Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Под дыханием почвы понимается производство углекислого газа при дыхании почвенных организмов . Это включает дыхание корней растений , ризосферы , микробов и фауны .

Дыхание почвы - это ключевой процесс экосистемы, который высвобождает углерод из почвы в форме CO 2 . CO 2 попадает в растения из атмосферы и превращается в органические соединения в процессе фотосинтеза . Растения используют эти органические соединения для создания структурных компонентов или "вдыхают" их для высвобождения энергии. Когда дыхание растений происходит под землей в корнях, это усиливает дыхание почвы. Со временем структурные компоненты растений потребляются гетеротрофами . Это гетеротрофное потребление высвобождает CO 2, и когда этот CO 2 выделяется подземными организмами, это считается дыханием почвы.

Уровень дыхания почвы в экосистеме контролируется несколькими факторами. Температура , влажность, питательное вещество , содержание и уровень кислорода в почве может привести к чрезвычайно разнородные показатели дыхания. Эту частоту дыхания можно измерить различными методами. Другие методы могут использоваться для разделения компонентов источника, в данном случае типа фотосинтетического пути ( C3 / C4 ), структур дышащих растений.

На скорость дыхания почвы может во многом влиять деятельность человека. Это связано с тем, что люди обладают способностью изменять различные контролирующие факторы дыхания почвы и меняют их в течение многих лет. Глобальное изменение климата складывается из множества изменяющихся факторов, включая повышение содержания CO 2 в атмосфере , повышение температуры и изменение режима выпадения осадков . Все эти факторы могут влиять на скорость глобального дыхания почвы. Увеличение количества азотных удобрений людьми также может повлиять на показатели по всей планете .

Чрезвычайно важно понимать дыхание почвы и его скорость в экосистемах. Это связано с тем, что дыхание почвы играет большую роль в глобальном круговороте углерода, а также в круговороте других питательных веществ . Дыхание структур растений высвобождает не только CO 2, но и другие питательные вещества в этих структурах, такие как азот. Дыхание почвы также связано с положительной обратной связью с глобальным изменением климата. Положительная обратная связь - это когда изменение в системе вызывает реакцию в том же направлении, что и изменение. Следовательно, на скорость дыхания почвы может повлиять изменение климата, а затем отреагировать на это усилением изменения климата.

Источники углекислого газа в почве [ править ]

Портативная система дыхания почвы, измеряющая поток CO 2 в почве

Все процессы клеточного дыхания высвобождают энергию, воду и CO 2 из органических соединений. Любое дыхание под землей считается дыханием почвы. При дыхании корнями растений, бактериями , грибами и почвенными животными в почву выделяется CO 2 , как описано ниже.

Цикл трикарбоновой кислоты (ТСА) [ править ]

Цикл трикарбоновой кислоты (ТСА) - или цикл лимонной кислоты - является важным этапом клеточного дыхания. В цикле TCA окисляется шестиуглеродный сахар . [1] Это окисление производит CO 2 и H 2 O из сахара. Растения, грибы, животные и бактерии - все используют этот цикл для преобразования органических соединений в энергию. Так происходит дыхание почвы на самом базовом уровне. Поскольку процесс зависит от кислорода, это называется аэробным дыханием.

Ферментация [ править ]

Ферментация - это еще один процесс, при котором клетки получают энергию от органических соединений. В этом метаболическом пути энергия извлекается из углеродного соединения без использования кислорода. Продуктами этой реакции являются диоксид углерода и обычно этиловый спирт или молочная кислота . [2] Из-за нехватки кислорода этот путь описывается как анаэробное дыхание . Это важный источник CO 2 для дыхания почвы в заболоченных экосистемах, где не хватает кислорода, например, в торфяных болотах и водно-болотных угодьях . Однако большая часть CO 2 высвобождается из почвы посредством дыхания, и один из наиболее важных аспектов подземного дыхания происходит в корнях растений.

Корневое дыхание [ править ]

Растения вдыхают некоторые углеродные соединения, образовавшиеся в результате фотосинтеза. Когда это дыхание происходит в корнях, оно усиливает дыхание почвы. Дыхание корней составляет примерно половину всего дыхания почвы. Однако эти значения могут варьироваться от 10 до 90% в зависимости от доминирующих типов растений в экосистеме и условий, которым они подвергаются. Таким образом, количество CO 2, образующегося при дыхании корней, определяется биомассой корней и удельной скоростью дыхания корней. [3] Непосредственно рядом с корнем находится область, известная как ризосфера, которая также играет важную роль в дыхании почвы.

