Роль бореальных и тропических лесов в глобальном круговороте масс углерода и кислорода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство сельского хозяйства российской федерации

Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

Вятская государственная сельскохозяйственная академия

Биологический факультет

Специальность охотоведение

Курсовая работа

Тема: Роль бореальных и тропических лесов в глобальном круговороте масс углерода и кислорода

Киров 2014



Содержание

Введение

1. Характеристика бореальных и тропических лесов

1.1 Бореальные леса

1.2 Тропические леса

2. Круговорот химических элементов

2.1 Круговорот углерода

2.2 Круговорот кислорода

3. Роль лесов в круговороте углерода

3.1 Роль бореальных лесов

3.2 Роль тропических лесов

4. Роль лесов в круговороте кислорода

Выводы

Список литературы



Введение

Существует тесная связь состава земной коры, атмосферы и океана, которая поддерживается процессами циклического массообмена химических элементов.

Одними из наиболее значимых для биосферы, в связи с их огромным количеством и ролью в существовании всего живого на планете, являются глобальные круговороты масс углерода и кислорода.

Углерод и кислород относятся к тем элементам миграция и распределение масс, которых наиболее ярко отражают связь биосферы с глубинными частями планеты. Эти элементы непрерывно выделяются из Земли в виде газов, а их непрерывное поступление балансируется столь же непрерывным удалением из атмосферы.

Именно эти элементы являются одними из основных в образовании живого вещества Земли, они участвуют в построении тканей, так же они участвуют во всех химических процессах происходящих в организмах, именно поэтому существование жизни без них не возможно.

Огромную роль в круговороте этих веществ в биосфере играют бореальные и тропические леса. Их площади занимают знчительную часть нашей планеты и в них постоянно происходят процессы усвоения и выделения назад в атмосферу огромных масс углерода и кислорода, что делает роль их в глобальном круговороте данных химических элементов огромной, и как следствие огромно и их значение для биосферы земли.



1. Характеристика бореальных и тропических лесов

1.1 Бореальные леса

Бореальные леса -- это крупнейшая непрерывная наземная экосистема, покрывающая около 14 % территории суши, пригодной для произрастания растений. Они формируют своего рода «зеленый пояс», охватывающий Северное полушарие полосой разной ширины и проходящий через Россию, Аляску, Канаду и Скандинавию, приблизительно между 45 и 70° северной широты. Эти леса занимают около 1,4 млрд га, или 38 % общей покрытой лесом площади мира. Большая часть (46 %) площади бореальных лесов планеты находится в России (рис. 1). К северу от зоны бореальных лесов расположена безлесная зона тундры. К югу граница перехода не так выражена: там формируется переходная зона, примыкающая к зоне умеренных широколиственных лесов (Устойчивое лесопользование № 3, 2011).

Рисунок 1. Пояс бореальных лесов.

Границы пояса бореальных лесов в Северном полушарии принято увязывать с июльскими изотермами: северная граница - изотерма +13 °С, южная граница - изотерма + 18 °С (www.derev-grad.ru).

Одним из самых важных экологических факторов, определяющих бореальный характер этих лесов, является продолжительное наличие снежного покрова в зимние месяцы, который предохраняет почву от низких температур, тем самым создавая микроклимат, играющий важную роль для выживания многих растений и животных. Тем не менее во многих районах произрастания бореальных лесов почва промерзает, а в ряде районов, преимущественно в Сибири, такие леса растут на вечной мерзлоте. Приблизительно половина площади бореальных лесов по прежнему относится к малонарушенным лесным территориям, которые пока подвергаются незначительному воздействию лесохозяйственных мероприятий и другой антропогенной деятельности (Устойчивое лесопользование № 3, 2011).

Облик бореальных лесов определяют хвойные породы, как в Северной Америке (12 видов, из них 5 видов сосны, 3 - ели, по одному виду пихты, тсуги и туи), так и в Евразии (14 видов, из них 3 - сосны, 4 - пихты, 3 - ели и 4 вида лиственницы). В состав бореальных лесов входят также лиственные породы, в основном береза и осина. В зависимости от степени континентальности климата и антропогенных нарушений преимущество в породном составе получают те или иные древесные породы (www.derev-grad.ru).

В целом, крупнейшие массивы малонарушенных лесов находятся в отдаленных и очень малонаселенных районах Севера, причем чем южнее расположен лесной массив, тем большему антропогенному воздействию он подвергается. Более половины малонарушенных лесов планеты -- это бореальные леса России и Канады. К самым интенсивно используемым бореальным лесам относятся леса Скандинавии и западной части России, где старовозрастные леса сохранились лишь на особо охраняемых природных территориях.

