Дыхание почвы - Soil respiration

Дыхание почвы относится к производству углекислый газ когда почвенные организмы дышать. Это включает дыхание корни растений, то ризосфера, микробы и фауна.

Дыхание почвы - ключ к успеху экосистема процесс, который освобождает углерод из почвы в виде CO2. CO2 попадает в растения из атмосферы и превращается в органические соединения в процессе фотосинтез. Растения используйте эти органические соединения для создания структурных компонентов или вдохните их для высвобождения энергии. Когда дыхание растений возникает под землей в корнях, способствует дыханию почвы. Со временем структурные компоненты растений потребляются гетеротрофы. Это гетеротрофное потребление высвобождает CO2 и когда этот СО2 выделяется подземными организмами, это считается дыханием почвы.

Уровень дыхания почвы в экосистеме определяется несколькими факторами. В температура, влага, питательное вещество содержание и уровень кислород в почве может вызывать чрезвычайно разную скорость дыхания. Эту частоту дыхания можно измерить разными методами. Для разделения исходных компонентов можно использовать другие методы, в данном случае тип пути фотосинтеза (C3 /C4 ), дыхательных структур 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. Глобальный изменение климата состоит из множества изменяющихся факторов, включая повышение содержания CO в атмосфере.2, повышение температуры и смещение осадки узоры. Все эти факторы могут влиять на скорость глобального дыхания почвы. Повысился азот оплодотворение людьми также может повлиять на показатели в целом планета.

Чрезвычайно важно понимать дыхание почвы и его скорость в экосистемах. Это связано с тем, что дыхание почвы играет большую роль в глобальном круговорот углерода а также другие питательные циклы. При дыхании структур растений выделяется не только CO.2 но также и другие питательные вещества в этих структурах, такие как азот. Дыхание почвы также связано с положительным Обратная связь 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 изменение климата.

Источники углекислого газа в почве

Портативная система дыхания почвы, измеряющая почвенный CO2 поток

Все процессы клеточного дыхания высвобождают энергию, воду и CO.2 от органических соединений. Любое дыхание под землей считается дыханием почвы. Дыхание корнями растений, бактерии, грибы и почвенные животные выделяют CO2 в почвах, как описано ниже.

Цикл трикарбоновой кислоты (ТСА)

В трикарбоновая кислота (TCA) цикл - или цикл лимонной кислоты - важный этап клеточного дыхания. В цикле TCA шестиуглеродный сахар является окисленный.[1] Это окисление производит CO2 и H2О 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 аэробного дыхания.

Ферментация

Ферментация это еще один процесс, в котором клетки получают энергию от органических соединений. В этом метаболический путь, энергия получается из соединения углерода без использования кислорода. Продуктами этой реакции являются углекислый газ и обычно либо этиловый спирт или же молочная кислота.[2] Из-за недостатка кислорода этот путь описывается как анаэробное дыхание. Это важный источник CO.2 в дыхании почвы в заболоченных экосистемах с дефицитом кислорода, например торфяные болота и водно-болотные угодья. Однако большинство CO2 высвобождается из почвы посредством дыхания, и один из наиболее важных аспектов подземного дыхания происходит в корнях растений.

Корневое дыхание

Растения вдыхают некоторые углеродные соединения, образованные 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 экосистема и условия, которым подвергаются растения. Таким образом, количество CO2 продуцируемое корневым дыханием, определяется корнем биомасса и удельная скорость дыхания корней.[3] Непосредственно рядом с корнем находится область, известная как ризосфера, которая также играет важную роль в дыхании почвы.

Ризосферное дыхание

В ризосфера зона, непосредственно примыкающая к поверхности корня с соседней почвой. В этой зоне происходит тесное взаимодействие между растением и микроорганизмами. Корни непрерывно выделяют вещества, или экссудаты, в почву. Эти экссудаты включают сахара, аминокислоты, витамины, Длинная цепочка 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 разложенный в первую очередь бактериями. Эти бактерии будут вдыхать углеродные соединения в течение цикла TCA; тем не мение, ферментация 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] Еще одним важным организмом в ризосфере являются корневые грибы или микориза. Эти грибы увеличивают площадь поверхности корня растения и позволяют корню встречать и получать большее количество питательных веществ почвы, необходимых для роста растений. В обмен на эту пользу растение будет передавать грибам сахар. 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 мусор и органическое вещество почвы.