Дыхание ризосферы [ править ]

Ризосфера зона в непосредственной близости от поверхности корней с соседней почвой. В этой зоне происходит тесное взаимодействие между растением и микроорганизмами. Корни непрерывно выделяют в почву вещества или экссудаты . Эти экссудаты включают сахара, аминокислоты , витамины , длинноцепочечные углеводы , ферменты и лизаты, которые высвобождаются при разрушении клеток корней. Количество углерода, теряемого в виде экссудатов, значительно варьируется между видами растений. Было продемонстрировано, что до 20% углерода, полученного в результате фотосинтеза, попадает в почву в виде корневых экссудатов. [4] Эти экссудаты разлагаютсяв первую очередь бактериями. Эти бактерии будут вдыхать углеродные соединения в течение цикла TCA; однако брожение тоже присутствует. Это связано с недостатком кислорода из-за большего потребления кислорода корнем по сравнению с сыпучей почвой, почвой на большем расстоянии от корня. [5] Другим важным организмом в ризосфере являются корневые грибы или микоризы . Эти грибы увеличивают площадь поверхности корня растения и позволяют корню встречаться и получать большее количество питательных веществ почвы, необходимых для роста растений. В обмен на это растение будет передавать сахар грибам. Грибы будут вдыхать эти сахара для получения энергии, тем самым увеличивая дыхание почвы. [6]Грибы, наряду с бактериями и почвенными животными, также играют большую роль в разложении подстилки и органических веществ почвы .

Почвенные животные [ править ]

Почвенные животные питаются популяциями бактерий и грибов, а также поглощают и разбивают подстилку, чтобы усилить дыхание почвы. Микрофауна состоит из мельчайших почвенных животных. К ним относятся нематоды и клещи . Эта группа специализируется на почвенных бактериях и грибах. Поглощая эти организмы, углерод, который первоначально находился в органических соединениях растений и был включен в структуры бактерий и грибов, теперь будет вдыхаться почвенными животными. Мезофауна - это почвенные животные длиной от 0,1 до 2 миллиметров (от 0,0039 до 0,0787 дюйма), которые поглощают почвенный мусор. фекальныематериал будет удерживать большее количество влаги и иметь большую площадь поверхности. Это позволит новым атакам микроорганизмов и большему количеству дыхания почвы. Макрофауна - это организмы размером от 2 до 20 миллиметров (от 0,079 до 0,787 дюйма), такие как дождевые черви и термиты . Большая часть фрагментов макрофауны подстилается, тем самым подвергая бóльшую площадь заражению микробами. Другая макрофауна роет норы или заглатывает подстилку, уменьшая объемную плотность почвы, разрушая агрегаты почвы и увеличивая аэрацию почвы и инфильтрацию воды. [7]

Регуляция почвенного дыхания [ править ]

Регулирование производства CO 2 в почве обусловлено различными абиотическими или неживыми факторами. Температура, влажность почвы и азот влияют на скорость дыхания почвы.

Температура [ править ]

График, показывающий зависимость дыхания почвы от температуры почвы

Температура влияет практически на все аспекты процессов дыхания. Температура увеличивает дыхание экспоненциально до максимума, в этот момент дыхание снижается до нуля, когда ферментативная активность прерывается. Дыхание корня увеличивается экспоненциально с температурой в ее низком диапазоне, когда частота дыхания ограничивается в основном циклом TCA. При более высоких температурах лимитирующим фактором становится транспорт сахаров и продуктов метаболизма. При температуре выше 35 ° C (95 ° F) корневое дыхание полностью прекращается. [8] Микроорганизмы делятся на три температурные группы; криофилы , мезофилы и термофилы. Криофилы оптимально функционируют при температурах ниже 20 ° C (68 ° F), мезофилы лучше всего работают при температурах от 20 до 40 ° C (104 ° F), а термофилы оптимально функционируют при температуре выше 40 ° C (104 ° F). В естественных почвах существует множество различных когорт или групп микроорганизмов. Все эти группы будут лучше всего функционировать в разных условиях, поэтому дыхание может происходить в очень широком диапазоне. [9] Повышение температуры приводит к увеличению скорости дыхания почвы до тех пор, пока высокие значения не замедляют функционирование микробов, это та же картина, которая наблюдается с уровнями влажности почвы.