Бореальные леса -- источник не только древесины, но и ряда важных экосистемных услуг, таких как чистая вода. Более того, они оказывают регулирующее действие на климат планеты, главным образом обеспечивая баланс теплового излучения и играя важную роль в глобальном углеродном цикле (Устойчивое лесопользование № 3, 2011).

1.2 Тропические леса

Тропический лес распространён в тропическом, экваториальном и субэкваториальном поясах между 25° с.ш. и 30° ю. ш. Тропические леса встречаются в широком поясе, окружающем Землю по экватору и разрываемом только океанaми и горами (рис.2) (ru.wikipedia.org).

Их распространение совпадает с областью низкого давления, которая возникает, когда поднимающийся вверх тропический воздух замещается влажным воздухом, приходящим с севера и с юга, и образующим область внутритропической конвергенции.

Рисунок 2. Пояс тропических лесов.



Дождевой лес - это реакция флоры на высокую температуру и обильное увлажнение. В любое время средняя температура должна находиться в пределах между примерно 21°C и 32°C, а годовое количество осадков должно превышать 150 сантиметров. Поскольку солнце находится приблизительно в зените на протяжении всего года, климатические условия находятся в постоянстве, чего нет ни в одной другой природной зоне. Тропический лес часто связан с большими реками, которые уносят избыток дождевой воды. Такие реки встречаются на Южноамериканском островном континенте, на африканском субконтиненте и на субконтиненте Австралии.

Несмотря на постоянное опадание отмерших листьев почвы в дождевом лесу очень тонкие. Условия для разложения столь благоприятны, что гумус не имеет возможности формироваться. Тропический дождь вымывает из почвы глинистые минералы, не давая возможности важным питательным веществам, таким, как нитраты, фосфаты, калий, натрий и кальций, накапливаться в почве, как это имеет место в почвах умеренных широт. В тропических почвах есть только те питательные вещества, которые содержатся в самих разлагающихся растениях.

На базе тропического леса формируется много вариантов, являющихся следствием как климатических различий, так и особенностей окружающей среды.

Галерейный лес встречается там, где лес резко обрывается, как на берегу широкой реки. Здесь ветви и листья формируют густую стену растительности, достигающую земли, чтобы получить выгоду от солнечного света, попадающего со стороны.

Менее пышные муссонные леса существуют на территориях, где есть выраженный сухой сезон. Они распространены по краям материков, где преобладающие ветры в какую-то определённую часть года дуют из сухих местностей, и типичны для полуострова Индостан и части Австралийского субконтинента.

Мангровый лес распространён в участках солёных морских болот вдоль илистых побережий и в устьях рек.

В тропическом лесу нет доминирующих видов деревьев, как в остальных лесных местообитаниях. Это связано с тем, что сезонность отсутствует, и поэтому численность популяции насекомых не колеблется; насекомые, которые кормятся на определённом виде деревьев, всегда в наличии, и уничтожают семена и проростки этого дерева, если они высеялись неподалёку. Поэтому успех в борьбе за существование ждёт только те семена, которые были перенесены на какое-то расстояние от родительского дерева и постоянно существующей на нём популяции насекомых. Таким способом возникает препятствие для формирования зарослей какого-то одного вида деревьев.

Территории тропических лесов заметно увеличились с Эпохи Человека. В прошлом значительную долю в причинении ущерба тропическим лесам занимала сельскохозяйственная деятельность человека. Примитивные общества срубали участок леса и эксплуатировали расчищенные участки под посевы в течение нескольких лет, пока почва не истощалась, вынуждая их переходить на другой участок. На расчищенных площадях первоначальный лес восстанавливался не сразу, и прошло несколько тысяч лет, прежде чем пояс тропических лесов вернулся к какому-то подобию своего естественного состояния (www.sivatherium.narod.ru).



2. Круговорот химических элементов

2.1 Круговорот углерода

Круговорот углерода - циркуляция углерода в биосфере, один из самых важных биосферных процессов, поскольку углерод составляет основу органических веществ. В круговороте углерода особенно велика роль диоксида углерода (углекислого газа). Биологический цикл углерода в окружающей среде, который В. И. Вернадский называл жизненным, осуществляется при непосредственном участии живых организмов: зеленые растения в процессе фотосинтеза накапливают углерод из воздуха, превращая углекислый газ в сложные углеводороды. Этот восстановительный процесс сопровождается поглощением (накоплением) энергии. В результате дыхания живых организмов происходит обратный процесс - окисление фиксированного в живом веществе углерода в углекислый газ (С0₂), который вновь поступает в атмосферу, и этот процесс идет с выделением энергии. Примерно 2/3 объема углерода атмосферы, ежегодно усваиваемого организмами в процессе фотосинтеза, возвращается обратно в атмосферу редуцентами. На суше значительная доля углерода в форме углекислого газа возвращается в атмосферу микроорганизмами почвы. В большинстве случаев существует баланс между поступлением углерода в подсистему редуцентов и его выделением в виде С02- В тропическом лесуподстилка разлагается быстро и практически полностью, до ее конечных продуктов - воды и двуокиси углерода. В бореальных лесах разложение протекает медленно, и большое количество органических соединений накапливается при неполном разложении органического вещества.

