IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ: А КАК У НАС, В АСТРАХАНИ?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последнее время ученые и политики всего мира обеспокоены глобальным потеплением климата Земли и последствиями, которое оно способно вызвать. Глобальное потепление климата Земли связывают, прежде всего, с парниковым эффектом, создаваемым так называемыми парниковыми газами.
Актуальность темы, выбранной для исследования в рамках проведения года Экологии в России, обусловлена объективным увеличением техногенной нагрузки на компоненты окружающей среды.
Я много слышала про парниковый эффект и мне стало интересно, что же это такое, как он образуется, чем угрожает нашей планете и можно ли его оценить количественно, управлять им?
Поиск ответов на эти вопросы является частью задачи моего исследования. Основная же задача сводится к оценке углеродного баланса на территории Астраханской области.
Цель исследования - рассчитать С-баланс (чистый сток С (углерода) для экосистемы Астраханской области.
Для решения поставленных задач мной был изучен доклад Гринпис «Глобальное потепление», в котором ученые климатологи признали, что глобальное потепление существует и вызвано оно ничем иным, как деятельностью человека. По мнению влиятельной организации Гринпис, для решения проблемы глобального изменения климата необходимо значительно сократить выбросы парниковых газов в атмосферу. Снизить парниковые выбросы можно с помощью постепенного отказа от традиционной энергетики и перехода на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и энергоэффективные технологии, например в таких странах как Индия, Китай и США, солнечная энергетика пользуется большим спросом, да и у нас в Астраханской области, за последние несколько лет, увеличилось количество установленных солнечных батарей, способных обеспечивать энергией небольшие населенные пункты.
Так же большую помощь в моем исследовании оказали работа Мокроносова А.Т. «Фотосинтез и изменение содержания СО2 в атмосфере» и статья Швиденко А.З., Нильсон С., Столбовой В.С. и др. «Опыт агрегированной оценки основных показателей биопродукционного процесса и углеродного бюджета наземных экосистем России. Нетто-первичная продукция экосистем». Размеры нетто-первичной продукции (NPP), приведенные в данных источниках, легли в основу расчета поглощения атмосферного углерода при фотосинтезе для различных типов растительных сообществ.
В ходе исследования мной были рассчитаны суммарное поглощение углерода и суммарное поглощение углекислого газа для наиболее распространенной экосистемы Астраханского региона – полупустыни, сформулированы выводы по полученным результатам.
История вопроса
Солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, нагревает ее. Нагретая Земля испускает инфракрасное излучение и охлаждается. Часть инфракрасного излучения поглощается парниковыми газами. Парниковые газы – это газы, создающие в атмосфере экран, задерживающий инфракрасное излучение Земли, в результате чего нагревается поверхность Земли и нижний слой атмосферы.
Парниковый эффект имел место почти на всем протяжении истории Земли. Наиболее значимым природным парниковым газом является углекислый газ - СО2. В отсутствие СО2 температура поверхности Земли была бы примерно на 33˚ С ниже, чем в настоящее время, что создало бы крайне неблагоприятные условия жизни животных и растений.
В продолжение всей истории Земли СО2 поступал в атмосферу в результате вулканической деятельности и участвовал в естественном круговороте углерода в природе. Круговорот углерода осуществляется благодаря биосферным функциям биогеоценозов, осуществляющимся через взятие ими из окружающей среды вещества энергии, удержание их в себе и возврат за «границу» биогеоценоза (2).
Взятие из окружающей среды вещества и энергии обеспечивает фотосинтез, который является основным механизмом связывания СО2 в составе органической биомассы на Земле и занимает первое место в грандиозном биосферном цикле углерода. Растительный покров активно поглощает в течение вегетационного периода атмосферный СО2. Первичная продукция фотосинтеза в мире составляет 120 Гт С в год (6).
Наземные растения, связывая СО2 в процессе фотосинтеза, образуют первичные органические продукты – источник синтеза множества сложных биологических соединений. В их составе часть углерода удерживается на разные сроки в резервуарах, которые представлены живой фитомассой растений и ее косными остатками (детрит, торф, гумус) (3).
Возврат углерода за «границы» биогеоценоза происходит в результате авто- и гетеротрофного дыхания, приводящего к минерализации органических веществ. В результате углерод в виде СО2 возвращается в атмосферу и вновь может быть вовлечен растениями в процессы фотосинтеза. Большая часть процессов минерализации происходит в почве, наиважнейшей функцией которой является продуцирование СО2 (4).