Влажность почвы [ править ]

Влажность почвы - еще один важный фактор, влияющий на ее дыхание. Дыхание почвы слабое в засушливых условиях и увеличивается до максимума при промежуточных уровнях влажности, пока не начинает уменьшаться, когда содержание влаги исключает кислород. Это позволяет преобладать анаэробным условиям и подавлять аэробную микробную активность. Исследования показали, что влажность почвы ограничивает дыхание только в самых низких и самых высоких условиях, при этом большое плато существует при промежуточных уровнях влажности почвы для большинства экосистем. [10] Многие микроорганизмы обладают стратегиями роста и выживания.в условиях низкой влажности почвы. В условиях высокой влажности почвы многие бактерии поглощают слишком много воды, что приводит к лизированию или разрушению их клеточной мембраны. Это может временно снизить скорость дыхания почвы, но лизис бактерий приводит к резкому увеличению ресурсов для многих других бактерий. Такое быстрое увеличение доступных лабильных субстратов вызывает кратковременное усиление дыхания почвы. Дыхание корней будет усиливаться с увеличением влажности почвы, особенно в засушливых экосистемах; однако реакция дыхания корней отдельных видов на влажность почвы будет широко варьироваться от вида к виду в зависимости от особенностей жизненного цикла. Повышенный уровень влажности почвы подавляет дыхание корней, ограничивая доступ кислорода воздуха. За исключением растений водно-болотных угодий, которые разработали особые механизмы для аэрации корней,большинство растений не адаптированы к почвенной среде заболоченных мест снизкий кислород . [11] Эффект ослабления дыхания от повышенной влажности почвы усиливается, когда дыхание почвы также снижает окислительно-восстановительный потенциал почвы за счет биоэлектрогенеза . [12] Микробные топливные элементы на основе почвы становятся популярными образовательными инструментами в научных классах.

Азот [ править ]

Азот напрямую влияет на дыхание почвы несколькими способами. Азот должен поступать через корни, чтобы способствовать росту и жизни растений. Наиболее доступный азот находится в форме NO 3 - , который стоит 0,4 единицы CO 2, чтобы попасть в корень, потому что для его перемещения вверх по градиенту концентрации необходимо использовать энергию . Попав внутрь корня, NO 3 - должен быть восстановлен до NH 3 . Этот шаг требует больше энергии, что равняется 2 единицам CO 2 на одну уменьшенную молекулу. У растений с бактериальными симбионтами , которые фиксируют атмосферный азот, энергетические затраты для растения на получение одной молекулы NH 3 из атмосферного азота2 составляет 2,36 СО 2 . [13] Важно, чтобы растения поглощали азот из почвы или полагались на симбионтов, чтобы исправить его из атмосферы, чтобы обеспечить рост, воспроизводство и долгосрочное выживание.

Еще один способ воздействия азота на дыхание почвы - разложение подстилки . Подстилка с высоким содержанием азота считается высококачественной и легче разлагается микроорганизмами, чем подстилка низкого качества. Разложение целлюлозы , прочного структурного соединения растений, также связано с ограничением азота и будет увеличиваться с добавлением азота в подстилку. [14]

Методы измерения [ править ]

Существуют различные методы измерения скорости дыхания почвы и определения источников. Наиболее распространенные методы включают использование долгосрочных автономных систем измерения потоков почвы для измерения в одном месте в разное время; обследовать системы дыхания почвы для измерения в разных местах и ​​в разное время; и использование соотношений стабильных изотопов .

Долгосрочные автономные системы измерения потоков почвы для измерения в одном месте с течением времени [ править ]

Автоматизированная система обмена CO 2 в почве

Эти системы проводят измерения в одном месте в течение длительных периодов времени. Поскольку они измеряют только в одном месте, обычно используют несколько станций, чтобы уменьшить ошибку измерения, вызванную изменчивостью почвы на небольших расстояниях. Изменчивость почвы может быть проверена с помощью инструментов исследования почвенного дыхания.

Приборы длительного пользования сконструированы таким образом, чтобы в промежутках между измерениями место измерения максимально подвергалось воздействию окружающих условий.

Типы долгосрочных автономных инструментов [ править ]

Закрытые нестационарные системы [ править ]

Закрытые системы проводят краткосрочные измерения (обычно в течение нескольких минут) в камере, герметичной над почвой. [15] Скорость оттока CO 2 из почвы рассчитывается на основе увеличения CO 2 внутри камеры. Поскольку в закрытых камерах происходит накопление CO 2 , периоды измерения сокращаются до минимума для достижения заметного линейного увеличения концентрации, что позволяет избежать чрезмерного накопления CO 2 внутри камеры с течением времени.