Часть образуемого в процессе фотосинтеза органического вещества в определенных условиях, после гибели растений и живых организмов, преобразуется в ископаемые, обогащенные углеродом, твердые и жидкие органические продукты. Приблизительно 99 % углерода находится в осадочных породах и менее 1 % -в биосфере.

По данным ФАО ООН, за 2000 г. (ECE/TIM/SP/17) запасы углерода в атмосфере составляют 750 Пг (Пг = 10г), в составе растительности суши - 610 Пг, в почве - 1580 Пг, в поверхностных слоях океанов -1500 Пг и в глубинных слоях океанов - 38 000 Пг. Таким образом, объем углерода, содержащегося в растительности суши, сопоставим с объемом углерода во всей атмосфере и составляет приблизительно 40 % количества углерода, имеющегося в поверхностных слоях океанов. В почвах накоплено в 2 раза больше углерода, чем в атмосфере. Количество диоксида углерода в атмосфере над зоной тайги примерно в 3 раза выше, чем над тропическим лесом, т. к. в тропиках активнее идет процесс фотосинтеза. В тропиках в течение года содержание в атмосфере диоксида углерода более или менее стабильно. В тайге в зимнее время его концентрация больше, чем летом, когда активно протекает фотосинтез.

Скорость круговорота углерода в гидросфере существенно выше, чем в атмосфере. Время пребывания углерода в наземной растительности составляет от 10 до 100 лет, а в морской фитомассе - меньше месяца. Это объясняется, в основном, тем, что фитопланктон состоит, главным образом, из одноклеточных организмов, время жизни которых значительно меньше, чем у наземной древесной растительности. Древесина более устойчива к разложению, чем листья. В одном и том же лесу разные виды растений и их различные фракции (листья, ветви, сучья, стволы) разлагаются с различной скоростью. Скорость разложения зависит также от климатических условий. Напр., период полураспада подстилки в северных хвойных лесах составляет 10 лет и более, в южных сосновых - от одного года до нескольких лет, в тропических дождевых лесах - менее года. Объемы ежегодного поглощения и эмиссии углерода, согласно оценкам ФАО Баланс углерода отрицательный (-3,2 Пг /год). Это тот объем углерода, который ежегодно накапливается в атмосфере. Следовательно, средняя концентрация диоксида углерода в атмосфере ежегодно возрастает примерно на 0,5 %. Это обусловлено, в основном, сжиганием ископаемого топлива, разрушением пахотных почв и сведением лесов. В результате сжигания ископаемого топлива каждый год в атмосферу выбрасывается Зх10⁹т углерода. В тропических лесах заключено около 72 % мировых запасов органического углерода, который содержится в древесине и гумусе почв. Сейчас тропические леса вырубают со скоростью 15,4 млн га в год. Кроме того, разложение древесины после рубки леса приводит к дополнительному поступлению диоксида углерода в атмосферу. В результате деятельности почвенных редуцентов выделяется также метан. При проведении рубок выделение метана из лесной почвы возрастает вследствие ее переувлажнения и заболачивания. Метан и диоксид углерода являются главными виновниками парникового эффекта, следствие которого - постепенное глобальное потепление климата.

Лесам принадлежит важнейшая роль в поглощении углекислого газа и в поддержании относительной стабильности газового состава атмосферы. Леса России, площадь которых составляет более 1/5 площади лесов мира, являются огромным резервуаром углерода в виде биомассы живых растений, растительных остатков разной степени разложения, гумуса и торфов. Общий запас углерода, сосредоточенный в органическом веществе лесных экосистем России, составляет около 233 млрд т, в т. ч. 34 млрд т - в фитомассе, 17 млрд т - в отмершей растительной органической массе (морт-массе) и 182 млрд. т. - в гумусе почв. Особенно большие запасы углерода сосредоточены в морт-массе и органическом веществе почв бореальных лесов, расположенных в северных регионах России, где скорость биологического круговорота замедлена. В лесах России отмечается тенденция к увеличению чистой первичной продукции, которая достигает в настоящее время 600 млн. тон в год (www.derev-grad.ru).



