Углеродный баланс
Углеродный баланс
Углеродный баланс — это разница между поглощением углерода экосистемами (фотосинтез) и выделением углерода в атмосферу при дыхании экосистем.
В глобальном цикле углерода ключевую роль играют наземные экосистемы, в которых органический углерод удерживается в растительной биомассе, в почве и в постепенно разлагающемся органическом веществе.
Посредством процессов фотосинтеза, дыхания, разложения и горения происходит естественный обмен углеродом в форме СО2 и других углеродосодержащих соединений.
Происходящий в ходе этих процессов обмен СО2 между атмосферой и сушей составляет 60 млрд тонн углерода в год, а обмен через границу "океан — атмосфера" — 90 млрд тонн углерода в год. Это означает, что объем естественной эмиссии углерода в атмосферу ежегодно составляет 150 млрд тонн, и такое же количество поглощается океаном и наземными экосистемами.
Глобальный углеродный баланс — это баланс потоков углерода в процессе круговорота углерода между резервуарами "суша↔атмосфера↔океан".
Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Быстрый углеродный цикл происходит при миграции углерода в системе "суша↔атмосфера↔океан". Время оборота определяется объемом резервуара и мощностью обменных потоков. Данный процесс происходит на протяжении нескольких лет для атмосферы, и десятилетий – тысячелетий для растительности, почвы, океана.
Медленный, осадочный углеродный цикл происходит при формировании запасов углерода. Миграция углерода происходит в процессе вулканических извержений, химической и эрозионной активности, осадконакопления. Процесс, связанный с накоплением углерода в горных породах, длится сотни миллионов лет.
Глобальная антропогенная эмиссия углерода и его миграция в атмосфере, океане и суше находятся в равновесии.
Формула глобального углеродного баланса:
EFF + ELUC = GATM + SOCEAN + SLAND, где
EFF – выбросы в результате сжигания ископаемого топлива и производства цемента;
ELUC – выбросы в результате землепользования, изменений в землепользовании и лесопользовании;
GATM – содержание углерода в атмосфере;
SOCEAN – поглощение углерода океаном;
SLAND – поглощение углерода биотой суши.
Углеродный баланс лесов
Леса могут способствовать улучшению глобального баланса углерода в атмосфере за счет накопления углерода в биомассе и почве. Однако среди ученых и общественности существуют разные мнения относительно того, какие леса являются более эффективными: управляемые человеком или неуправляемые. Исследование таких пород деревьев, как европейский бук и норвежская ель, показало, что климатические преимущества управляемых лесов превышают преимущества неуправляемых лесов. Климатические преимущества лесопользования становятся еще более очевидными, когда древесина заменяет ископаемые материалы и ископаемое топливо.
Эти выводы имеют значение для международных конвенций и соглашений по климату, которые обеспечивают основу для учета выбросов парниковых газов.
Резервуарами углерода в лесах являются надземная и подземная биомасса, мертвое органическое вещество (валежная древесина и подстилка), органическое вещество почвы. Биомасса растений – поверхностная и подземная части – является основным резервуаром для поглощения CO2 из атмосферы. Надземная биомасса - это вся биомасса как древесной, так и травянистой живой растительности над поверхностью почвы, включая стволы, пни, ветви, кору, семена и листву. Подземная биомасса - это вся биомасса живых корней.
Биологическую продуктивность лесов является их основной характеристикой, которая определяет ход обменных процессов в лесных экосистемах. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество – валовая продукция. Противоположным фотосинтезу процессом является процесс дыхания растений.
Потери (эмиссия) углерода в лесных экосистемах складываются в основном при рубке и вывозе древесины, в результате лесных пожаров, а также в очагах вредителей и болезней леса и т.п.