Доступна как информация об индивидуальном анализе, так и информация об измерении суточного дыхания CO 2 . Такие системы также обычно измеряют температуру почвы, влажность почвы и ФАР ( фотосинтетически активную радиацию ). Эти переменные обычно записываются в файл измерений вместе со значениями CO 2 .

Для определения дыхания почвы и наклона увеличения CO 2 исследователи использовали линейный регрессионный анализ, алгоритм Педерсена (2001) и экспоненциальную регрессию . Есть больше опубликованных ссылок на линейный регрессионный анализ; однако алгоритм Педерсена и методы экспоненциального регрессионного анализа также имеют следующие особенности. Некоторые системы предлагают выбор математических методов. [16]

При использовании линейной регрессии на графике отображается несколько точек данных, и эти точки могут быть аппроксимированы уравнением линейной регрессии, которое обеспечит наклон. Этот наклон может обеспечить скорость дыхания почвы по уравнению , где F - скорость дыхания почвы, b - наклон, V - объем камеры, а A - площадь поверхности почвы, покрытая камерой. [17] Важно, чтобы измерение не проводилось в течение более длительного периода времени, так как увеличение концентрации CO 2 в камере также приведет к увеличению концентрации CO 2.в пористом верхнем слое почвенного профиля. Это увеличение концентрации приведет к недооценке скорости дыхания почвы из-за того, что в почве накапливается дополнительный CO 2 . [18]

Открытые стационарные системы [ править ]

Системы открытого режима предназначены для определения скорости потока почвы при достижении равновесия в измерительной камере. Воздух проходит через камеру до того, как она будет закрыта и запечатана. Это удаляет любые уровни CO 2 вне окружающей среды из камеры перед измерением. После закрытия камеры свежий воздух закачивается в камеру с контролируемой и программируемой скоростью потока. Он смешивается с CO 2 из почвы, и через некоторое время достигается равновесие. Исследователь определяет точку равновесия как разность CO 2.измерения между последовательными измерениями за истекшее время. Во время анализа скорость изменения медленно снижается до тех пор, пока не будет соответствовать критериям скорости изменения, установленным заказчиком, или максимальному выбранному времени для анализа. Затем определяется поток почвы или скорость изменения, когда в камере достигаются условия равновесия. Скорость и время потока камеры программируются, точно измеряются и используются в расчетах. Эти системы имеют вентиляционные отверстия, которые предназначены для предотвращения возможного недопустимого повышения парциального давления CO 2, обсуждаемого в системах с закрытым режимом. Поскольку движение воздуха внутри камеры может вызвать повышенное давление в камере, или внешний ветер может вызвать пониженное давление в камере, предусмотрено вентиляционное отверстие, которое спроектировано так, чтобы быть максимально защищенным от ветра.

Открытые системы также не так чувствительны к изменению структуры почвы или проблемам сопротивления пограничного слоя на поверхности почвы. Воздушный поток в камере на поверхности почвы предназначен для минимизации явления сопротивления пограничного слоя.

Системы с гибридным режимом [ править ]

Гибридная система тоже существует. Он имеет вентиляционное отверстие, которое спроектировано так, чтобы быть максимально ветрозащитным и предотвращать возможное неприемлемое частичное повышение давления CO 2 , но в остальном оно спроектировано так, чтобы работать как система с закрытым режимом.

Изучите системы дыхания почвы - для проверки изменения дыхания CO 2 в разных местах и ​​в разное время [ править ]

Измерение пространственной изменчивости дыхания почвы в полевых условиях

Это портативные или полупортативные приборы открытого или закрытого типа. Они измеряют изменчивость дыхания CO 2 в почве в разных местах и ​​в разное время. С этим типом инструментов почвенные манжеты, которые могут быть подключены к измерительному прибору, вставляются в землю, и почве дают возможность стабилизироваться в течение определенного периода времени. Установка почвенной манжеты временно нарушает почву, создавая артефакты измерения. По этой причине обычно в разных местах вставляют несколько почвенных воротников. Почвенные воротники вставлены достаточно далеко, чтобы ограничить боковую диффузию CO 2 . После стабилизации почвы исследователь затем переходит от одной манжеты к другой в соответствии с планом эксперимента, чтобы измерить дыхание почвы.

