистемы могут работать как усилители воздействия повышенных температур на эмиссию парниковых газов. Однако для получения надежных количественных прогнозов нужны дополнительные данные. В частности, полезными могут оказаться результаты длительных многофакторных экспериментов в сочетании с наблюдениями, не нарушающими структуру экосистем (прежде всего — с оценкой потоков углерода).

Источник: Martin Heimann, Markus Reichstein. Terrestrial ecosystem carbon dynamics and climate feedbacks // Nature. 2008. V. 451. P. 289–292 (текст статьи будет находиться в открытом доступе в течение полугода после публикации).

<< Назад