Три звена – синтез автотрофами органического вещества, его удержание в живых и косных (детрит, торф, гумус) компонентах биогеоценоза и деструкция органического вещества (автотрофное и гетеротрофное дыхание) образуют биологический круговорот, в котором центральное место принадлежит углероду. Таков механизм биосферного цикла, обеспечивающего поддержание постоянного содержания СО2 в атмосфере, который в свою очередь создает естественный парниковый эффект.
Биогеоценозы различаются по способности поглощать СО2 и удерживать в себе углерод в разных компонентах системы и освобождать его в результате деструкции органического вещества (2). Баланс между фотосинтетической продукцией органического углерода (Сорг) и выделением СО2 при дыхании определяет функции наземных экосистем в качестве источников или стоков (поглотителей, резервуаров) СО2 (3). Сток углерода оценивается по разности между поглощением его при фотосинтезе зелеными растениями и выделением при дыхании гетеротрофных организмов (3).
Если экосистема в течение продолжительного времени накапливает Сорг и в ней минерализация органического вещества и освобождение углерода в виде СО2 ниже размеров чистой продукции фотосинтеза, данная экосистема служит стоком СО2. В таких экосистемах складывается положительный углеродный баланс (С-баланс) и они ежегодно возвращают в окружающую среду меньше веществ, чем забирают из нее (3). К системам, с ярко выраженным положительным С-балансом, относятся болота. Это уникальные в наземной биоте экосистемы постоянного стока атмосферного углерода, накапливаемого в виде торфа (3).
Антропогенное вмешательство
В последнее время, в результате антропогенной деятельности, содержание СО2 в атмосфере планеты значительно возросло, и ученые стали говорить об антропогенном парниковом эффекте. Содержание СО2 в атмосфере Земли теперь определятся, в отличие от доиндустриальной эпохи, не только дыханием гетеротрофных организмов и разложением органических веществ в почвах, но и хозяйственной деятельностью человека. Основным антропогенным источником прироста содержания СО2 в атмосфере является энергетика и транспорт, работающие на органическом ископаемом топливе (1). В настоящее время человек выбрасывает в атмосферу не менее 7-8 Гт С/год, из них около 6Гт за счет сжигания ископаемого топлива и 1,8 Гт в результате изменения землепользования (4). Ежегодный выброс СО2 промышленностью России оценивается в 0,65-0,7 Гт , что составляет 11% от мирового (3). Атмосфера уже содержит на 25% больше СО2, чем было накоплено в последние 160 тыс. лет, и содержание газа непрерывно нарастает на 0,5% в год. Если эти темпы выбросов сохранятся, то к 2050-2070 г.г. концентрация СО2 в атмосфере по сравнению с доиндустриальной эпохой увеличится вдвое (1).
Возрастающая концентрация СО2 в атмосфере планеты – глобальный фактор, нарушающий сложившийся на планете С-баланс. Следствием усиления парникового эффекта является потепление климата. Глобальные изменения климата могут привести, в свою очередь, к существенному изменению природной среды и непредсказуемым социально-экономическим последствиям (5).
В условиях роста концентрации СО2 в атмосфере более ценными считаются те биогеоценозы, которые способны больше взять СО2 из атмосферы и дольше удерживать в себе углерод, т.е. обладать его максимальным запасом во всех компонентах системы (2). С этой точки зрения Россия как страна с обширной территорией, большая часть которой расположена в Северной Евразии, занимает особое место в глобальной климатической системе, благодаря своим уникальным поглотителям (стокам) и накопителям (резервуарам) парниковых газов. Здесь углерод захоранивается на длительный срок в торфах и древесине лесов. Здесь минерализация органического вещества и потери углерода в виде СО2 из переувлажненных почв при невысоких температурах ниже размеров чистой продукции фотосинтеза. По мнению академика Г.А. Заварзина, территория России вместе с аналогичным бореальным поясом Северной Америки является «легкими планеты». Поэтому нарушение С-баланса может вызвать разрушение этих уникальных поглотителей и накопителей парниковых газов и существенно повлиять на цикл углерода в экосистемах России, северного полушария и планеты в целом (3).
Нарастающая интенсивность выбросов парниковых газов, беспрецендентная в истории человечества скорость роста температуры на земном шаре послужили причиной проведения в 1992 г. в Рио-де-Жанейро Всемирной конференции ООН по окружающей среде и развитию. В ряду принятых важнейших экологических соглашений была Конвенция по изменению климата. Подписавшие ее страны, в числе которых была и Россия, взяли на себя обязательства не превышать уровень выброса СО2 в1990г., а также такие как оценка и изучение источников парниковых газов, естественных механизмов их накопления и удаления, т.е. стоков и резервуаров.