Системы исследования дыхания почвы также могут использоваться для определения количества долгосрочных автономных временных инструментов, необходимых для достижения приемлемого уровня погрешности. В разных местах может потребоваться разное количество долгосрочных автономных единиц из-за большей или меньшей изменчивости дыхания почвы.

Изотопные методы [ править ]

Растения поглощают CO 2 и производят органические соединения с использованием одного из трех путей фотосинтеза . Двумя наиболее распространенными путями являются процессы C 3 и C 4 . Растения C 3 лучше всего приспособлены к прохладным и влажным условиям, в то время как растения C 4 хорошо себя чувствуют в жарких и сухих экосистемах. Из-за различных фотосинтетических ферментов между этими двумя путями предпочтительно приобретаются разные изотопы углерода . Изотопы - это один и тот же элемент, который различается числом нейтронов, что делает один изотоп тяжелее другого. Двумя стабильными изотопами углерода являются 12 C и 13 C. C 3Путь будет различать более тяжелый изотоп в большей степени, чем путь C 4 . Это сделает структуры растений, полученные из растений C 4, более обогащенными более тяжелым изотопом, и, следовательно, корневые экссудаты и опад этих растений также будут более обогащенными. Когда углерод в этих структурах вдыхается, CO 2 покажет аналогичное соотношение двух изотопов. Исследователи будут выращивать растение C 4 на почве, которая ранее была занята растением C 3, или наоборот. Измеряя дыхание почвы и анализируя изотопные отношения CO 2, можно определить, является ли дыхание почвы в основном старым по сравнению с недавно образовавшимся углеродом. Например, кукуруза, растение C 4 , выращивали на почве, где ранее выращивалась яровая пшеница , растение C 3 . Результаты показали дыхание C 3 SOM в первые 40 дней с постепенным линейным увеличением обогащения тяжелыми изотопами до 70 дня. Через 70 дней наблюдалось замедление обогащения до пика на 100 день. [19] Путем анализа стабильного изотопа углерода. Данные позволяют определить исходные компоненты вдыхаемого ПОВ, который был произведен различными путями фотосинтеза.

Ответы на вмешательство человека [ править ]

За последние 160 лет люди изменили землепользование и производственные практики, что изменило климат и глобальные биогеохимические циклы . Эти изменения повлияли на скорость дыхания почвы по всей планете.

Повышенный углекислый газ [ править ]

После промышленной революции люди выбрасывают в атмосферу огромное количество CO 2 . Эти выбросы значительно увеличились с течением времени и привели к увеличению глобальных уровней CO 2 в атмосфере до самого высокого уровня за более чем 750 000 лет. Дыхание почвы усиливается, когда экосистемы подвергаются повышенным уровням CO 2 . Многочисленные исследования по обогащению CO 2 в свободном воздухе (FACE) были проведены для проверки дыхания почвы при прогнозируемых в будущем условиях повышенного CO 2 . Недавние исследования FACE показали значительное увеличение дыхания почвы из-за увеличения биомассы корней и микробной активности. [20] Было обнаружено, что у сладкой жевательной резинки дыхание почвы увеличивается до 40,6%.лес в Теннесси и тополевые леса в Висконсине в условиях повышенного содержания CO 2 . [21] Весьма вероятно, что уровни CO 2 превысят уровни, использованные в этих экспериментах FACE к середине этого века из-за увеличения использования человеком ископаемого топлива и методов землепользования.

Потепление климата [ править ]

Из-за повышения температуры почвы уровни CO 2 в нашей атмосфере увеличиваются, и поэтому средняя средняя температура Земли повышается. Это связано с деятельностью человека, такой как расчистка лесов , обнажение почв , а также с разработками, которые разрушают автотрофные процессы. С потерей фотосинтезирующих растений, покрывающих и охлаждающих поверхность почвы, инфракрасная энергия проникает в почву, нагревая ее и вызывая рост гетеротрофных бактерий. Гетеротрофы в почве быстро разрушают органическое вещество, и структура почвы крошится, поэтому она растворяется в ручьях и реках в море . Большая часть органического вещества, унесенного наводнениями в результате вырубки леса, уходит в эстуарии., водно-болотные угодья и, в конечном итоге, в открытый океан. Повышенная мутность поверхностных вод вызывает биологическую потребность в кислороде и гибель большего числа автотрофных организмов. Уровень углекислого газа повышается с усилением дыхания почвенных бактерий после повышения температуры из-за потери почвенного покрова.

