Повышение концентрации CO2 в атмосфере стимулирует выделение из почвы других парниковых газов

По мере того как в атмосфере растет содержание углекислого газа (CO₂), увеличивается и связывание его растениями. Соответственно, скорость дальнейшего прироста CO₂ снижается, а парниковый эффект ослабляется. Однако рост содержания CO₂ в атмосфере приводит также к усиленному выделению из почвы других парниковых газов: закиси азота (N₂O) и метана (CH₄). Хотя поступают эти газы в очень небольших (относительно CO₂) количествах, их парниковый эффект в расчете на молекулу газа гораздо более сильный, чем CO₂. Анализ опубликованных данных показывает, что выделение N₂O и CH₄ в ответ на увеличение содержания в воздухе CO₂ создает парниковый эффект, равносильный ежегодному добавлению примерно миллиарда тонн CO₂. Регулирующее воздействие растительности на парниковый эффект при этом снижается примерно на 17%.

Содержание диоксида углерода (углекислого газа) в атмосфере Земли на протяжении всей ее истории не отличалось постоянством. Особенно подробно изменения концентрации CO₂ прослежены за последние 850 тыс. лет, для которых есть данные анализа пузырьков воздуха, сохранившихся в толще антарктического льда (см.: Антарктический лед поведал о содержании метана и CO₂ в атмосфере Земли за последние 800 тысяч лет). На протяжении всего этого времени не было, однако, периода, в течение которого содержание CO₂ росло бы столь быстро, как в XX веке и в начале XXI-го. Причина такого необычно быстрого роста — сжигание ископаемого топлива. Если до начала индустриальной революции концентрация CO₂ в атмосфере оценивалась в 280 ppm (part per million, частей на миллион), то сейчас она составляет 390 ppm. К концу же столетия ожидается 600–700 ppm.

Поскольку CO₂ обладает парниковым эффектом, то есть удерживает в нижних слоях атмосферы тепло, которое излучает нагретая солнцем земля, рост его концентрации приводит к общему потеплению. Однако в ответ на увеличение концентрации CO₂ возрастает интенсивность фотосинтеза растений, а следовательно, связывается дополнительное количество этого газа. Благодаря наличию такой обратной связи содержание СО₂ в атмосфере и определяемый этим газом парниковый эффект растут не так быстро, как это было бы в отсутствие зависимости интенсивности фотосинтеза от концентрации CO₂.

Увы, помимо механизма, сдерживающего рост CO₂ в атмосфере, параллельно ему действует механизм, усиливающий парниковый эффект. Дело в том, что увеличение содержания CO₂ в атмосфере стимулирует эмиссию (выделение) из почвы других парниковых газов, а именно закиси азота и метана — N₂O и CH₄. Хотя концентрация их в атмосфере на порядки ниже концентрации CO₂, создаваемый ими парниковый эффект в расчете на молекулу газа существенно больше: для CH₄ в 25 раз, для N₂O — в 298 раз. Образование данных газов в почве и выделение их в атмосферу в ответ на рост содержания CO₂ — результат целой цепочки последовательно развивающихся процессов.

Первый из них — формирование в толще почвы анаэробных условий. Непосредственная причина — избыточное увлажнение почвы, резкое ухудшение аэрации. А увеличивается увлажненность из-за того, что растения при высокой концентрации в воздухе CO₂ не открывают полностью устьица и ослабляют транспирацию — испарение листьями воды, поглощаемой из почвы (рис. 1).

Ослабление транспирации невольно приводит к сокращению объема воды, «откачиваемой» растением из почвы. В ее толще появляются микрозоны, в которых кислород отсутствует. Закись азота образуется в почве за счет деятельности аэробных нитрифицирующих и анаэробных денитрифицирующих бактерий. Нитрифицирующие бактерии существуют за счет энергии, высвобождаемой при окислении азота кислородом воздуха (процесс этот, названный нитрификацией, был открыт нашим соотечественником Сергеем Николаевичем Виноградским еще в конце XIX века)

Но если в среде отсутствует такой выгодный окислитель, как кислород, бактерии, разлагающие органическое вещество, начинают вместо него использовать азот. Это и есть процесс денитрификации, конечным результатом которого является свободный азот N₂, а промежуточным – закись азота N₂O. Сам азот при этом последовательно восстанавливается. Схема преобразований следующая:

     NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂ (см. также рис. 2)

Процессы нитрификации и денитрификации нередко протекают одновременно в соседних микрозонах. Некоторые же бактерии являются факультативными анаэробами: при наличии кислорода они используют его в качестве окислителя, а если его нет, переходят на азот (Davidson et al., 2000).

