Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Максим Кронгауз
«Самоучитель олбанского». Глава из книги


Ли Биллингс
«5 000 000 000 лет одиночества». Глава из книги


А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


А. Захаров
Нейрогастрономия


А. Водовозов
С запахом горького миндаля


В. Власюк
50 лет САО


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Повышение концентрации CO2 в атмосфере стимулирует выделение из почвы других парниковых газов


В ответ на рост содержания в воздухе СО2 растения снижают интенсивность транспирации (испарения воды листьями), но связывают при этом больше СО2. Из статьи Alexander Knohl and Edzo Veldkamp
Рис. 1. В ответ на рост содержания в воздухе СО2 растения снижают интенсивность транспирации (испарения воды листьями), но связывают при этом больше СО2. Уменьшение транспирации приводит к тому, что из почвы откачивается меньше воды. Соответственно, возрастает увлажненность почвы, ухудшается ее аэрация, возникают участки, где кислород практически отсутствует (состояние аноксии). В отсутствие кислорода в почве развиваются бактерии, которые при получении необходимой им энергии в качестве окислителя используют азот. Начинается процесс денитрификации, в ходе которого азот последовательно восстанавливается. На одном этапе этого процесса в воздух выделяется закись азота (N2O). С другой стороны, в условиях обилия СО2 растения растут быстрее, в частности увеличивают массу корней. При этом корнями в почву выделяется большое количество лабильного органического вещества, которое охотно используется бактериями. В местах, где нет кислорода, преимущество получают бактерии метаногены. Конечный продукт их метаболизма, выбрасываемый во внешнюю среду, — это метан. Закись азота и метан — газы, обладающие сильным парниковым эффектом. Из статьи Alexander Knohl, Edzo Veldkamp. Global change: Indirect feedbacks to rising CO2 // Nature. 2011. V. 475. P. 177–178

По мере того как в атмосфере растет содержание углекислого газа (CO2), увеличивается и связывание его растениями. Соответственно, скорость дальнейшего прироста CO2 снижается, а парниковый эффект ослабляется. Однако рост содержания CO2 в атмосфере приводит также к усиленному выделению из почвы других парниковых газов: закиси азота (N2O) и метана (CH4). Хотя поступают эти газы в очень небольших (относительно CO2) количествах, их парниковый эффект в расчете на молекулу газа гораздо более сильный, чем CO2. Анализ опубликованных данных показывает, что выделение N2O и CH4 в ответ на увеличение содержания в воздухе CO2 создает парниковый эффект, равносильный ежегодному добавлению примерно миллиарда тонн CO2. Регулирующее воздействие растительности на парниковый эффект при этом снижается примерно на 17%.

Содержание диоксида углерода (углекислого газа) в атмосфере Земли на протяжении всей ее истории не отличалось постоянством. Особенно подробно изменения концентрации CO2 прослежены за последние 850 тыс. лет, для которых есть данные анализа пузырьков воздуха, сохранившихся в толще антарктического льда (см.: Антарктический лед поведал о содержании метана и CO2 в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет). На протяжении всего этого времени не было, однако, периода, в течение которого содержание CO2 росло бы столь быстро, как в XX веке и в начале XXI-го. Причина такого необычно быстрого роста — сжигание ископаемого топлива. Если до начала индустриальной революции концентрация CO2 в атмосфере оценивалась в 280 ppm (part per million, частей на миллион), то сейчас она составляет 390 ppm. К концу же столетия ожидается 600–700 ppm.

Поскольку CO2 обладает парниковым эффектом, то есть удерживает в нижних слоях атмосферы тепло, которое излучает нагретая солнцем земля, рост его концентрации приводит к общему потеплению. Однако в ответ на увеличение концентрации CO2 возрастает интенсивность фотосинтеза растений, а следовательно, связывается дополнительное количество этого газа. Благодаря наличию такой обратной связи содержание СО2 в атмосфере и определяемый этим газом парниковый эффект растут не так быстро, как это было бы в отсутствие зависимости интенсивности фотосинтеза от концентрации CO2.