Как упоминалось ранее, температура сильно влияет на скорость дыхания почвы. Это может иметь самое сильное влияние в Арктике . В мерзлой вечной мерзлоте заключены большие запасы углерода . С повышением температуры эта вечная мерзлота тает, и начинают преобладать аэробные условия, что значительно увеличивает скорость дыхания в этой экосистеме. [22]

Изменения количества осадков [ править ]

Ожидается, что из-за меняющихся температурных режимов и океанических условий характер выпадения осадков изменится по местоположению, частоте и интенсивности. Ожидаются более сильные и более частые штормы, когда океаны могут передавать больше энергии формирующимся штормовым системам. Это может иметь наибольшее влияние на ксерические или засушливые экосистемы. Было показано, что дыхание почвы в засушливых экосистемах демонстрирует динамические изменения в пределах цикла дождей . Частота дыхания в сухой почве обычно резко увеличивается до очень высокого уровня после дождя, а затем постепенно снижается по мере высыхания почвы. [10] С увеличением частоты и интенсивности дождевых осадков на территории, где ранее не было обильных осадков, можно сделать вывод о резком увеличении дыхания почвы.

Азотное удобрение [ править ]

С начала « зеленой революции» в середине прошлого века огромное количество азотных удобрений было произведено и внедрено почти во все сельскохозяйственные системы. Это привело к увеличению доступного для растений азота в экосистемах по всему миру из-за сельскохозяйственных стоков и внесения удобрений с помощью ветра . Как обсуждалось ранее, азот может оказывать значительное положительное влияние на уровень и скорость дыхания почвы. Было обнаружено, что увеличение содержания азота в почве увеличивает темновое дыхание растений, стимулирует определенную скорость дыхания корней и увеличивает общую биомассу корней. [23]Это связано с тем, что высокие уровни азота связаны с высокими темпами роста растений. Высокие темпы роста растений приведут к увеличению дыхания и биомассы, обнаруженных в исследовании. При таком увеличении продуктивности может быть обеспечено увеличение активности почвы и, следовательно, дыхания.

Важность [ править ]

Дыхание почвы играет важную роль в глобальном круговороте углерода и питательных веществ, а также является движущей силой изменений климата. Эти роли важны для нашего понимания мира природы и сохранения человека.

Глобальный круговорот углерода [ править ]

Дыхание почвы играет решающую роль в регулировании круговорота углерода на уровне экосистемы и в глобальном масштабе. Ежегодно наземными растениями поглощается около 120 петаграмм (Пг) углерода, и такое же количество выбрасывается в атмосферу через дыхание экосистемы. Глобальные почвы содержат до 3150 мкг углерода, из которых 450 мкг находятся в заболоченных землях и 400 мкг - в постоянно мерзлых почвах. Почвы содержат в четыре раза больше углерода, чем атмосфера. [24] Исследователи подсчитали, что на дыхание почвы приходится 77 пг углерода, выбрасываемого в атмосферу каждый год. [25] Этот уровень выброса на порядок больше, чем выброс углерода из-за антропогенного воздействия.источники (6 Пг в год), такие как сжигание ископаемого топлива . Таким образом, небольшое изменение дыхания почвы может серьезно изменить баланс концентрации CO 2 в атмосфере и запасов углерода в почве. Подобно тому, как дыхание почвы может играть важную роль в глобальном углеродном цикле, оно также может регулировать глобальный круговорот питательных веществ .

Круговорот питательных веществ [ править ]

Главный компонент дыхания почвы - это разложение подстилки, которое выделяет CO 2 в окружающую среду при одновременном иммобилизации или минерализации питательных веществ. Во время разложения питательные вещества, такие как азот, иммобилизуются микробами для собственного роста. Когда эти микробы попадают в организм или умирают, в почву добавляется азот. Азот также минерализуется в результате разложения белков и нуклеиновых кислот в подстилке. Этот минерализованный азот также добавляется в почву. Благодаря этим процессам количество азота, добавляемого в почву, связано со скоростью микробного дыхания. Исследования показали, что скорость дыхания почвы была связана со скоростью обновления микроорганизмов и минерализации азота. [5] Изменения глобальных циклов могут в дальнейшем повлиять на изменение климата планеты.