Рис. 2. Степени окисления азота (от NH4+ до NO3– ) или его восстановления (от NO3– до N2) — результаты реакций, проводимых нитрифицирующими (Nitrifying bacteria, обозначены точками) и денитрифицирующими (Denitryfying bacteria, обозначены пунктиром) бактериями. Сплошные линии указывают реакции, проходящие без участия организмов. Из статьи Davidson et al. Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides // BioScience. 2000. V. 8. P. 667–680 (PDF)

Закись азота выделяется в основном в более сухих местах, и, конечно, там, где много азота. А вот в исходно заболоченных почвах и на заливаемых водой рисовых полях чаще образуется другой парниковый газ — метан. Здесь особенно важно формирование бескислородных зон, поскольку образующие метан бактерии, так называемые метаногены, — строгие анаэробы (см. также: Метаногенез).

Рис. 3. a) Влияние повышения концентрации СО2 в воздухе на выделение из почвы закиси азота (N2O) и метана (CH4) по данным ряда публикаций. Закись азота выделялась на более или менее сухих почвах, а метан — с рисовых полей (Rice) и заболоченных земель (Wetlands). Высота столбиков гистограммы — среднее из результатов 73, 21 и 24 наблюдений. b) Возрастание массы корней (Root biomass) и содержания влаги в почве (Soil water content) в ответ на повышение концентрации СО2 в воздухе. Высота столбиков — среднее из результатов 83 и 55 наблюдений. Из обсуждаемой статьи в Nature

Конечным продуктом окислительно-восстановительных реакций, проводимых бактериями метаногенами для получения энергии, является метан, второй по значимости (после CO₂) парниковый газ атмосферы. Важно и то, что при высокой концентрации в воздухе CO₂ растения быстро растут, причем увеличивается масса не только надземных частей, но и корней, а растущие корни выделяют во внешнюю среду лабильные органические соединения углерода, которые являются прекрасной пищей для бактерий-метаногенов.

Хотя данные, подтверждающие усиление эмиссии N₂O и CH₄ в ответ на увеличение концентрации в воздухе CO₂, время от времени появлялись в научных журналах, масштабы этого явления были не ясны. И вот недавно вышла обзорная статья Кеес Ван Гронингена (Kees Jan van Groenigen) из Отдела биологии Университета Северной Аризоны (Флагстафф, Аризона, США), который совместно с коллегами из того же и других университетов США проанализировал 49 опубликованных исследований, в которых были приведены сведения об эмиссии закиси азота и метана при повышении концентрации CO₂ в воздухе. Общее количество наблюдений — 152.

Рис. 4. Глобальный парниковый эффект закиси азота и метана, выраженный в эквиваленте СO2 (в петаграммах, 1015 г в год). Вверху — N2O на естественных и возделанных сухих землях, ниже — СH4 на естественных заболоченных землях, на рисовых полях, а также на сухих почвах. Внизу суммарный эффект закиси азота и метана (также в петаграммах СO2). Из обсуждаемой статьи в Nature

Выяснилось, что эмиссия N₂O возросла в среднем на 18%, а эмиссия CH₄ — на 13% с заболоченных земель и на 43% с рисовых полей (рис. 3). Исходя из площадей, занятых теми или иными экосистемами, Гронинген и его соавторы рассчитали, что усиление парникового эффекта за счет возрастания эмиссии закиси азота и метана эквивалентно добавлению в атмосферу за год 1,12 Pg углекислого газа (рис. 4). Один Pg (петаграмм) равен 10¹⁵ г или 1 миллиарду тонн. Приведенная исследователями цифра безусловно не является окончательной. Она будет уточняться, в частности и потому, что места проведения наблюдений находятся в основном в средних широтах, а обсуждаемые процессы могут быть широко распространены как раз в тропиках, для которых данных пока очень мало.

Источник: Kees Jan van Groenigen, Craig W. Osenberg, Bruce A. Hungate. Increased soil emissions of potent greenhouse gases under increased atmospheric CO₂ // Nature. 2011. V. 475. P. 214–216.

См. также:
1) Alexander Knohl, Edzo Veldkamp. Global change: Indirect feedbacks to rising CO₂ // Nature. 2011 V. 475. P. 177–178.
2) E. A. Davidson, M. Keller, H. E. Erickson, et al. Testing a conceptual model of soil emissions of nitrous and nitric oxides (вся статья в PDF, 561 Кб) // BioScience. 2000. V. 50. P. 667–680.

Алексей Гиляров