Увы, помимо механизма, сдерживающего рост CO2 в атмосфере, параллельно ему действует механизм, усиливающий парниковый эффект. Дело в том, что увеличение содержания CO2 в атмосфере стимулирует эмиссию (выделение) из почвы других парниковых газов, а именно закиси азота и метана — N2O и CH4. Хотя концентрация их в атмосфере на порядки ниже концентрации CO2, создаваемый ими парниковый эффект в расчете на молекулу газа существенно больше: для CH4 в 25 раз, для N2O — в 298 раз. Образование данных газов в почве и выделение их в атмосферу в ответ на рост содержания CO2 — результат целой цепочки последовательно развивающихся процессов.

Первый из них — формирование в толще почвы анаэробных условий. Непосредственная причина — избыточное увлажнение почвы, резкое ухудшение аэрации. А увеличивается увлажненность из-за того, что растения при высокой концентрации в воздухе CO2 не открывают полностью устьица и ослабляют транспирацию — испарение листьями воды, поглощаемой из почвы (рис. 1).

Ослабление транспирации невольно приводит к сокращению объема воды, «откачиваемой» растением из почвы. В ее толще появляются микрозоны, в которых кислород отсутствует. Закись азота образуется в почве за счет деятельности аэробных нитрифицирующих и анаэробных денитрифицирующих бактерий. Нитрифицирующие бактерии существуют за счет энергии, высвобождаемой при окислении азота кислородом воздуха (процесс этот, названный нитрификацией, был открыт нашим соотечественником Сергеем Николаевичем Виноградским еще в конце XIX века).

Но если в среде отсутствует такой выгодный окислитель, как кислород, бактерии, разлагающие органическое вещество, начинают вместо него использовать азот. Это и есть процесс денитрификации, конечным результатом которого является свободный азот N2, а промежуточным – закись азота N2O. Сам азот при этом последовательно восстанавливается. Схема преобразований следующая:

     NO3 → NO2 → NO → N2O → N2 (см. также рис. 2).

Процессы нитрификации и денитрификации нередко протекают одновременно в соседних микрозонах. Некоторые же бактерии являются факультативными анаэробами: при наличии кислорода они используют его в качестве окислителя, а если его нет, переходят на азот (Davidson et al., 2000).

Степени окисления азота. Из статьи Davidson et al.
Рис. 2. Степени окисления азота (от NH4+ до NO3 ) или его восстановления (от NO3 до N2) — результаты реакций, проводимых нитрифицирующими (Nitrifying bacteria, обозначены точками) и денитрифицирующими (Denitryfying bacteria, обозначены пунктиром) бактериями. Сплошные линии указывают реакции, проходящие без участия организмов. Из статьи Davidson et al. Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides // BioScience. 2000. V. 8. P. 667–680 (PDF)

Закись азота выделяется в основном в более сухих местах, и, конечно, там, где много азота. А вот в исходно заболоченных почвах и на заливаемых водой рисовых полях чаще образуется другой парниковый газ — метан. Здесь особенно важно формирование бескислородных зон, поскольку образующие метан бактерии, так называемые метаногены, — строгие анаэробы (см. также: Метаногенез).

Влияние повышения концентрации СО<sub>2</sub> в воздухе на выделение из почвы закиси азота и метана Из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 3. a) Влияние повышения концентрации СО2 в воздухе на выделение из почвы закиси азота (N2O) и метана (CH4) по данным ряда публикаций. Закись азота выделялась на более или менее сухих почвах, а метан — с рисовых полей (Rice) и заболоченных земель (Wetlands). Высота столбиков гистограммы — среднее из результатов 73, 21 и 24 наблюдений. b) Возрастание массы корней (Root biomass) и содержания влаги в почве (Soil water content) в ответ на повышение концентрации СО2 в воздухе. Высота столбиков — среднее из результатов 83 и 55 наблюдений. Из обсуждаемой статьи в Nature

Конечным продуктом окислительно-восстановительных реакций, проводимых бактериями метаногенами для получения энергии, является метан, второй по значимости (после CO2) парниковый газ атмосферы. Важно и то, что при высокой концентрации в воздухе CO2 растения быстро растут, причем увеличивается масса не только надземных частей, но и корней, а растущие корни выделяют во внешнюю среду лабильные органические соединения углерода, которые являются прекрасной пищей для бактерий-метаногенов.