2.2 Круговорот кислорода

Круговорот кислорода - циклический процесс образования кислорода и потребления его в ходе дыхания организмов, сжигания топлива и др. химических преобразований. Кислород является продуктом фотосинтеза растений, кроме того, некоторое его количество образуется в верхних слоях атмосферы при диссоциации воды и разрушении озона под действием ультрафиолетового излучения. Часть кислорода расходуется на окислительные процессы в земной коре, при вулканических извержениях и др. На поверхности земной коры также происходит непрерывное связывание свободного кислорода атмосферы при окислении различных минеральных, органических остатков и т. д. В атмосфере содержится примерно 1,2х 10¹⁴ т. кислорода и около 0,6х10¹³ т. растворено в гидросфере. 7 % кислорода на планете находится в свободном состоянии, остальная часть содержится в литосфере в составе различных окислов, сульфатов, карбонатов и других солей, а также в гидросфере в составе воды. Основным источником поступления кислорода в окружающую среду являются процессы фотосинтеза. Зеленые растения биосферы ежегодно выделяют в атмосферу около 4,67х10¹⁷ т. кислорода. Из этого количества 11,3 % производят наземные растения и 88,7 % - водные. В связи с тем, что океан является главным поставщиком кислорода в атмосферу, охрана морских экологических систем играет особую роль в деле сохранения нормальных условий развития биосферы.

В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода, хотя в крупных городах с большим количеством транспорта и промышленных предприятий возникают локальные нарушения. Деятельность человека приводит к уменьшению количества кислорода в атмосфере. Ежегодно человеком в процессе сжигания топлива из атмосферы извлекается около 3х10¹⁰ т. кислорода, что составляет 2 % его количества, вырабатываемого за этот период растениями биосферы. Рубки леса также вносят ощутимый вклад в уменьшение поступления кислорода в атмосферу. Обезлесение земель в результате урбанизации и индустриализации ведет к ускорению процессов окисления почв и верхнего слоя коренных пород. Большое развитие получают процессы окисления произведенных человеком металлов и др. промышленных продуктов (www.derev-grad.ru).



3. Роль лесов в круговороте углерода

3.1 Роль бореальных лесов

Баланс парниковых газов в экосистеме (в нашем случае -- в экосистеме леса) -- это баланс эмиссии и депонирования таких парниковых газов, как углекислый (CO2), метан (CH4) и диоксид азота (N2O), между экосистемой и атмосферой. По объему и воздействию на климат углекислый газ имеет важнейшее значение. Метан и диоксид углерода -- весьма эффективные парниковые газы в том смысле, что да! же сравнительное небольшое их количество существенно воздействует на климат. Углекислый газ и метан содержат углерод и включаются в его глобальный цикл.

Цикл углерода.

Цикл углерода является своего рода химическим двигателем, благодаря которому большинство живых организмов на Земле получают вещества для строительства своих тел и энергию. Цикл углерода очень важен для поддержания стабильного химического состава атмосферы, а значит, и климата.

Потоки в цикле углерода Зеленые растения поглощают углекислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза и с использованием энергии солнца превращают его в углеводы. Часть углеводов потребляется растением в ходе дыхания для выработки энергии, что приводит к выделению в атмосферу углекислого газа. Этот процесс называется автотрофной респирацией.

Чистый баланс (чистая первичная продукция) -- это количество углерода, которое используется растениями для строительства собственной биомассы побегов, корней, листьев и т. д.

Растения и их части поедаются травоядными животными или в конечном итоге умирают и разлагаются микроорганизмами. Травоядные и микроорганизмы используют углеводы в качестве источника энергии. Таким образом, углевод переходит в пищевую цепочку, большая часть его возвращается в атмосферу через дыхание животных или после того, как они умирают и разлагаются. Этот процесс называется гетеротрофной респирацией (рис. 3).

Рисунок 3.Углеродный цикл наземной экосистемы в Гт (1 Гт = 1 млрд т).

Катастрофические нарушения природной среды, такие как пожары, массовое размножение насекомых вредителей и заготовка древесины, увеличивают гетеротрофную респирацию. Это, как правило, усиливает потепление климата.

Часть углерода, который поглощается растениями из атмосферы, аккумулируется почвой в виде мертвой органики. Этот поток углерода невелик и сокращается по мере старения насаждения, тем не менее постепенно он ведет к накоплению значительного количества углерода. Пожары играют важнейшую роль в цикле углерода: их воздействие некоторым образом схоже с респирацией живых организмов, разлагающей растительное органическое вещество и возвращающей углерод в атмосферу. Такие экосистемы, как тропические саванны и бореальные леса, адаптировались к периодическому воздействию пожаров. Пожары на их территории ежегодно приводят к выбросу в атмосферу от 2 до 5 Гт С. В дополнение к процессам, описанным выше, в цикле углерода имеется и ряд других, менее значительных цепочек. Мы рассмотрим три из них: летучие органические соединения, метан и растворенный органический углерод.