Расчеты суммарных годовых потерь осуществляют по формуле:
Loss = Cut + Waste + Burn + Pest + Fuel , где:
Loss – суммарные годовые потери прироста углерода, МтС/год;
Cut – вывоз (эмиссия) углерода заготовленной древесины, МтС/год;
Waste – эмиссия углерода при сжигании (и окислении) древесных отходов и потерь на лесосеках, лесовозных дорогах, верхних и нижних складах, МтС/год;
Burn – эмиссия углерода древесины и подстилки, сгоревших во время лесных пожаров, МтС/год;
Pest – эмиссия углерода фитомассы в очагах вредителей и болезней леса, МтС/год;
Fuel – эмиссия углерода при сжигании отопительных дров, заготовленных в лесу населением самостоятельно, МтС/год.
Таким образом, углеродный баланс лесов, как и любого растительного сообщества, является конечным результатом поглощения CO2 путем фотосинтеза и потерь в результате фотодыхания листьев и автотрофного дыхания ветвей, стеблей и корней, а также антропогенного воздействия.
Углеродный баланс водно-болотных угодий
Как и лесные экосистемы, болота являются эффективным инструментом улавливания и захоронения в них углекислого газа из атмосферы. Xотя лесные экосистемы превосходят болотные по данному показателю, преимущество болот заключается в том, что они являются единственными наземными экосистемами, в которых атмосферный углерод, будучи депонированным в торфяных залежах, исключается из дальнейшего оборота. Захоронение углерода в них происходит в течение многих сотен и тысяч лет.
Углеродный баланс в экосистемах водно-болотных угодий определяется, в первую очередь, условиями окружающей среды, особенно заболачиванием, уровнем рН, питательными веществами и температурой, но антропогенное воздействие также оказывает большое влияние. Углерод, содержащийся в органическом веществе, накапливается там, где годовой объем поступления растительных остатков превышает годовой объем распада. Накоплению способствуют низкие температуры, высокая кислотность, олиготрофность и, самое главное, водонасыщенность. Медленная диффузия кислорода в воде накладывает серьезные ограничения на скорость разложения органического вещества в заболоченных средах.
Многие почвы водно-болотных угодий характеризуются богатым органикой составом, что отражает состояние баланса между поступлением растительных остатков и выходом органического вещества в результате разложения. Там, где органический почвенный материал превышает определенную минимальную толщину или пропорцию, он квалифицируется как органическая или торфяная почва.
Потепление климата, по мнению ряда ученых, приведет к ускорению разложения верхних слоев торфа и выделению в атмосферу углекислого газа, т.е. содержащийся в торфе углерод вновь будет возвращаться в атмосферу. Однако, следует помнить, что накапливание углерода в торфянниках обусловлено не низкими температурами, а гидрологическим режимом. Именно недостаток кислорода на болотах сдерживает разложение органических остатков, поэтому если болота не высохнут, то существенного ускорения разложения органической массы не произойдет. Кроме того, повышение температуры способствует изменению видового состава растительности болот и тем самым увеличивает скорость торфонакопления.
Углеродный баланс сельхозугодий
Особенностью углеродного баланса сельскохозяйственных угодий является то, что потери органического углерода преобладают над его накоплением.
Факторы, приводящие к потере углерода, включают:
Факторы, способствующие накоплению углерода в сельхозугодьях:
Углеродный баланс океана
Океан - один из самых больших резервуаров углерода в земной системе. Океаны поглощают из атмосферы значительную часть антропогенных выбросов углерода. Около трети объема углерода, выброшенного в атмосферу с начала промышленной революции, уже поглощено океаном. Поглощение происходит в два этапа: сначала СО2 растворяется в поверхностном слое воды, а затем он циркулирует и смешивается в водной массе, перемещаясь с поверхности в более глубокие области. На глубине углерод аккумулируется и хранится.
Большая часть этого запаса находится в среднем и глубоком слоях океана. Основную часть запаса углерода океана составляет растворённый неорганический углерод. Его основная масса находится в виде бикарбоната НСО3 - (91%) и карбоната СО3 2 - (9%). Наряду с растворённым неорганическим углеродом, в океане содержится неорганический углерод в виде твёрдого вещества и углерод в виде органического вещества.