Почвенные животные

Почвенные животные питаются популяциями бактерий и грибов, а также поглощают и разбивают подстилку, чтобы увеличить дыхание почвы. Микрофауна состоят из мельчайших почвенных животных. К ним относятся нематоды и клещи. Эта группа специализируется на почвенных бактериях и грибах. Поглощая эти организмы, углерод, который изначально был в органических соединениях растений и был включен в бактериальные и грибковые структуры, теперь будет вдыхаться почвенными животными. Мезофауна являются почвенными животными от 0,1 до 2 миллиметров (от 0,0039 до 0,0787 дюйма) в длину и могут проглатывать почвенный мусор. В фекальный материал будет удерживать большее количество влаги и иметь большую площадь поверхности. Это приведет к новой атаке микроорганизмов и большему дыханию 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 зарывается в норы или поглощает подстилку, уменьшая объемную плотность почвы, разрушая агрегаты почвы и увеличивая аэрацию почвы и проникновение воды.[7]

Регуляция почвенного дыхания

Регулирование CO2 производство в почве связано с различными абиотический, или неживые, факторы. Температура, влажность почвы и азот все они влияют на скорость дыхания почвы.

Температура

График зависимости 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 действуют 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 функцию микробов, это та же картина, которая наблюдается с уровнями влажности почвы.

Влажность почвы

Влажность почвы - еще один важный фактор, влияющий на дыхание почвы. Дыхание почвы слабое в засушливых условиях и увеличивается до максимума при средних уровнях влажности, пока не начинает уменьшаться, когда содержание влаги исключает кислород. Это позволяет анаэробным условиям преобладать и подавлять аэробную микробную активность. Исследования показали, что влажность почвы ограничивает дыхание только в самых низких и высоких условиях, при этом большое плато существует при промежуточных уровнях влажности почвы для большинства экосистем.[10] Многие микроорганизмы обладают стратегиями роста и выживание 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. Это 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 из воздуха. За исключением растений водно-болотных угодий, которые разработали особые механизмы для аэрации корней, большинство растений не адаптированы к почвенной среде водно-болотных угодий с низкий кислород.[11] Эффект подавления дыхания из-за повышенной влажности почвы усиливается, когда дыхание почвы также снижает почву. редокс через биоэлектрогенез.[12] Микробные топливные элементы на основе почвы становятся популярными образовательными инструментами для научных классов.

Азот

Азот непосредственно влияет на дыхание почвы несколькими способами. Азот должен поступать корнями, чтобы способствовать росту и жизни растений. Наиболее доступный азот находится в форме NO.3−, что стоит 0,4 единицы CO2 чтобы войти в корень, потому что энергия должна использоваться, чтобы переместить его вверх градиент концентрации. Попав внутрь корня, НЕТ3− должен быть уменьшен до NH3. Этот шаг требует больше энергии, что равняется 2 единицам CO.2 на молекулу уменьшено. У растений с бактериальным симбионты, которые фиксируют атмосферный азот, энергетические затраты растения на получение одной молекулы NH3 от атмосферного N2 составляет 2,36 СО2.[13] Очень важно, чтобы растения поглощали азот из почвы или полагались на симбионтов, чтобы исправить его из атмосферы, чтобы обеспечить рост. воспроизведение и долгосрочное выживание.

Азот также влияет на дыхание почвы через подстилку. разложение. Подстилка с высоким содержанием азота считается высококачественной и легче разлагается микроорганизмами, чем подстилка низкого качества. Деградация целлюлоза, прочное структурное соединение растений, также является процессом с ограниченным содержанием азота и будет увеличиваться с добавлением азота в подстилку.[14]

Методы измерения

Существуют различные методы измерения скорости дыхания почвы и определения источников. Наиболее распространенные методы включают использование длительного автономного использования. системы подачи почвы для измерения в одном месте в разное время; обследовать системы дыхания почвы для измерения в разных местах и ​​в разное время; и использование отношения стабильных изотопов.

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

Автоматизированный почвенный CO2 система обмена

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 перерывах между измерениями место измерения максимально подвергалось воздействию окружающих условий.