Летучие органические соединения (ЛОС) -- это «зонтичный» термин, объединяющий летучие органические вещества, например монотерпены. Растения выделяют в атмосферу много разных подобных веществ, как правило, в небольших количествах. С усилением фотосинтеза эмиссия таких веществ в бореальных лесах возрастает, поскольку их образование напрямую связано с этим процессом. ЛОС конденсируются в атмосфере в аэрозольные частицы и усиливают поглощение тепла атмосферой. Эти частицы также становятся центрами конденсации и участвуют в образовании облаков, что влияет и на стабильность облачности, и на поглощение облаками тепловой энергии. Данные аэрозольные вещества являются одним из наиболее существенных факторов неопределенности при оценках воздействия разных факторов на изменение климата.

Эмиссия метана связана с разложением органических веществ в бескислородной среде или с обедненным содержанием кислорода (например, в болотах, на свалках, в желудочно-кишечном тракте крупного рогатого скота). Метан в 23 раза сильнее воздействует на климат, чем углекислый газ. Это означает, что одна молекула метана в атмосфере увеличивает потепление так, как 23 молекулы углекислого газа. Будет ли выделяться из почвы метан или разлагаться, зависит от ее химического состава и степени увлажнения. В лесах метан выделяют главным образом торфяники, и их осушение может серьезно сказаться на эмиссии метана.

И метан, и ЛОС в атмосфере постепенно превращаются в углекислый газ. Иногда это приводит к образованию еще одного парникового газа -- тропосферного озона.

Растворенный органический углерод (РОУ) представляет собой полуразложившиеся органические соединения, которые могут переноситься водой из верхнего слоя почвы, где они образуются. Часть РОУ переносится грунтовыми водами в озера и ручьи, но в бореальных лесных экосистемах он в основном остается в почве и представляет собой достаточно стабильный сток. В лесах Швеции значительная часть почвенного углерода депонируется в минеральных слоях, куда он приносится с грунтовыми водами в виде РОУ.

Запасы углерода.

Запасы углерода, находящиеся в живой биомассе Земли, составляют около 500 Гт, что немного по сравнению с его запасами в океанах и ископаемых отложениях (нефть и газ). Тем не менее запасы углерода в растениях важны, поскольку их величина может резко колебаться при климатических изменениях или изменении практик управления лесами либо сельскохозяйственными землями.

Общий запас углерода в почвах наземных экосистем планеты оценивается в 1500-2000 Гт, что в 3 раза превышает запасы углерода в живой биомассе и в 50 раз -- в атмосфере. Значительная доля (по меньшей мере, 40 %) этого углерода находится в бореальных лесах. Потоки углерода и запасы в бореальных лесах

В мире согласно оценкам МГЭИК в бореальных лесах (в почве и растительности) депонировано 550 Гт С, что составляет 30 % всего углерода наземных экосистем. Бореальные леса ежегодно дополнительно депонируют 1 Гт С.

Количество углерода, депонированного в экосистемах бореальных лесов, больше, чем в любых других наземных экосистемах, и почти в 2 раза больше, чем в тропических лесах. С учетом площади бореальные леса депонируют в 2 раза больше углерода, чем тропические. Основной причиной этих отличий является климат. В большинстве лесных экосистем жаркого климата основная доля углерода находится в живой растительной биомассе. Там мертвая органика разлагается быстро и углерод не успевает накапливаться в почве. Напротив, в бореальных лесах полуразложившаяся органика со временем накапливается в почве, поскольку низкие температуры замедляют разложение. Малонарушенные бореальные леса постепенно накапливают углерод в почве столетиями и тысячелетиями.

Количество углерода, депонированного на единицу площади, выше в естественных малонарушенных лесах, чем в управляемых, из которых при рубках изымается древесина. В старовозрастных лесах Швеции (где никогда не проводились сплошные рубки и не происходили существенные антропогенные нарушения по крайней мере на протяжении двух столетий) запасы древесины в 3-4 раза больше, чем в среднем управляемом лесу, это означает, что запас депонированного углерода во столько же раз больше. Также в почве старовозрастных малонарушенных лесов больше углерода, чем в управляемых, причем в малонарушенных лесах с течением времени запас углерода возрастает, хотя и медленно, до тех пор, пока лес остается ненарушенным. С другой стороны, молодые и средневозрастные леса депонируют на единицу площади больше углерода, чем старые, поскольку растут быстрее.

Огромное количество депонированного в почве и растительности углерода обусловливает значительную роль бореальных лесов при формировании климата будущего, так как эти леса очень чувствительны к изменению температуры и быстро реагируют на ее увеличение, что негативным образом сказывается на цикле углерода и концентрации парниковых газов в атмосфере. Эти изменения, как будет показано далее, уже наблюдаются.

