Лекция 4. Lect_04_Carbon_IIIЦикл углерода (продолжение). Проблема масштаба при анализе динамики во времени содержания СО2 в атмосфере. Углерод в океане. Сравнение с сушей. Биомасса и чистая первичная продукция (NPP). Карты распределения NPP в океане. Апвеллинг и даунвеллинг. Эль-Ниньо. Перенос углерода в глубины водной толщи: физико-химический и биологический насосы. «Петля Брокера». Углерод на суше. Почва. Изъятие человеком NPP с поверхности суши: картина глобального распределения.

Проблема масштаба

scaling

май

октябрь

Изменения CO2 и температуры за 420 тыс. лет («Восток»)

Изменения CO2 и температуры за 800 тыс. лет (EPICA)

Изменения содержания кислорода (наверху) и углекислого газа

(внизу) за 600 миллионов лет PAL – Present Atmospheric Level

Эмиссия СО2 определяет повышение

температуры? или повышение

температуры определяет эмиссию

CO2?

Углерод в океане

Ежегодно связывается ≈ 92 Гт С возвращается в атмосферу ≈ 90 Гт С

СО2, взаимодействуя с молекулами воды, образует угольную кислоту, которая

диссоциирует на СО3- и СО3

2-

В зависимости от рН соотношение сдвигается

СО32- + СО2 + Н2О ↔ 2 НСО3

-

Углерод в океане

Буферная емкость океана ограничена:

1. Нехваткой катионов Ca2+ и Mg2+ (необходимы для образования известковых скелетов организмов)

2. Крайне слабым перемешиванием водной толщи (перемешиваемый слой – 100-200 м,средняя глубина океана - 3900 м)

Масса углерода живых организмов в океане:

≈ 1-2 Гт

Масса углерода в виде детрита (POC – particulate organic carbon) в океане:

≈ 100 Гт

Масса углерода в виде растворенного органического вещества (DOC – dissolved organic carbon)

≈ 1000 Гт

Биомасса организмов в океане ≈ 1-2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С (600 - 1000) Чистая первичная продукцияокеана ≈ 60 Гт С год-1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65)

Биомасса tПродукция ∆ t

Первичная продукция (Primary production)Валовая продукция (Gross production - GP) Чистая продукция (Net production - NP) Дыхание (Respiration – R)

NP = GP – R

Net primary production - NPP

Что ограничивает первичную

продукцию на большей части

акватории Мирового океана?

Хлорофилл в июне

http://earth.rice.edu/mtpe/bio/biosphere/hot/chl_s.htmlCredit: NASA/GSFC

Хлорофилл в январе

http://earth.rice.edu/mtpe/bio/biosphere/hot/chl_s.htmlCredit: NASA/GSFC

Глобальное распределение хлорофилла (среднее за год)

Глобальное распределение температуры поверхности

океана

Redfield ratio(соотношение числа атомов в веществе

океанического планктона)

C : N : P106 : 16 : 1

Для перемещения углерода из поверхностных вод в глубинные существуют:

1) Физико-химический «насос» (термохалинный механизм)

2) Биологический «насос» (вертикальные миграции зоопланктона, опускание фекальных пеллет)

Подъем водных масс – апвеллинг(upwelling)

Обычно около западных берегов континентов

Самый знаменитый апвеллинг – Перуанский

Эль-Ниньо – перекрывание апвеллинга теплыми Тихого океана

Опускание водных масс (downwelling)

Петля Брокера

Смена ветров и перекрытие апвеллинга в случае Эль-

Ниньо

Положение апвеллингов

«Цветение» воды в районе

Перуанского апвеллинга

Биологический насос

Biological pump

Joe Roman, James J. McCarthy The whale pump: marine mammals enhance primary productivity in a coastal basin // PLoS ONE. 2010. V. 5(10): e13255.

Кит горбач (Megaptera novaeangliae) Снимок Марии Шевченко. Близ о-ва Беринга (Командорские острова)

Джой Роман (Joe Roman) из Университета штата Вермонт в заливе Мэн (Сев.-Зап. Атлантика) http://www.uvm.edu/~uvmpr/?Page=News&storyID=17125

УГЛЕРОД НА

СУШЕ

Rattan Lal Carbon sequestration // Phil. Trans. R. Soc. B 2008 363, 815-830

УГЛЕРОД НА СУШЕ

общая биомасса организмов ≈ 800 Гт С (600 - 1000)

Чистая первичная продукция ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65)

Общая биомасса организмов в океане ≈ 2 Гт С на суше ≈ 800 Гт С (600 - 1000)

Чистая первичная продукцияокеана ≈ 60 Гт С год-1 (35 – 100) суши ≈ 57 Гт С год-1 (48 – 65)

Г.А.Заварзин «Лекции по природоведческой микробиологии»

ПОЧВА – корнеобитаемый слой на поверхности суши

ПОЧВА появилась только при

освоении суши растениями ≈ 300 миллионов лет тому

назад

(уже в полностью оксигенированной атмосфере)

ПОЧВА

своими органическим веществом ПРИРАСТАЕТ ИЗ ВОЗДУХА

ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗА

если целлюлоза разлагается исключительно прокариотами, то лигнин – эукариотами, причем в

аэробных условиях

Разложение лигнина и целлюлозы – лимитирующее звено в круговороте углерода в наземных экосистемах

За год человек на суше изымает первичной продукции в сумме

11.54 × 1015 г углерода, или 20.32% всей годовой

чистой первичной продукции

Производство пищи требует изъятия в год 4.09 × 1015 г углерода, а

использование растений в качестве топлива

примерно столько же - 4.31 × 1015 г

Для развитых стран потребление NPP составляло

3.2 т С в год на человека

Для развивающихся (а это 83% всего населения Земли) – 1.8 т С в год на человека

Human appropriation of terrestrial net primary production (HANPP)