Типы долгосрочных автономных инструментов

Закрытые нестационарные системы

Закрытые системы проводят краткосрочные измерения (обычно в течение нескольких минут) в камере, герметичной над почвой.[15] Норма почвенного CO2 отток рассчитывается на основе CO2 увеличился внутри камеры. Поскольку внутри закрытых камер CO2 продолжает накапливаться, периоды измерения сокращаются до минимума для достижения заметного линейного увеличения концентрации, избегая чрезмерного накопления CO2 внутри камеры с течением времени.

Оба индивидуальные проба информация и дневной CO2 доступна информация об измерении дыхания. Такие системы также обычно измеряют температуру почвы, влажность почвы и PAR (фотосинтетически активная радиация ). Эти переменные обычно записываются в файл измерений вместе с CO.2 значения.

Для определения дыхания почвы и наклона CO2 увеличения, исследователи использовали линейный регрессионный анализ, алгоритм Педерсена (2001) и экспоненциальная регрессия. Имеется 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]

Когда используешь линейная регрессия, несколько точек данных нанесены на график, и эти точки могут быть аппроксимированы уравнением линейной регрессии, которое обеспечит наклон. Этот наклон может обеспечить скорость дыхания почвы по уравнению , куда F скорость дыхания почвы, б наклон, V объем камеры и А - площадь поверхности почвы, покрытой камерой.[17] Важно, чтобы измерение не продолжалось в течение более длительного периода времени, так как увеличение CO2 концентрация в камере также увеличит концентрацию CO2 в пористом верхнем слое почвенного профиля. Это увеличение концентрации приведет к недооценке скорости дыхания почвы из-за дополнительного количества CO.2 хранится в почве.[18]

Открытые стационарные системы

Системы открытого режима предназначены для определения скорости потока почвы при достижении равновесия в камере измерения. Воздух проходит через камеру до того, как она будет закрыта и запечатана. При этом удаляется любой CO2 уровни из камеры перед измерением. После закрытия камеры свежий воздух закачивается в камеру с контролируемой и программируемой скоростью потока. Это смешивается с CO2 из почвы, и через некоторое время достигается равновесие. Исследователь определяет точку равновесия как разность CO2 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 накопления частичного CO.2 давление обсуждается в системах с закрытым режимом. Поскольку движение воздуха внутри камеры может вызвать повышенное давление в камере или внешние ветры могут вызвать пониженное давление в камере, предусмотрено вентиляционное отверстие, которое спроектировано так, чтобы быть максимально ветрозащитным.

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

Системы с гибридным режимом

Гибридная система тоже существует. Он имеет вентиляционное отверстие, которое максимально защищено от ветра и предотвращает недопустимый частичный выброс CO.2 повышения давления, но в остальном она предназначена для работы как система проектирования с закрытым режимом.

Обследование систем дыхания почвы - для проверки изменения содержания CO2 дыхание в разных местах и ​​в разное время

Измерение пространственной изменчивости дыхания почвы в полевых условиях

Это портативные или полупортативные инструменты открытого или закрытого типа. Они измеряют CO2 изменчивость дыхания почвы 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 часто вставляют несколько почвенных воротников в разных местах. Почвенные манжеты 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

Заводы приобретают CO2 и производить органические соединения с использованием одного из трех фотосинтетические пути. Два наиболее распространенных пути - это C3 и C4 процессы. C3 растения лучше всего приспособлены к прохладным и влажным условиям, в то время как C4 растения хорошо себя чувствуют в жарких и засушливых экосистемах. Из-за разных фотосинтетических ферментов между двумя путями, разные изотопы углерода приобретаются преимущественно. Изотопы являются одними и теми же элементами, которые различаются числом нейтронов, что делает один изотоп тяжелее другого. Два стабильных изотопа углерода: 12C и 13C. C3 путь будет больше дискриминировать более тяжелый изотоп, чем C4 путь. Это сделает конструкции завода, изготовленные из C4 растения, более обогащенные более тяжелым изотопом, и, следовательно, корневые экссудаты и опад этих растений также будут более обогащенными. Когда углерод в этих структурах вдыхается, CO2 покажет аналогичное соотношение двух изотопов. Исследователи выращивают букву C4 растение на почве, которая ранее была занята C3 завод или наоборот. Измеряя дыхание почвы и анализируя изотопные отношения CO2 можно определить, является ли почвенное дыхание в основном старым или недавно образовавшимся углеродом. Например, кукуруза, а C4 растение, выращенное на почве, где яровая пшеница, а C3 растение, ранее выращивавшееся. Результаты показали дыхание C3 SOM в первые 40 дней с постепенным линейным увеличением обогащения тяжелыми изотопами до дня 70. Дни после 70 показали замедление обогащения до пика на 100 день.[19] Анализируя данные о стабильных изотопах углерода, можно определить исходные компоненты вдыхаемого ПОВ, которые были произведены различными путями фотосинтеза.