Количество углерода, депонированного в живой растительной биомассе лесов Швеции, оценивается в 1 Гт, в лесных почвах -- в 1,9 Гт . Кроме того, в осушенных торфяниках на территории продуктивных лесов депонировано еще 0,6 Гт С. Количество углерода, депонированного на единицу площади в биомассе и почве гораздо выше на юге Швеции, чем на севере, при этом различия достигают больших значений в зависимости от типа почв.

Депонирование углерода лесами за последнее десятилетие снизилось почти на 50 %. Причина состоит в том, что рубка лесов превышает их естественный прирост. Моделирование показывает, что при условии использования применяемых сейчас лесохозяйственных подходов сток углерода, образованный растущими лесами, останется неизменным следующие 20 лет. Депонирование углерода почвой также значительно не изменится. Расчеты свидетельствуют о том, что изменение климата будет содействовать росту лесов. Если не учитывать усиление их роста, то тогда сток уменьшится.

Потоки углерода и климат

На депонирование и эмиссии углерода в бореальных лесах воздействуют в основном следующие факторы:

· рост древесной и иной растительности;

· разложение мертвой органики;

· частота и интенсивность пожаров и других природных катастроф;

· динамика вечной мерзлоты.

Усиление роста означает, что растения поглощают из атмосферы больше углекислого газа. Повышение температуры может положительно сказаться на росте лесов главным образом за счет удлинения вегетативного сезона. В бореальной зоне наиболее благоприятным фактором является ранняя весна, поскольку в это время года в отличие от осени хорошая освещенность. С изменением климата рост лесов может быть ограничен доступностью воды (по крайней мере в некоторых районах), что будет сдерживать или даже перевешивать позитивное влияние температуры на рост растений. Еще один важный ограничивающий рост экологический фактор во многих районах бореальной зоны -- доступность почвенного азота. Более высокий уровень концентрации углекислого газа в атмосфере способен напрямую влиять на рост деревьев, поскольку растения используют углекислый газ при фотосинтезе. Известно, что доступность углекислого газа может быть одним из лимитирующих рост фактором, особенно при достаточной освещенности. Тем не менее нельзя считать, что современный и ожидаемый уровни концентрации углекислого газа смогут усилить фотосинтез. Также неизвестно, приведет ли такое усиление к ускорению роста деревьев вследствие генетически обусловленных факторов.

Разложение.

Как и рост деревьев, микробиологические процессы в почве, обусловливающие разложение, в высокой степени зависят от температуры. Чем выше температура, тем быстрее разлагается органика. Это не только приведет к дополнительному образованию углекислого газа, но и сделает азот (и другие питательные элементы) почвы более доступным, что так же может способствовать ускорению роста лесной растительности. Потоки метана тоже могут измениться при более доступном почвенном азоте, повышении температуры и изменении выпадения осадков, хотя ясного научного понимания этих процессов пока не достигнуто.

Природные катастрофы.

Природные катастрофы -- очень важный фактор, влияющий на углеродный бюджет наземных экосистем. После природных катастроф в результате массового отмирания и последующего разложения деревьев и иной растительности в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа. Лесные пожары как основная природная катастрофа в старовозрастных малонарушенных бореальных лесах также усиливают процессы разложения органических веществ в почве.

Массовое размножение насекомых вредителей и ветровалы оказывают сходное воздействие на баланс углерода. До тех пор, пока не учитывается воздействие на климат природных катастроф, не будет и ясно, имеет ли значение учет усиления роста лесных экосистем и обмена углекислого газа с атмосферой с климатической точки зрения. Показано, что природные катастрофы играют важную роль в балансе лесного углерода бореальных экосистем (Устойчивое лесопользование № 3, 2012).

Динамика роста бореальных лесов и их биомассы, а так же почвенных процессов воздействует на углеродный цикл и, следовательно, на уровень концентрации углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере.

Изменения лесных экосистем, обусловленные изменением климата, в свою очередь оказывают влияние на климат. Это влияние может быть как положительным, т. е. сдерживающим изменение климата, так и отрицательным, ускоряющим изменение. Пока в научном сообществе нет согласия по вопросу о том, будет ли повышение температуры способствовать усилению депонирования углерода лесами. Во многом отсутствие согласия обусловлено, по всей видимости, рассмотрением процессов в разных временных интервалах, а так же учетом природных катастроф или его отсутствием.

В том случае, если в научной работе анализ сводится к оценке, насколько более теплый климат или более высокая концентрация углекислого газа в атмосфере повлияют на рост лесов, то воздействие, как правило, оценивается как положительное, т. е. леса будут поглощать больше углерода. Предполагается, что все леса будут продолжать находиться в малонарушенном состоянии. Картина резко меняется, если учитывать, что пожары и другие природные катастрофы будут учащаться и усиливаться. Повышение эмиссии углерода вследствие природных катастроф, по результатам многих исследований, превышает секвестрирование углерода благодаря усилению роста лесов (Устойчивое лесопользование № 4, 2012).