Растворимость CO2 в морской воде зависит от температурного режима. С понижением температуры растворимость возрастает. Поэтому в полярных областях процесс поглощения СО2 идет интенсивнее, а в теплых экваториальных районах СО2 может частично выделяться обратно в атмосферу. Углекислый газ выделяется из океана в атмосферу в регионах, где восходящие течения выносят из глубины на поверхность богатую СО2 морскую воду - в тропиках, в Южном океане и на северо-западе Тихого океана. В холодных океанских водах Арктики и высоких широт содержание углекислого газа выше, чем в водах низких широт.
Также донные отложения (формирующиеся при экспорте скелетов и раковин) способны растворяться в морской воде. Это медленный процесс, дающий заметный вклад в изменение запаса углерода в океане лишь в масштабах тысячелетий. Его интенсивность, однако, зависит от степени закисленности океана, которая, в свою очередь, увеличивается при поглощении СО2 океаном. Закисление океана, с одной стороны, увеличивает способность океана поглощать СО2 из атмосферы, с другой - приводит к гибели моллюсков и кораллов.
Заключение
Примерно с 1750 года концентрация углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере начала возрастать. Измеренные в 2021 году концентрации СО2 были почти на 50% выше, чем в доиндустриальную эпоху. Выбросы природных источников углекислого газа более чем в 20 раз превышают выбросы антропогенных источников, но естественные выбросы при этом уравновешиваются за счет процессов фотосинтеза растений и поглощений водоемами.
Глобальный углеродный баланс четко показывает, что темпы роста потока выбросов почти в два раза опережают таковые для поглотителей. Это означает, что атмосфера постоянно перегружается углекислым газом и, в целях уменьшения парникового эффекта, антропогенные выбросы необходимо снижать.
В глобальном цикле углерода ключевую роль играют наземные экосистемы, в которых органический углерод удерживается в растительной биомассе, в почве и в постепенно разлагающемся органическом веществе.
Посредством процессов фотосинтеза, дыхания, разложения и горения происходит естественный обмен углеродом в форме СО2 и других углеродосодержащих соединений.
Происходящий в ходе этих процессов обмен СО2 между атмосферой и сушей составляет 60 млрд тонн углерода в год, а обмен через границу "океан — атмосфера" — 90 млрд тонн углерода в год. Это означает, что объем естественной эмиссии углерода в атмосферу ежегодно составляет 150 млрд тонн, и такое же количество поглощается океаном и наземными экосистемами.
Глобальный углеродный баланс — это баланс потоков углерода в процессе круговорота углерода между резервуарами "суша↔атмосфера↔океан".
Различают быстрый и медленный углеродный цикл. Быстрый углеродный цикл происходит при миграции углерода в системе "суша↔атмосфера↔океан". Время оборота определяется объемом резервуара и мощностью обменных потоков. Данный процесс происходит на протяжении нескольких лет для атмосферы, и десятилетий – тысячелетий для растительности, почвы, океана.
Медленный, осадочный углеродный цикл происходит при формировании запасов углерода. Миграция углерода происходит в процессе вулканических извержений, химической и эрозионной активности, осадконакопления. Процесс, связанный с накоплением углерода в горных породах, длится сотни миллионов лет.
Глобальная антропогенная эмиссия углерода и его миграция в атмосфере, океане и суше находятся в равновесии.
Формула глобального углеродного баланса:
EFF + ELUC = GATM + SOCEAN + SLAND, где
EFF – выбросы в результате сжигания ископаемого топлива и производства цемента;
ELUC – выбросы в результате землепользования, изменений в землепользовании и лесопользовании;
GATM – содержание углерода в атмосфере;
SOCEAN – поглощение углерода океаном;
SLAND – поглощение углерода биотой суши.
Углеродный баланс лесов
Леса могут способствовать улучшению глобального баланса углерода в атмосфере за счет накопления углерода в биомассе и почве. Однако среди ученых и общественности существуют разные мнения относительно того, какие леса являются более эффективными: управляемые человеком или неуправляемые. Исследование таких пород деревьев, как европейский бук и норвежская ель, показало, что климатические преимущества управляемых лесов превышают преимущества неуправляемых лесов. Климатические преимущества лесопользования становятся еще более очевидными, когда древесина заменяет ископаемые материалы и ископаемое топливо.