Изменение климата [ править ]

Как указывалось ранее, CO 2, выделяемый при дыхании почвы, является парниковым газом, который будет продолжать удерживать энергию и повышать глобальную среднюю температуру, если концентрации будут продолжать расти. С повышением глобальной температуры будет расти и скорость дыхания почвы во всем мире, что приведет к более высокой концентрации CO 2 в атмосфере, что снова приведет к более высоким глобальным температурам. Это пример положительной обратной связи . Подсчитано, что повышение температуры на 2 ° по Цельсию приведет к дополнительному выбросу 10 мкг углерода в атмосферу в результате дыхания почвы. [26] Это больше, чем нынешние антропогенныевыбросы углерода. Также существует вероятность того, что это повышение температуры приведет к высвобождению углерода, хранящегося в постоянно мерзлых почвах, которые теперь тают. Климатические модели предполагают, что эта положительная обратная связь между дыханием почвы и температурой приведет к уменьшению запаса углерода в почве к середине 21 века. [27]

Резюме [ править ]

Дыхание почвы - это ключевой процесс экосистемы, который высвобождает углерод из почвы в форме углекислого газа. Углерод хранится в почве в виде органического вещества и вдыхается растениями, бактериями, грибами и животными. Когда это дыхание происходит под землей, это считается дыханием почвы. Температура, влажность почвы и азот - все это регулирует скорость этого преобразования углерода в органических соединениях почвы в CO 2 . Для измерения дыхания почвы используются многие методы; однако закрытая динамическая камера и использование соотношений стабильных изотопов - два наиболее распространенных метода. Люди изменили атмосферный CO 2 уровни, характер осадков и нормы внесения удобрений, все из которых сыграли значительную роль в скорости дыхания почвы. Изменения этих темпов могут изменить глобальные циклы углерода и питательных веществ, а также сыграть значительную роль в изменении климата.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Берг Дж, Тимочко Дж, Страйер Л. (2002). Биохимия. WH Freeman and Company.
  2. Перейти ↑ Klein D, Prescott L, Harley J. (2005). Микробиология. Макгроу-Хилл.
  3. ^ Шибистова О., Ллойд Дж., Евграфова С., Савушкина Н., Зражевская Г., Арнет А., Кноль А., Колле О. (2002) Сезонная и пространственная изменчивостьскорости оттокаCO 2 из почвыв центральном сибирском лесу Pinus sylvestris. Tellus 54B, 552-567.
  4. ^ Hutsch B, Augustin J, Merbach W. (2002) Ризотложение растений - важный источник круговорота углерода в почвах. Журнал питания растений и почвоведения. 165, 4, 397-407.
  5. ^ a b Вэнс Э., Чапин III Ф. (2001) Ограничения субстрата для микробной активности в таежных лесных подстилах. Биология и биохимия почвы. 33, 2, 173–188.
  6. ^ Харрисон М. (2005) Мирные переговоры и торговые сделки. Ключи к долговременной гармонии у симбиозов бобовых и микробов. Физиология растений. 137, 4, 1205-1210.
  7. ↑ Chapin III F, Matson P, Mooney H. (2002) Принципы экологии наземных экосистем. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.
  8. ^ Аткин О., Эдвардс Э, Лавис Б. (2000) Ответ корневого дыхания на изменения температуры и его отношение к глобальному потеплению. Новый фитолог. 147, 141–154.
  9. ^ Mikan C, Schimel J, Doyle A. (2002) Контроль температуры микробного дыхания в почвах арктической тундры выше и ниже точки замерзания. Биология и биохимия почвы. 34, 1785-1795.
  10. ^ a b Xu L, Baldocchi D, Tang J. (2004) Как влажность почвы, пульсации дождя и рост изменяют реакцию дыхания и температуры экосистемы. Глобальные биогеохимические циклы. 18.
  11. ^ Lambers H, Chapin III F, Pons T. (1998) Физиологическая экология растений. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.
  12. ^ Пезешки, SR; Делон, Р. Д. (26 июля 2012 г.). «Снижение окисления почв в водно-болотных угодьях и его влияние на функционирование растений» . Биология . 1 (2): 196–221. DOI : 10.3390 / biology1020196 . PMC  4009779 . PMID  24832223 .