3.2 Роль тропических лесов

бореальный тропический лес круговорот

Как одну из характернейших особенностей тропических лесов неизменно называют исключительное биотическое разнообразие. Следствием видового разнообразия является исключительная сложность структуры гильдий, трофических сетей и других функциональных блоков сообщества (Jansen, 1983). При этом едва ли можно сомневаться в том, что огромное разнообразие животных поддерживается лишь благодаря разнообразию флоры: число видов одних только деревьев на 1 га дождевых тропических лесах зачастую превышает 100 (Walker, 1986).

Замечательно, что столь сложная система функционирует в условиях исключительной эдафической бедности. Не менее 75% всей площади дождевых тропических лесов занято различными типами малоплодородных и неплодородных почв. Сложность системы поддерживается за счёт специфического и высоко эффективного типа биогеохимического круговорота, при котором биогенные элементы концентрируются в биомассе, прежде всего в долгоживущих тканях стволов, ветвей и корней. С этим, в частности, связана такая известная физиономическая особенность тропических лесов, как гигантизм деревьев. Биомасса листьев относительно невелика: 1-2% всей фитомассы деревьев или 2-6% их наземной биомассы потери биогенов снижаются также за счёт их миграции в ткани ветвей перед опаданием листьев. Если (при выраженном сухом сезоне) листопад происходит синхронно, молодые листья отрастают немедленно, быстро возвращая в биомассу запас биогенов. Несмотря на обильные осадки, вымывание даже легко мигрирующих элементов ничтожно и практически уравновешивается поступлением их с атмосферными осадками. Таким образом, сама экосистема отнюдь не бедна биогенами, но основным депо последних служат живые ткани растений, прежде всего древесина, а не почва или подстилка. Соответственно бедность почв есть скорее следствие специфического круговорота, чем исходная особенность субстрата.

Другая важная особенность круговорота - резкое доминирование детритных цепей питания, позволяющих квалифицировать систему в целом как высоко эвтрофную, несмотря на эдафическую бедность. Доля потребляемой биомассы низка (хотя возможно, что её оценки часто занижаются), тогда как потребление мортмассы очень полное и быстрое, причём осуществляется в значительной степени не микроорганизмами, а животными. Особенно активно она перерабатывается в дождливый сезон когда риск потерь за счёт вымывания максимален. Так, в незатопляемых лесах Амазонии в сухой сезон половина всей мортмассы опада разрушается за 218, а в дождливый всего за 32 дня. Даже самый устойчивый компонент мортмассы - древесина - более чем на половину перерабатывается в свежем состоянии, что явно связано с её ролью как основного депо биогенов. В других типах лесов консументами, как правило, потребляется менее 10% всей мортмассы опада.

Есть и иные важные механизмы, способствующие обеспечению экономичности круговорота, - быстрый перехват высвобождающихся биогенов корнями и микоризой, интенсивная азотфиксация и уже упоминавшаяся быстрая смена листьев

Ярусная структура дождевых тропических лесов вообще своеобразна. Почвенный профиль при значительной мощности слабо дифференцирован; в нём концентрируется высокая фитомасса корней и зоомасса. Подстилка из-за быстрой переработки относительно эфемерна: её масса в дождливый сезон уменьшается в несколько раз по сравнению с сухим. Поэтому оценки обилия и биомассы стратобионтов резко различаются.

Сукцесионные процессы в дождевых тропических лесах изучены плохо. Охарактеризованный выше ландшафтообразующий тип леса, судя по практически нулевому балансу круговорота, является эндогенно стабилизированным (климаксным) (www.zooeco.com).



4. Роль лесов в круговороте кислорода

Изначально лесистость планеты составляла 75% ее поверхности, однако в настоящее время упала до менее чем 27%. Особенно быстро уменьшается площадь тропических лесов.

Растительность, и прежде всего громадная масса лесов - мощный источник выработки кислорода по реакции фотосинтеза.

Подсчитано, что один гектар леса за час поглощает около 8 л углекислого газа (такой же объем его выделяется при дыхании двухсот человек за то же время).

Роль лесов в облагораживании атмосферы (поглощение СО2 и выработка кислорода) не столь однозначна. Распространение эмоциональных точек зрения является следствием непрофессиональной оценки влияния лесных массивов на состояние окружающей среды. Отметим особенности проблемы, обычно в таких случаях намеренно или осознанно не замечаемые.

Да, действительно, реакция фотосинтеза бесспорна. Но бесспорна и обратная ей реакция, проявляющая себя в процессе дыхания живых организмов и при гниении (окислении) мортмассы (почвенное дыхание). Поэтому в настоящее время в природе существует устойчивое равновесие между количеством кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и поглощаемого при дыхании живых организмов и почвенном (гниении) (Рамад 1981).

