Дыхание Земли: Круговорот углерода в земных экосистемах

Два отчета опубликованны недавно организацией AAAS, некоммерческим научным обществом.Кристиан Бир из Института Биогеохимии Макса Планка в Йене, Германия, наряду с коллегами из 10 других стран во всем мире, сначала смотрит на общую первичную продукцию Земли, или GPP, куда входит: общее количество  углекислого газа, который наземные растения поглощают посредством фотосинтеза каждый год.

С внедрением новой комбинации наблюдений и моделирования, они оценивают общее количество углекислого газа, который ежегодно вдыхают растения во всем мире, а это 123 миллиарда тонн.

Мигель Маеча, также работающий в Институте Биогеохимии Макса Планка совместно с другой международной командой исследователей улаживает давние дебаты относительно краткосрочных изменений в температуре воздуха в дыхании экосистемы, или выдоха Землей углекислого газа назад в атмосферу. Они показывают, что чувствительность дыхания экосистемы к краткосрочным изменениям в температуре одинакова во всем мире. Исследователи также предлагают, чтобы факторы кроме температуры, такие как медленные, продолжающиеся преобразования углерода в почве и доступность воды играли важные роли в углеродном балансе экосистемы в долгосрочной перспективе.

Вместе, эти результаты проливают больше света на глобальный цикл углерода входящего и выходящего из атмосферы и как эти процессы связаны с изменяющимся климатом Земли. Исследователи проанализировали огромное количество данных о климате и данных об углеводородном цикле со всего мира, и они говорят, что их результаты должны помочь улучшить валидность прогнозируемых моделей и понять, как изменение климата может затронуть углеродный цикл, и наш мир — в будущем.

«Понимание факторов, которые управляют GPP различных земных экосистем, важно, потому что мы, люди пользуются многими услугами экосистемы, такими как лес, волокно, еда», сказал Бир. «К тому же, такое понимание важно в контексте изменения климата как следствие выделений углекислого газа выделяемого из-за горения ископаемого топлива, потому что растительность очень модулирует обмены атмосферы земли парниковыми газами, водой, и углекислым газом …»

В их отчете Бир и его коллеги объединили большие объемы данных полученных от FLUXNET, международной инициативной группы, основанной больше 10 лет назад, чтобы контролировать обмен углекислым газом между экосистемами Земли и атмосферой, с дистанционным зондированием и исследованием данных о климате со всего мира, чтобы вычислить пространственное распределение ежегодного GPP между 1998 и 2006 годами.

Исследователи выдвигают на первый план факт, что поглощение углекислого газа является наиболее интенсивным в тропических лесах планеты, которые ответственны за 34 процента поглощения углекислого газа из атмосферы во всем мире. Саванны составляют 26 процентов глобальной очистительной системы, хотя исследователи отмечают, что саванны также занимают вдвое большую площадь поверхности Земли, чем тропические леса.

Кислотные осадки также играют существенную роль в определении показателя общего мирового поглощения углекислого газа, выяснили исследователи. Они предполагают, что ливневые дожди существенно влияют на количество углерода, который растения используют для фотосинтеза на более чем 40 процентах богатых растительностью земель, открытие, которое подчеркивает важность водной доступности для продовольственной безопасности. Согласно исследованию, модели климата часто слишком вариативны, и некоторые из них переоценивают влияние ливней на глобальное поглощение углекислого газа.

«Мы достигли успеха в этом отчете преимущественно с помощью  использования большого количества данных от FLUXNET в дополнение к дистанционному зондированию и многократному повторному анализу климата,» сказал Бир. «С нашей оценкой глобального GPP мы можем сделать, две вещи — сравнить наши результаты с моделями Земной системы и далее проанализировать корреляцию между GPP и климатом.»

Во втором исследовании Маеча и его команда ученых также полагались на глобальное сотрудничество в пределах сети FLUXNET относительно чувствительности экосистем к температуре воздуха. Анализируя данные из 60 различных регионов FLUXNET, исследователи выяснили, что дыхательная чувствительность мировых экосистем к температуре, обычно называемых Q10, фактически увековечена на скрижалях истории — и что ценность Q10 независима от средней местной температуры и от специфических условий конкретной экосистемы.

В течение многих лет эксперты обсуждали действие температуры воздуха на систему глобального дыхания, или коллективные метаболические процессы организмов, которые возвращают углекислый газ в атмосферу с поверхности Земли. Большинство эмпирических исследований предполагает, что такое дыхание экосистемы во всем мире очень чувствительно к увеличивающимся температурам, в то время как большинство прогнозируемых моделей говорят об обратном. Ученые думали, что температуры воздуха в глобальном масштабе могут повыситься из-за того, что углекислый газ выделяемый горением ископаемого топлива, заманивает тепло в «ловушку». Но результаты  новых исследований предполагает, что температурная чувствительность выдыхаемого экосистемами углекислого газа была завышена и ее необходимо пересмотреть.

Это последнее исследование, которое может положить конец противоречиям в данном вопросе, предполагает, что предыдущие учебно-производственные практики были не в состоянии распознать процессы, действующие на различные шкалы времени. Маеча и его команда рассматривали процессы происходящие в 60 различных экосистемах в одинаковой шкале времени, чтобы привести глобальный коэффициент Q10 к значению 1.4. Их новое, стандартное значение для измерения чувствительности различных экосистем к температуре воздуха предлагает выявление результатов на основе обратной связи между углеродом и климатом за короткий промежуток времени в сравнении с предыдущими оценками.

«Наше ключевое открытие состоит в том, что кратковременная температурная чувствительность дыхания экосистемы к температуре воздуха сводится к единственному глобальному значению», сказал Маеча. «Вопреки предыдущим исследованиям мы показываем, что чувствительность дыхания экосистемы к температурным изменениям, скорее всего, независима от внешних факторов и постоянна внутри экосистемы. Другими словами, мы нашли взаимосвязь между изменением температуры воздуха и дыханием экосистемы… Наши результаты урегулировали очевидные противоречия между прогнозированием и учебно-производственными практиками».

В будущем эти два отдельных исследования должны учесть более точные предсказания того, как климат нагревания Земли затронет обмен углеродом между нашими экосистемами и атмосферой — и наоборот. Они предоставляют ученым важные инструменты для лучшего понимания экосистем в мире и как человеческий род продолжает влиять и изменять их.

Исследование Бира и др. финансировался CarboEuropeIP, FAO-GTOS-TCO, iLEAPS, Институтом Макса Планка Биогеохимии, Национальным научным фондом, университетом Tuscia, Université Лаваль, Окружающая среда Канада, и американским Министерством энергетики.

Исследование Маеча и др. финансировался CarboEuropeIP, FAO-GTOS-TCO, iLEAPS, Институтом Макса Планка Биогеохимии, Национальным научным фондом, университетом Tuscia, американским Министерством энергетики, европейским  Научным советом, проектом Европейской комиссии «CARBO-Extreme», и Обществом Макса Планка.