Эти выводы имеют значение для международных конвенций и соглашений по климату, которые обеспечивают основу для учета выбросов парниковых газов.
Резервуарами углерода в лесах являются надземная и подземная биомасса, мертвое органическое вещество (валежная древесина и подстилка), органическое вещество почвы. Биомасса растений – поверхностная и подземная части – является основным резервуаром для поглощения CO2 из атмосферы. Надземная биомасса - это вся биомасса как древесной, так и травянистой живой растительности над поверхностью почвы, включая стволы, пни, ветви, кору, семена и листву. Подземная биомасса - это вся биомасса живых корней.
Биологическую продуктивность лесов является их основной характеристикой, которая определяет ход обменных процессов в лесных экосистемах. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество – валовая продукция. Противоположным фотосинтезу процессом является процесс дыхания растений.
Потери (эмиссия) углерода в лесных экосистемах складываются в основном при рубке и вывозе древесины, в результате лесных пожаров, а также в очагах вредителей и болезней леса и т.п.
Расчеты суммарных годовых потерь осуществляют по формуле:
Loss = Cut + Waste + Burn + Pest + Fuel , где:
Loss – суммарные годовые потери прироста углерода, МтС/год;
Cut – вывоз (эмиссия) углерода заготовленной древесины, МтС/год;
Waste – эмиссия углерода при сжигании (и окислении) древесных отходов и потерь на лесосеках, лесовозных дорогах, верхних и нижних складах, МтС/год;
Burn – эмиссия углерода древесины и подстилки, сгоревших во время лесных пожаров, МтС/год;
Pest – эмиссия углерода фитомассы в очагах вредителей и болезней леса, МтС/год;
Fuel – эмиссия углерода при сжигании отопительных дров, заготовленных в лесу населением самостоятельно, МтС/год.
Таким образом, углеродный баланс лесов, как и любого растительного сообщества, является конечным результатом поглощения CO2 путем фотосинтеза и потерь в результате фотодыхания листьев и автотрофного дыхания ветвей, стеблей и корней, а также антропогенного воздействия.
Углеродный баланс водно-болотных угодий
Как и лесные экосистемы, болота являются эффективным инструментом улавливания и захоронения в них углекислого газа из атмосферы. Xотя лесные экосистемы превосходят болотные по данному показателю, преимущество болот заключается в том, что они являются единственными наземными экосистемами, в которых атмосферный углерод, будучи депонированным в торфяных залежах, исключается из дальнейшего оборота. Захоронение углерода в них происходит в течение многих сотен и тысяч лет.
Углеродный баланс в экосистемах водно-болотных угодий определяется, в первую очередь, условиями окружающей среды, особенно заболачиванием, уровнем рН, питательными веществами и температурой, но антропогенное воздействие также оказывает большое влияние. Углерод, содержащийся в органическом веществе, накапливается там, где годовой объем поступления растительных остатков превышает годовой объем распада. Накоплению способствуют низкие температуры, высокая кислотность, олиготрофность и, самое главное, водонасыщенность. Медленная диффузия кислорода в воде накладывает серьезные ограничения на скорость разложения органического вещества в заболоченных средах.
Многие почвы водно-болотных угодий характеризуются богатым органикой составом, что отражает состояние баланса между поступлением растительных остатков и выходом органического вещества в результате разложения. Там, где органический почвенный материал превышает определенную минимальную толщину или пропорцию, он квалифицируется как органическая или торфяная почва.
Потепление климата, по мнению ряда ученых, приведет к ускорению разложения верхних слоев торфа и выделению в атмосферу углекислого газа, т.е. содержащийся в торфе углерод вновь будет возвращаться в атмосферу. Однако, следует помнить, что накапливание углерода в торфянниках обусловлено не низкими температурами, а гидрологическим режимом. Именно недостаток кислорода на болотах сдерживает разложение органических остатков, поэтому если болота не высохнут, то существенного ускорения разложения органической массы не произойдет. Кроме того, повышение температуры способствует изменению видового состава растительности болот и тем самым увеличивает скорость торфонакопления.
Углеродный баланс сельхозугодий
Особенностью углеродного баланса сельскохозяйственных угодий является то, что потери органического углерода преобладают над его накоплением.
Факторы, приводящие к потере углерода, включают:
- меньшее поступление надземных и подпочвенных остатков сельскохозяйственных культур по сравнению с естественной растительностью, -ускорение разложения углерода при нарушении обработки почвы,
- уменьшение разнообразия растений за счет выбора нескольких конкретных сельскохозяйственных культур
- применение химических удобрений, часто стимулирующих разложение углерода
- изменение водного режима
- неэффективное управление питательными веществами, такое как избыточное использование азотных удобрений, приводящее к увеличению минерализации оставшегося углерода для получения азота и т. д.
Факторы, способствующие накоплению углерода в сельхозугодьях:
- внедрение устойчивых методов ведения сельского хозяйства, направленных на снижение выбросов парниковых газов и депонирование углерода в растениеводстве
- высаживание травянистых сельхозкультур, способных эффективно поглощать углекислый газ и выделять кислород. Травяные экосистемы оказывают влияние на уменьшение объёма парниковых газов в животноводческом секторе в размере 14,5% антропогенной эмиссии.
Углеродный баланс океана
Океан - один из самых больших резервуаров углерода в земной системе. Океаны поглощают из атмосферы значительную часть антропогенных выбросов углерода. Около трети объема углерода, выброшенного в атмосферу с начала промышленной революции, уже поглощено океаном. Поглощение происходит в два этапа: сначала СО2 растворяется в поверхностном слое воды, а затем он циркулирует и смешивается в водной массе, перемещаясь с поверхности в более глубокие области. На глубине углерод аккумулируется и хранится.
Большая часть этого запаса находится в среднем и глубоком слоях океана. Основную часть запаса углерода океана составляет растворённый неорганический углерод. Его основная масса находится в виде бикарбоната НСО3 - (91%) и карбоната СО3 2 - (9%). Наряду с растворённым неорганическим углеродом, в океане содержится неорганический углерод в виде твёрдого вещества и углерод в виде органического вещества.
Растворимость CO2 в морской воде зависит от температурного режима. С понижением температуры растворимость возрастает. Поэтому в полярных областях процесс поглощения СО2 идет интенсивнее, а в теплых экваториальных районах СО2 может частично выделяться обратно в атмосферу. Углекислый газ выделяется из океана в атмосферу в регионах, где восходящие течения выносят из глубины на поверхность богатую СО2 морскую воду - в тропиках, в Южном океане и на северо-западе Тихого океана. В холодных океанских водах Арктики и высоких широт содержание углекислого газа выше, чем в водах низких широт.
Также донные отложения (формирующиеся при экспорте скелетов и раковин) способны растворяться в морской воде. Это медленный процесс, дающий заметный вклад в изменение запаса углерода в океане лишь в масштабах тысячелетий. Его интенсивность, однако, зависит от степени закисленности океана, которая, в свою очередь, увеличивается при поглощении СО2 океаном. Закисление океана, с одной стороны, увеличивает способность океана поглощать СО2 из атмосферы, с другой - приводит к гибели моллюсков и кораллов.
Заключение
Примерно с 1750 года концентрация углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере начала возрастать. Измеренные в 2021 году концентрации СО2 были почти на 50% выше, чем в доиндустриальную эпоху. Выбросы природных источников углекислого газа более чем в 20 раз превышают выбросы антропогенных источников, но естественные выбросы при этом уравновешиваются за счет процессов фотосинтеза растений и поглощений водоемами.
Глобальный углеродный баланс четко показывает, что темпы роста потока выбросов почти в два раза опережают таковые для поглотителей. Это означает, что атмосфера постоянно перегружается углекислым газом и, в целях уменьшения парникового эффекта, антропогенные выбросы необходимо снижать.