Хотя данные, подтверждающие усиление эмиссии N2O и CH4 в ответ на увеличение концентрации в воздухе CO2, время от времени появлялись в научных журналах, масштабы этого явления были не ясны. И вот недавно вышла обзорная статья Кеес Ван Гронингена (Kees Jan van Groenigen) из Отдела биологии Университета Северной Аризоны (Флагстафф, Аризона, США), который совместно с коллегами из того же и других университетов США проанализировал 49 опубликованных исследований, в которых были приведены сведения об эмиссии закиси азота и метана при повышении концентрации CO2 в воздухе. Общее количество наблюдений — 152.

Рис. 4. Глобальный парниковый эффект закиси азота и метана. Из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 4. Глобальный парниковый эффект закиси азота и метана, выраженный в эквиваленте СO2 (в петаграммах, 1015 г в год). Вверху — N2O на естественных и возделанных сухих землях, ниже — СH4 на естественных заболоченных землях, на рисовых полях, а также на сухих почвах. Внизу суммарный эффект закиси азота и метана (также в петаграммах СO2). Из обсуждаемой статьи в Nature

Выяснилось, что эмиссия N2O возросла в среднем на 18%, а эмиссия CH4 — на 13% с заболоченных земель и на 43% с рисовых полей (рис. 3). Исходя из площадей, занятых теми или иными экосистемами, Гронинген и его соавторы рассчитали, что усиление парникового эффекта за счет возрастания эмиссии закиси азота и метана эквивалентно добавлению в атмосферу за год 1,12 Pg углекислого газа (рис. 4). Один Pg (петаграмм) равен 1015 г или 1 миллиарду тонн. Приведенная исследователями цифра безусловно не является окончательной. Она будет уточняться, в частности и потому, что места проведения наблюдений находятся в основном в средних широтах, а обсуждаемые процессы могут быть широко распространены как раз в тропиках, для которых данных пока очень мало.

Источник: Kees Jan van Groenigen, Craig W. Osenberg, Bruce A. Hungate. Increased soil emissions of potent greenhouse gases under increased atmospheric CO2 // Nature. 2011. V. 475. P. 214–216.

См. также:
1) Alexander Knohl, Edzo Veldkamp. Global change: Indirect feedbacks to rising CO2 // Nature. 2011 V. 475. P. 177–178.
2) E. A. Davidson, M. Keller, H. E. Erickson, et al. Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides (вся статья в PDF, 561 Кб) // BioScience. 2000. V. 50. P. 667–680.

Алексей Гиляров


Комментарии (20)



Последние новости: ЭкологияАлексей Гиляров

16.06
В Старом и Новом Свете птицы сходно реагируют на глобальное потепление
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
4.05
Рост концентрации CO2 в атмосфере способствует увеличению растительного покрова
24.02
Борнео — центр эндемизма птиц современной Индонезии
22.01
Дельфины помогают олушам ловить сардин
11.01
Голоценовые биосообщества изменились после расселения человека по Земле
26.11
Коммуны миролюбивых пауков погибают быстрее, чем агрессивных
12.09
Перевылов трески привел к увеличению разнообразия рыб
2.09
Бурые водоросли не подтверждают экологическую гипотезу чередования гаплоидной и диплоидной стадий
3.08
Новый сорт риса поможет уменьшить выбросы парниковых газов

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия