Ключевыми показателями для определения экстремальных погодных условий являются избыточная температура, осадки и влажность воздуха.
Недавние исследования показали, что за последние 50-150 лет значения среднемесячной температуры, средней влажности воздуха, а также объем экстремального количества выпадения осадков выросли.
Большинство ученых полагают, что причиной столь непредсказуемых катаклизмов является антропогенное (вызванное человеческой деятельностью) накопление парниковых газов в атмосфере.
Тщательно смоделированные эксперименты и анализ экстремальных погодных условий показали, что вызванное человеческой деятельностью изменение климата является причиной погодных катаклизмов.
Парниковые газы, преимущественно диоксид углерода, а также метан, озон и оксид азота, на протяжении миллионов лет выделялись из почвы и воды в атмосферу благодаря естественным процессам, таким как дыхание животных, дегазация болот и жизнедеятельность азотфиксирующих бактерий. Эти же газы расщеплялись в ходе других природных процессов и возвращались на исходные позиции, образуя замкнутый цикл. До тех пор, пока объемы выделения парниковых газов и их потребления в биосфере остаются сбалансированными, изменения климата нам не грозят.
Определенный уровень парниковых газов в атмосфере нам даже необходим. Они поглощают солнечное излучение так, что Земля отражает его меньшую часть обратно в космос. За счет этого растет количество тепла, запускающего планетарные процессы, которые формируют погоду. Без парниковых газов Земля была бы покрыта льдом круглый год и была непригодной для выживания человека.
Концентрация газа в атмосфере измеряется в единицах, называемых «миллионные доли» (мд).
Азот, кислород и аргон - основные газы нашей атмосферы - вместе насчитывают 999,000 миллионных долей. За всю историю существования человека доля диоксида углерода (он же - углекислый газ) в атмосфере составляла примерно 280 мд или менее 0,03%.
Нарушение углеродного цикла
С момента возникновения земледелия - примерно 12 тыс. лет назад - человек начал вырубать леса, расчищать земли и активно обрабатывать почву. Все это вело к выбросу избытков диоксида углерода в атмосферу. С помощью анализа и техник изучения глубинного льда, ученые обнаружили первые скачки концентрации диоксида углерода и метана в атмосфере, которые соответствуют началу развития земледелия в Месопотамии и Китае несколько тысяч лет назад.
Относительно недавно, начиная примерно с 1750 года, по мере все более активного использования ископаемых видов топлива и индустриализации сельского хозяйства, масштаб и количество связанных с человеческой деятельностью источников выброса парниковых газов резко увеличивается. В результате увеличения объема парниковых газов, поступающих в атмосферу, и замедления темпов возвращения их в почву доля диоксида углерода в атмосфере постоянно растет и достигает в наши дни 400 мд.
Масштаб проблемы
Отметим, что все вычисления сделаны с применением метрической системы, согласно которой тонна - это метрическая тонна, которая весит 1000 килограмм или 2204,6 фунтов. Гигатонна составляет миллиард метрических тонн. Гектар составляет 10 000 квадратных метров или 2,47 акра.
Ученые подсчитали: для того, чтобы избежать катастрофических изменений климата, нам необходимо снизить концентрацию диоксида углерода в атмосфере до уровня в 350 мд. (данные NASA).
Одна миллионная доля диоксида углерода в атмосфере составляет примерно 7.8 Гигатонн. Молекула диоксида углерода состоит преимущественно из кислорода, углерода - чуть больше четверти (27,3%, если быть точным).
Таким образом, одна миллионная доля диоксида углерода в атмосфере содержит 2.125 Гт углерода (для наглядности это сопоставимо с весом куска твердого графита размером в кубический километр).
Как снизить выбросы в атмосферу
Безусловно, человечество должно прекратить избыточный выброс парниковых газов в атмосферу. Установлено, что две трети этих выбросов происходят в процессе сжигания ископаемых видов топлива. Необходимо бороться с нашей зависимостью от ископаемых видов топлива и разрабатывать альтернативные источники энергии. Правительствам разных стран это хорошо известно. Для решения этой задачи были созданы международные группы. Возможно, это станет одной из самых сложных перемен в истории человечества, но если мы хотим выжить, нам нужно найти способы и разработать механизмы достижения этой цели. Но это не единственная проблема.
Давайте представим, что завтра мы остановим все выбросы в атмосферу. Но парниковые газы, которые уже выпущены в атмосферу, будут нагревать планету в течение столетий. Это тепло растопит лед и ледяные почвы и приведет к повышению уровня моря и выпуску в атмосферу больших объемов замороженных до сих пор парниковых газов.
В Арктике, например, в замороженном состоянии находится большое количество метана, который по мере таяния льда тоже становится парниковым газом и переходит в атмосферу. Огромное количество углерода таится в вечной мерзлоте. При потеплении окружающей среды его будут перерабатывать микробы, и он начнет выделяться в атмосферу как диоксид углерода. В бескислородной среде – в болоте или на переувлажненных землях – другие микробы способны выделить этот углерод в виде метана.
Поэтому просто снижения выбросов недостаточно. После того как мы это сделаем, нужно будет еще остановить глобальное потепление. Если сейчас мы находимся на отметке примерно 400 мд. и хотим вернуться к уровню в 350 мд., нам необходимо извлечь углерод из атмосферы и где-то его захоронить. Т.е. нам необходимо найти долгосрочное место хранения для 50 мд. углекислого газа, что составляет 106,25 Гт чистого углерода.
Куда девать углерод?
70% поверхности планеты покрыто водой и непригодно для безопасного хранения атмосферного углерода. Диоксид углерода растворяется в воде и образует угольную кислоту. Вот уже несколько десятилетий мы наблюдаем эффект постепенного увеличения концентрации углекислоты в наших океанах. Водородный показатель (pH) океана снижается, а повышение кислотности губит многие формы морской жизни, включая моллюсков, кораллы и планктон.
Углерод, который хранится в почве - совершенно другая история. Именно из почвы углерод поступает в биосферу, и именно почве он необходим.
По оценкам ученых, мировой почвенный покров потерял 136 Гт углерода с момента начала индустриальной революции, расчистки земель и их культивации. То есть из-за нашей сельскохозяйственной активности почва потеряла больше углерода, чем нам необходимо вернуть обратно сейчас.
Сколько еще углерода содержится в почве? Ученые считают, что в верхнем слое почвы толщиной тридцать сантиметров (примерно один фут) содержится примерно 700 Гт углерода. Если взять верхний почвенный метр полностью (а это больше трех футов), то содержание углерода в нем будет вдвое больше - примерно 1500 Гт.
Очевидно, что почва, в которой мог храниться весь этот углерод, в состоянии принять его назад. Но прежде чем мы попытаемся ответить на вопрос, как упрятать 106,25 Гт углерода обратно в почву, давайте лучше разберемся в природе самой почвы.
Углеродный голод почвы
Почва - живой организм. Она полна бактерий, грибов, водорослей, простейших, нематод и других самых разных существ. В чайной ложке здоровой почвы микробов больше, чем людей на земле. Само собой, как и все углеродные формы жизни, это разнообразнейшее сообщество нуждается в постоянных поставках органического вещества, чтобы выжить. Это органическое вещество (примерно 58% которого со- ставляет углерод) представлено самими живыми организмами, их экскрементами и выделениями, которые часто являются простыми сахарами, их останками, часто состоящими из углеводов типа целлюлозы. Эти соединения богаты энергией, легкодоступны для потребления различными организмами и быстро ассимилируются микробами почвы. Например, период полураспада простых сахаров в верхних слоях почвы до момента их поглощения может составлять меньше часа.
Ненасытный аппетит почвенных организмов к углероду означает, что в здоровой почве они быстро поглощают все доступное органическое вещество. Оно либо идет напрямую в их тела, либо перерабатывается в энергию, выделяя при этом углекислый газ. Так, микробы, обитающие на акре кукурузы в штате Айова, выделяют больше диоксида углерода, чем 25 здоровых мужчин за работой. Как только эти микробы умирают, углерод из ихтел становится доступным для других организмов, которые запускают процессы органического разложения и высвобождения углерода в атмосферу.
Активность почвенных организмов подчинена как сезонным, так и дневным циклам. Не все организмы активны в одно и то же время. В любой момент времениих большая часть едва активна или находится в состоянии покоя. Важным фактором, который влияет на популяцию и уровень активности почвенных организмов, является доступ к питанию (данные FAO).
Фотосинтез
Но если углерод так быстро поглощается почвой, почему он тут же не исчезает? Потому что растения постоянно обновляют его запас. На протяжении 3,5 миллиардов лет с момента их эволюции, растения успешно существовали, используя свою выдающуюся способность поглощать углерод из воздуха и трансформировать его в живую материю. Этот процесс, разумеется, называется фотосинтезом, его изучение входит в школьную программу.
Вот как это работает: молекулы хлорофилла в листьях растений позволяют им поглощать энергию света и использовать ее для расщепления молекул воды (H2O) на атомы водорода и кислорода. Затем растение выделяет атомы кислорода в виде молекулярного кислорода (два атома кислорода составляют молекулу кислорода - O2) обратно в атмосферу и временно удерживает атомы водорода.
На второй стадии фотосинтеза атомы водорода соединяются с молекулами диоксида углерода (CO2), образуя простые углеводы, такие как глюкоза (C6H12O6). Этот процесс, как и все химические реакции, зависит только от доступности реагентов.
Поскольку диоксид углерода присутствует в атмосфере в крайне низкой концентрации (сейчас 0,04%), он является ограничивающим фактором процесса.
При более высоких концентрациях этого газа из солнечного света будет получено больше энергии, и растению потребуется больше воды для увеличения производства углеводов. В других условиях, например, ночью или в засуху, вода или свет могут являться ограничивающими факторами.
Масштаб процесса поистине впечатляет. Один акр пшеницы может переработать 8900 фунтов (4036 кг) углерода за год в форме его диоксида, соединив его с водой и превратив в глюкозу. В результате будет получено 22 тыс. фунтов (почти 10 тыс. кг) глюкозы. Процесс идет настолько активно, что ежегодно через фотосинтезирующие организмы проходит примерно 15% всего диоксида углерода мировой атмосферы.
Корневые выделения
Благодаря фотосинтезу растения и другие фотосинтезирующие организмы (например, сине-зеленые водоросли) наделены особой ролью в жизни. Все живые существа являются углеродными формами жизни, и для выживания им необходим углерод. Если ты можешь извлечь углерод из воздуха, как это делают растения,то у тебя есть принципиальное преимущество. Но если ты не можешь создавать углеродные соединения, тебе нужно их откуда-то получать.
Одной из наиболее удивительных вещей, которую ученые узнали о растениях и почвенных организмах, является их способность выстраивать взаимовыгодные (симбиотические) отношения, возникшая в результате длительного эволюционного процесса.
Когда растения в процессе фотосинтеза производят углеводы в своих хлоропластах, часть соединений они используют для построения своих клеток и структуры, часть перерабатывают в жизненную энергию. Но значительное количество продуктов фотосинтеза, таких как жидкие углеродные соединения, они выделяют в почву. От 20 до 40% углерода, выработанного растением в процессе фотосинтеза, поступает в ризосферу (участок почвы, непосредственно прилегающий к корням).
Зачем же растению фактически сливать сахарный сироп в почву?
Ответ прост. Как приманку. Тут же появятся голодные бактерии, грибы и другие почвенные организмы, которые рады полакомиться вкусными углеродосодержащими корневыми выделениями. Но скоро они захотят больше и лучший способ их удержать - помочь растению производить больше питательных элементов. Если растение сильное и здоровое, фотосинтез и выделение углерода идет активнее.
Таким образом, микробы различными способами помогают росту и жизнедеятельности растения, а также более активному производству углерода в виде жидких соединений.
По мере изучения биохимических процессов в почве мы обнаружили, что через корневые выделения растения могут контролировать большую часть окружающей их среды – регулировать состав почвенной микробиоты, отпугивать травоядных животных, «заказывать» поставки питательных веществ, менять химические и физические характеристики участка почвы, на котором они растут, тормозить рост растений-конкурентов.
Симбиоз микроорганизмов
Нужно отметить, что большая часть изложенного ниже все еще находится в стадии изучения. Почвы - это огромное поле для исследований, во многом еще только предстоит разобраться.
Сообщество микроорганизмов чрезвычайно разнообразно - большинство видов невозможно культивировать в лабораториях на базе современных технологий.
Сообщество почвенных микроорганизмов на 90% составляют бактерии и грибы. Точное соотношение между двумя царствами организмов варьируется. В нетронутых почвах, таких как луговые и лесные, доминируют грибы, чьи тончайшие нитевидные гифы находятся там в безопасности. При этом культивация или использование синтетических азотных удобрений сокращает грибную популяцию.
Процветание микроорганизмов зависит, прежде всего, от того, насколько они защищены непосредственно окружающей их физической средой. Защита может быть обеспечена глинами, которые, как считают ученые, могут поддерживать оптимальный pH, абсорбировать вредные метаболиты и/или препятствовать пересыханию почв. Небольшие поры в субстратах, предположительно, служат для укрытия мелких организмов, таких как простейшие, от более крупных. Защищенные организмы погибают в пределах менее 1% за день, в то время как гибель незащищенных организмов достигает 70% ежедневно.
Бактерии
Бактерии - великолепные химики. Отдельная группа, называемая «ростостимулирующие ризобактерии», улучшает жизнь растений за счет ряда биохимических реакций. Одни «улавливают» атмосферный азот, преобразуя его в форму, доступную для растений. Другие синтезируют фитогормоны, которые стимулируют различные стадии развития растения. Третьи могут переводить в растворимую форму фосфаты - слаборастворимые, но очень важные питательные соединения,- и делают их доступными для развития растений, или синтезируют натуральные фунгициды, чтобы помочь растениям противостоять грибковым заболеваниям. Один из видов таких ризобактерий выделяется из самых обычных растений, например, из пшеницы, белого клевера и чеснока. Этот вид бактерий производит различные антибиотики - вещества, которые борются с патогенами и помогают растениям противостоять болезням.
Грибы и микориза
Другой пример симбиоза микроорганизмов и растений - древовидная микориза. В этом симбиозе грибы осваивают две разные среды: корни растения-хозяина и окружающую почву, соединяя обе своими длинными гифами. Через эти гифы растение-хозяин эффективнее всасывает влагу и минеральные питательные вещества.
Эта взаимосвязь была зарегистрирована в отношении многих минералов, включая фосфор, азот, цинк и медь. По некоторым оценкам, более 90% наземных растений извлекают пользу из дружбы с древовидными микоризными грибами.
Некоторые ученые считают, что 85-90% необходимых растениям питательных веществ, они получают в процессе углеродного обмена, где корневые выделения обеспечивают питание микроорганизмам в обмен на минералы или микроэлементы, которые иначе растению недоступны. Подобные отношения выгодны для обеих сторон без каких-либо затрат. Единственную дополнительную энергию дает солнечный свет, что позволяет теперь более сильным, благодаря симбиозу, растениям производить больше соединений для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов.
Почвенные агрегаты
Важными элементами являются структурные элементы почвы, называемые «агрегатами». Если сжать в ладони горсть здоровой почвы, а затем отпустить, она должна выглядеть как кучка гороха. Это и есть агрегаты. Если почва остается в виде твердых кусков, значит, она плохо агрегирована.
Агрегаты достаточно устойчивы, чтобы противостоять ветряной и водной эрозии, но в то же время достаточно пористы, чтобы вода, воздух и корни могли проходить сквозь них.
Агрегаты являются фундаментальными функциональными единицами почвы и играют роль, аналогичную роли корневых клубеньков бобовых, создавая защищенное пространство.
Гифы микоризных грибов помогают формировать агрегаты, создавая «сумку из липких нитей», которая сворачивает и опутывает частички почвы. Жидкие углеродосодержащие соединения, выделяемые корнями растений и грибов, обеспечивают производство клейкой субстанции и смол для формирования стенок агрегата. Внутри этих стенок присутствует высокая биологическая активность, опять же поддерживаемая за счет углеродных выделений.
Большая часть агрегатов связана с корнями растений, часто с более тонкими боковыми корнями, или с сетью грибных микориз, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть. Содержание влаги внутри агрегата выше, чем снаружи, а давление кислорода внутри ниже. Эти важные особенности позволяют удерживать азот и обеспечивают условия для других биохимических реакций.
Одной из важнейших склеивающих субстанций, которая удерживает частицы почвы в агрегате, является гликопротеин, называемый «гломалин». Стабильность гломалина и агрегатов почвы, видимо, прочно связаны. Открытый только в 1996 г. гломалин, как считают ученые, составляет 27% углерода в почве и в зависимости от условий сохраняется на протяжении более 40 лет. Гломалин, по-видимому, синтезируется древовидными микоризными грибами с использованием жидких углеродных соединений, выделяемых растениями. Он позволяет гифам грибов прикрепляться к корням и почвенным частицам и преодолевать воздушные лакуны.
Теперь, когда мы узнали больше о почве и о том, как растения перекачивают в нее углерод, чтобы поддерживать симбиотические отношения с микробами, вернемся к уже заданному вопросу.
Так как быстро вернуть углерод в почву, чтобы нивелировать риски погодных катаклизмов?
Выше уже говорилось, что одна миллионная доля диоксида углерода в атмосфере содержит 2,125 Гт чистого углерода. Если это так, и мы находимся на отметке в 400 мд, планируя достичь 350 мд, то нам нужно вернуть 50 мд или 106,25 Гт углерода в почву.
Мы знаем, что весь этот объем углерода усвоится почвой, потому что именно оттуда он и поступил в атмосферу. Почва потеряла 136 Гт углерода в процессе освоения почв и развития земледелия с начала индустриальной эпохи.
Но насколько быстро мы можем вернуть весь этот углерод обратно в почву? За последние 20 лет, с тех пор как люди задумались о возвращении углерода в почву, было проведено много исследований с целью измерения скорости, с которой фотосинтез сельскохозяйственных культур может производить почвенный углерод.
Мы изучили ряд исследований, проведенных за последнее десятилетие, которые охватывают различные типы почв и системы земледелия на пяти континентах. Эти исследования используют различные методологии и, конечно, дают весьма отличающиеся результаты.
Но читая их, некоторые вещи становятся очевидны.
1. Возделывание многолетних культур может восстанавливать больше углерода, чем другие методы земледелия. Результаты всех исследований пастбищных угодий говорят об исключительном количестве восстановленного углерода в диапазоне от 1,9 до 3,2 тонн углерода на акр в год, в среднем - 2,6 тонны. Есть ряд исследований, согласно которым при возделывании много- летних культур вырабатывается большое количество почвенного углерода, и есть основания полагать, что многолетние древесные культуры тоже к этому способны. Одно из исследований показало, что истощенные почвы шахтных отвалов, на которых возделывались посадки белой акации (древесное растение семейства бобовых) с коротким циклом ротации, вырабатывали 2,8 тонн углерода на акр в год. Для того чтобы полностью оценить вклад многолетних древесных или травянистых культур в восстановление углерода в почве потребуются дополнительные исследования.
2. Использование химических удобрений, особенно фосфорных и азотных, серьезно сокращает, а часто и прекращает любую выработку углерода в почве. Напротив, надлежащее использование навоза и компоста, по-видимому, не препятствует увеличению углерода в почве.
3. Исследования пропашных культур, даже выращенных без синтетических химикатов, показали более низкую выработку углерода по сравнению с пастбищными исследованиями, от 0,23 до 1,66 тонн на акр (в среднем 0,55 т.).
4. Качество ведения сельского хозяйства в исследованиях было различным, особенно в отношении пропашных культур. Фактически во всех исследованиях высокие урожаи про- пашных культур наблюдались при использовании навоза и компоста вместо химических удобрений. Но степень воздействия других важных факторов аккумуляции углерода в почве - поддержание постоянного растительного покрова, использование широкого диапазона покровных культур, минимизация обработки земли - точно не ясна. Однако стоит отметить, что в опытах с наиболее высоким показателем прироста углерода (1,66 тонн на акр кукурузы) использовались агротехнологии без обработки почвы.
Давайте на основании этих усредненных опытных данных сделаем несложный расчет, который поможет нам оценить способность сельского хозяйства вернуть 106,25 Гт углерода в почву.
По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), на Земле 8,3 миллиарда акров (3,32 млрд га) лугов и 3,8 миллиарда акров (1,52 млрд га) пахотных земель. Если бы каждый ежегодно использовал на этих площадях методы, способствующие накоплению углерода в почве, луга могли бы восстановить 21,6 Гт, вырабатывая в среднем 2,6 тонны на акр (6,5 тонн на га), а пахотные земли - 2,1 Гт, вырабатывая 0,55 тонн на акр (1,38 т/ га). Что дает нам в сумме 23,7 Гт в год. Поскольку нам нужно восстановить 106,25 Гт, то это возможно менее чем за пять лет.
Стабильный углерод
Само собой, если мы хотим удержать большой объем углерода в почве, нужно сделать его труднодоступным для микроорганизмов. Иначе, в конце концов, весь наш углерод будет переработан и выделен в форме диоксида углерода обратно в атмосферу. Многие исследования анализировали различные методы обработки почв органическими веществами, которые способствовали бы ее устойчивости к воздействию биохимических факторов. Одно 10-летнее исследование сравнивало состояние двух сходных участков, на одном из которых в почву вно- сились органические остатки, а на другом - изымались с ее поверхности. Другое длилось 31 год и сравнивало разные варианты севооборотов и применения удобрений на разных участках, получая разброс в накоплении почвенного углерода до 50%. Третье сравнивало участок, где остатки сельхозкультур много лет сжигались, с другим, где остатки зарывали в землю. В данных исследованиях ученые измеряли содержание органического вещества в почве и не находили значимых различий между участками, кроме разницы в уходе за ними.
Если микроорганизмы будут просто активно размножаться и потреблять весь имеющийся углерод, нам никогда не достичь его высокого уровня содержания в почве. И все же, из истории известно, что содержание органического вещества в почве в диапазоне от 6 до 10% было весьма распространено, а в некоторых типах почв достигало 20%. Что же не давало почвенным организмам разрушать органическое вещество почвы раньше?
Это одна форма почвенного углерода, которая годами остается стабильной - гумус. Он состоит из сложных молекул, содержащих углерод, но почвенной биоте не так-то просто его заполучить. Ученые пока не пришли к единому мнению по поводу того, как гумус формируется или как он противостоит разложению. Одни считают, что гумус является крайне трудно разлагаемым соединением углерода, которое образуется в процессе разложения микро- организмами корней и корневых продуктов.
Другие полагают, что механизмы, обеспечивающие физическую устойчивость почвенного углерода, связаны или с его способностью противостоять агрессии микробных ферментов, благодаря адсорбции на почвенных минералах, или с его защитой почвенными агрегатами. Первые предполагают, что химическая связь с частицами глины или почвенными коллоидами достаточно прочна для противостояния атаке разрушающих ферментов. Вторые считают, что от атаки ферментов молекулы гумуса спасает низкое содержание кислорода или других агрессивных веществ внутри почвенного агрегата. Есть также теория, которая связывает устойчивость почвенного углерода к микробному разложению с глубиной его расположения в почве.
Ряд ученых, однако, склоняется к тому, что стабильный углерод образуется не в процессе разложения остаточного органического вещества, а непосредственно из жидких углеродных соединений. Согласно этой точке зрения гумус является продуктом синтеза почвенных организмов, а не разложения органической материи. Исследования, подкрепляющие эту точку зрения, показывают, что гумус является органоминеральным комплексом химических соединений, который состоит на 60% из углерода, на 6-8% из азота и химически связанных почвенных минералов, таких как фосфор, сера, железо и алюминий.
Существуют также некоторые доказательства того, что состав гумуса основан на особых пропорциях его основных компонентов, не только между углеродом и азотом, но и между углеродом и серой. Один из исследователей утверждает, что гумус может образовываться только в специализированных почвенных агрегатах, где происходит активная азотфиксация, а фосфор и сера присутствуют в виде растворов.
Почвоведы узнают все больше о компонентах почвы и микробиологических процессах, формирующих гумус, а значит, и мы сможем лучше понять, как помочь его образованию.
Существует доказательство того, что формирование органического вещества почвы - это не просто внесение в нее органических остатков. Да, это создает условия для процветания микробных сообществ и может оказать благоприятное воздействие на урожай. Но для формирования долгосрочного углерода требуется все же больше усилий.
Нам нужно знать, какие методы следует использовать для накопления и сохранения углерода в нашей почве.