Ход исследования
В ходе моего исследования оценивали С-баланс по разности между поглощением углерода при фотосинтезе растительными сообществами, располагающимися на территории Астраханской области (для полупустыни), и выделением углерода при дыхании гетеротрофных организмов.
Поглощение атмосферного углерода при фотосинтезе рассчитывали в Мт С∙год-1 как произведение чистой (нетто) первичной продукции (NPP) данного типа растительного сообщества (биогеоценоза) на занимаемую им площадь. Расчеты базировались на имеющихся литературных данных о размерах NPP для различных типов растительных сообществ (7) и карте растительности Астраханской области (8).
Выделение углерода при дыхании гетеротрофных организмов, характеризующее общий поток углерода с земной поверхности в атмосферу определяли суммированием следующих составляющих:
Ra – автотрофное дыхание растений (равно по величине NPP), складывающееся из круглосуточного дыхания стволов и ветвей, темнового дыхания листвы и круглосуточного дыхания корней (этот вид дыхания обычно включают в общий поток «дыхания почвы».) (6, 7)
«Дыхание почвы» - интегральный показатель, включающий дыхание корней и почвенных организмов (бактерий, грибов, почвенных животных). Величину почвенной эмиссии углерода для Астраханской области оценивали по карте-схеме эмиссии углекислого газа почвенным покровом России в масштабе 1:15000000.
С-баланс (чистый сток С) оценивали как разность между NPP и общей эмиссией.
На территории Астраханской области можно выделить 5 типов растительных сообществ. Наибольшую площадь занимают полупустыни для них и провели расчет.
Результаты оценки поглощения углерода растительностью полупустынь Астраханской области представлены в таблице.
Таблица
Первичная продуктивность фотосинтеза растительности Астраханской области
|
Тип растительного сообщества |
Площадь, га |
NPP, т С∙га-1∙год-1 |
Суммарное поглощение углерода, Мт С∙год-1 |
Суммарное поглощение углекислого газа, Мт СО2 год-1 |
|
Полупустыни |
3037344 |
2,8 |
8,5 |
31,17 |
Подсчеты фотосинтетической продуктивности растительным сообществом позволяют говорить о том, что суммарная чистая продукция для данной экосистемы Астраханской области составляет приблизительно 9 Мт С∙год-1. Это значит, что растительный покров Астраханской области в поглощает примерно 32 Мт СО2 в год.
Отсюда следует, что полупустыни Астраханской области имеют положительный С-баланс и чистый сток С в них составляет около 32 Мт СО2 в год. Это обусловлено, по-видимому, особыми природно-климатическими условиями дельты Волги, характеризующимися высокой температурой и влажностью.
Заключение
Экосистема дельты в этих условиях при относительно небольшой площади (9%) обеспечивает высокий уровень первичной продукции фотосинтеза и позволяет формировать значительные по размерам и времени жизни резервуары углерода.
Таким образом, можно сделать вывод, что экосистемы дельты Волги в силу специфичности их углеродного цикла обладают резервами утилизации техногенных выбросов СО2, что важно для решения проблемы ликвидации углеродного загрязнения атмосферы. Мне кажется, что наша основная задача, как жителей придельтовой территории, ежедневно стараться сохранять то богатство окружающего мира, которое подарила нам природа.
Список литературы
Глобальное потепление: Доклад Гринпис / Под ред. Дж.Леггетта. Перевод с англ. – М.: Изд-во МГУ, 1993. – 272 с.
Вомперский С.Э. Биосферное значение болот в углеродном цикле // Природа. – 1994. – № 7. – С.44 – 50.
Заварзин Г.А. Цикл углерода в природных экосистемах России // Там же – С.15 – 18.
Кудеяров В.Н. Выделение углекислого газа почвенным покровом России // Там же – С.37 – 43.
Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстановления и лесоразведения в России: Аналитический обзор / Под ред. А.В. Яблокова. – М., 1995. – 155 с.
Мокроносов А.Т. Фотосинтез и изменение содержания СО2 в атмосфере // Природа. – 1994. – № 7. – С.25 – 27.
Швиденко А.З., Нильсон С., Столбовой В.С. и др. Опыт агрегированной оценки основных показателей биопродукционного процесса и углеродного бюджета наземных экосистем России. Нетто-первичная продукция экосистем // Экология. – 2001. – № 2. – С.83 – 90.
Атлас Астраханской области / сост., подгот. к изд. и отпечатан Омской картографической фабрикой Роскартографии в 1997 г.; гл. ред. В.А. Пятин. – 1:.1500000. – М.: Федеральная служба геодезии и картографии России, 1997. – 48 с.