  13. ^ Пэйт Дж, Лэйзелл Д. (1990) Энергетика и биологические затраты на ассимиляцию азота. Биохимия растений. 1-42.
  14. ^ Sinsabaugh R, Carreiro M, Repert D. (2002) Распределение внеклеточной ферментативной активности в зависимости от состава подстилки, отложения азота и потери массы. Биогеохимия. 60, 1-24.
  15. ^ Пумпанен, Юкка; Лонгдоз, Бернард; Л. Куч, Вернер, «Полевые измерения дыхания почвы: принципы и ограничения, возможности и ограничения различных методов» , Soil Carbon Dynamics , Cambridge University Press, стр. 16–33, ISBN 978-0-511-71179-4, дата обращения 07.03.2020
  16. ^ Wayson C, Randolph J, Hanson P, Grimmond P, Schmid H. (2006) Сравнение методов дыхания почвы в лиственных лесах средних широт. Биогеохимия. 80, 173–189.
  17. ^ Поле C, Болл Дж., Берри Дж. (1989) Фотосинтез, принципы и полевые методы. Физиологическая экология растений, полевые методы и приборы. Чепмен и Холл, Нью-Йорк.
  18. ^ Конен Ф. и Смит К. (2000) Объяснение линейного увеличения концентрации газа в закрытых камерах, используемых для измерения газообмена между почвой и атмосферой. Европейский журнал почвоведения. 51, 111-117.
  19. ^ Rochette P, Flanagan L, Gregorich E. (1999) Разделение дыхания почвы на растения и компоненты почвы с использованием анализа естественного содержания углерода-13. Журнал Американского общества почвоведов. 63, 1207–1213.
  20. ^ Липсона D, R Уилсон, Oechel Вт . (2005) Влияние повышенного содержания CO 2 в атмосферена биомассу, активность и разнообразие почвенных микробов в экосистеме чапараля. Прикладная и экологическая микробиология. 71, 12, 8573–8580
  21. ^ King J, Hanson P, Bernhardt E, Deangelis P, Norby R, Pregitzer K. (2004) Многолетний синтез реакции дыхания почвы на повышенный атмосферный CO 2 из четырех экспериментов FACE в лесу. Биология глобальных изменений. 10, 1027-1042.
  22. ^ Oechel W , Vourlitis G, Hastings S. (1995) ИзменениепотокаCO 2 в Арктикеза два десятилетия, Последствия изменения климата в Барроу, Аляска. Экологические приложения. 5, 3, 846-855.
  23. ^ Lutze J, Gifford R, Adams H. (2000) Качество и разложение подстилки в травянистых растениях Danthonia richardsonii в ответ напоступлениеCO 2 и азота в течение четырех лет роста. Биология глобальных изменений. 6, 13-24.
  24. ^ Sabine C, Hemann M, Artaxo P, Bakker D, Chen C, Field C, Gruber N, Le Quere C, Prinn R, Richey J, Romero-Lankao P, Sathaye J, Valentini R. (2003) Текущее состояние и прошлое тенденции углеродного цикла. На пути кстабилизацииCO 2 : проблемы, стратегии и последствия. Island Press. Вашингтон, округ Колумбия.
  25. ^ Raich J, и Potter C. (1995) Глобальные закономерности выбросов углекислого газа из почв. Глобальные биогеохимические циклы. 9, 23-36.
  26. ^ Friedlingstein P, Dufresne J, Cox P. (2003) Насколько положительна обратная связь между изменением климата и глобальным углеродным циклом? Скажи нам. 55Б, 692-700.
  27. ^ Кокс П., Беттс Р., Джонс С., Сполл С., Тоттерделл И. (2000) Ускорение глобального потепления из-за обратной связи углеродного цикла в связанной модели климата. Природа. 408, 184–187.
  • Ван И, Амундсор, Трамбор С. (1999). «Влияние изменения землепользования на оборот углерода в почвах» (PDF) . Глобальные биогеохимические циклы . 13 (1): 47–57. Bibcode : 1999GBioC..13 ... 47W . DOI : 10.1029 / 1998GB900005 .
  • Су Б. (2005) Взаимодействие между экосистемами углерода, азота и круговоротом воды в условиях глобальных изменений: результаты полевых и мезокосмальных экспериментов. Университет Оклахомы, Норман, Оклахома.
  • Фланаган Л. и Веум А. (1974) Взаимосвязь между дыханием, потерей веса, температурой и влажностью в органических остатках в тундре. Почвенные организмы и разложение в тундре. 249–277.

Внешние ссылки [ править ]

  • Подземное дыхание , Университет Дьюка