После гибели растения при гниении мортмассы весьма сложная структура органики превращается в простые соединения типа CO2, H2O, N2 и др. Источником окисления мортмассы является кислород, выработанный сверх необходимого для дыхания растений. На этой же стадии высвобождается и поступает в окружающую среду СО2, ранее связанный при фотосинтезе. Иными словами, после гибели организма весь его углерод вновь окисляется, связывая количество кислорода, являющееся разницей между его массой, выделенной при фотосинтезе и использованной на дыхание растений при их жизни.

Свободный кислород фотосинтеза может накапливаться в атмосфере только при условии, что часть возникающего органического вещества не разлагается вновь, а откладывается, изолируется от взаимодействия с кислородом (Розанов 2003).

Наблюдаемый при этом прирост содержания кислорода в атмосфере составляет пятнадцатимиллионную часть его количества. Однако и ее нельзя однозначно рассматривать как итог изоляции части мортмассы от контакта с кислородом. Более того. Фотосинтез растений - следствие, а не причина появления кислорода в атмосфере. Последний возник раньше, чем фотосинтез (Лотош В.Е. 2001).

Изложенные соображения позволяют выделить три, в общем, известных периода в развитии и гибели лесов и проявить их роль в балансе О2 и СО2 окружающей среды.

Первый период. Рост массы древесной растительности в экосистеме. Количества кислорода и связанной СО2 возрастают пропорционально приросту массы лесных насаждений. При этом попытки увеличить массу последних дают только кратковременный результат, так как поверхность суши ограничена. В итоге леса переходят во второй период.

Второй период. Постоянная масса лесов в экосистеме. Приход и расход кислорода и диоксида углерода в прямом и обратном процессах фотосинтеза равны. В этом случае лесные насаждения не оказывают влияния на кислородный баланс планеты.

Третий период. Снижение массы лесов, например при вырубке. Остающаяся часть спелых лесов находится по-прежнему во втором периоде. Лесоматериалы, вброшенные в народное хозяйство, гниют или сжигаются, отдавая в окружающую среду СО2 процесса фотосинтеза и потребляя при этом избыточный кислород первого периода.

Таким образом, непрерывное воспроизведение первого, второго и третьего периодов приводит к нулевому балансу выделившегося в лесной зоне кислорода и поглощенного ею диоксида углерода.

Изложенное позволяет точнее оценить значение амазонских и сибирских лесов в облагораживании атмосферы кислородом. Известно, что площадь амазонских лесов в результате неконтролируемых выработок снижается (третий период), масса сибирской тайги находится во втором периоде, так как такой тенденции не обнаруживается (Лотош 2001).



Выводы

Бореальные и тропические леса играют огромную роль в круговороте углерода и кислорода. Благодаря фотосинтезу, проходящему в этих лесах выделяется огромное количество кислорода, но, в то же время при разложении отмерших растений в этих лесах, происходит поглащение кислорода в связи с окислительными процессами.

Так же леса усваивают из атмосферы углерод в виде диоксида углерода, в процессе фотосинтеза, превращая его в органическое вещество и накапливая его, благодаря чему и происходит аккумуляция углерода в них.

В отношении углерода, бореальные и тропические леса являются гигантскими его хранилищами. В тропических лесах его основная масса сосредоточена в самих растениях, имеющих гигантские рзмеры, и почти не накапливается в почве, а при отмирании они очень быстро разлогаются, благодаря воздействию высокой температуры и высокой влажности.

В бореальных лесах из-за воздействия низкой температуры процессы разложения намного медленнее, благодаря чему происходит накопление части углерода в почвах в виде мёртвой органики, а не только в самих растениях.



Список литературы

1. Лотош В.Е. Технологии основных производств в природопользовании. - Екатеринбург: Полиграфист, 2001. - 553 с.

2. Лотош В.Е. Экология природопользования. - Екатеринбург: Полиграфист, 2001. - 540 с.

3. Рамад Ф. Основы прикладной экологии: Пер. с фр. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 544 с.

4. Розанов С.И. Общая экология. - СПб.: Изд-во «Лань», 2003. - 288 с.

5. Устойчивое лесопользование № 3 (28) 2011г., с 27,29.

6. Устойчивое лесопользование № 3 (32) 2012г., с 41-45.

7. Устойчивое лесопользование № 4 (33) 2012г., с 45.

8. http://www.derev-grad.ru/ohranyaemye-prirodnye-territorii/borealnye-lesa.html

9. http://www.sivatherium.narod.ru/library/Dixon/ch_08_ru.htm

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BB%D0%B5%D1%81

11. http://www.zooeco.com/strany/str-01-2-1.html

Размещено на Allbest.ru