Реакция на человеческое беспокойство

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

Повышенный углекислый газ

Поскольку Индустриальная революция, люди выбросили огромное количество CO2 в атмосферу. Эти выбросы значительно увеличились с течением времени и увеличили глобальный выброс CO в атмосферу.2 уровней до самого высокого за более чем 750 000 лет. Дыхание почвы увеличивается, когда экосистемы подвергаются повышенному содержанию CO.2. Многочисленные CO в свободном воздухе2 Исследования обогащения (FACE) были проведены для проверки дыхания почвы в условиях прогнозируемого будущего повышенного содержания CO2 условия. Недавние исследования FACE показали значительное увеличение дыхания почвы из-за увеличения биомассы корней и микробной активности.[20] Было обнаружено, что дыхание почвы увеличивается до 40,6% в сладкая жвачка лес в Теннесси и тополевые леса в Висконсин при повышенном CO2 условия.[21] Весьма вероятно, что CO2 уровни будут превышать те, которые использовались в этих экспериментах FACE к середине этот век из-за более широкого использования человеком ископаемое топливо и практика землепользования.

Потепление климата

Из-за повышения температуры почвы CO2 уровни в нашей атмосфере повышаются, и поэтому повышается средняя средняя температура Земли. Это связано с человеческой деятельностью, такой как вырубка леса, почва обнажение, и разработки, разрушающие автотрофный 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 органических веществ, унесенных наводнениями в результате вырубки леса, попадает в эстуарии, водно-болотных угодий и, в конечном итоге, в открытый океан. Повысился мутность поверхностных вод вызывает биологическую потребность в кислороде, и гибнет больше автотрофных организмов. Уровень углекислого газа повышается с увеличением 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 на Арктический. Большие запасы углерода заперты в замороженном вечная мерзлота. С повышением температуры эта вечная мерзлота тает, и начинают преобладать аэробные условия, что значительно увеличивает скорость дыхания в этой экосистеме.[22]

Изменения количества осадков

Ожидается, что из-за меняющихся температурных режимов и океанических условий характер выпадения осадков изменится по местоположению, частоте и интенсивности. Ожидаются более крупные и частые штормы, когда океаны могут передавать больше энергии формирующимся штормовым системам. Это может оказать наибольшее влияние на ксерический или засушливые экосистемы. Показано, что дыхание почвы в засушливых экосистемах демонстрирует динамические изменения в пределах цикл дождя. 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.

Азотные удобрения

С начала Зеленая революция в середине прошлого века огромное количество азотных удобрений было произведено и внедрено почти во все сельскохозяйственный системы. Это привело к увеличению доступного для растений азота в экосистемах по всему миру из-за сельскохозяйственных стоков и ветровой нагрузки. оплодотворение. Как обсуждалось ранее, азот может иметь 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. Высокая скорость роста растений приведет к увеличению дыхания и биомассы, обнаруженных в исследовании. При таком увеличении продуктивности может быть обеспечено увеличение активности почвы и, следовательно, дыхания.

Важность

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

Дыхание почвы играет решающую роль в регуляции круговорот углерода на уровне экосистемы и в глобальном масштабе. Ежегодно около 120 петаграммы (Pg) углерода поглощается наземными растениями, 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 ежегодно выделяется 77 пг углерода в атмосферу.[25] Этот уровень выброса на порядок больше, чем выброс углерода из-за антропогенный источники (6 пг в год), такие как ископаемое топливо жжение. Таким образом, небольшое изменение дыхания почвы может серьезно изменить баланс CO в атмосфере.2 концентрация по сравнению с запасами углерода в почве. Подобно тому, как дыхание почвы может играть важную роль в глобальном углеродном цикле, оно также может регулировать глобальные круговорот питательных веществ.

Круговорот питательных веществ

Основным компонентом дыхания почвы является разложение подстилки, которое выделяет CO.2 в окружающую среду при одновременном иммобилизации или минерализация питательные вещества. 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 нуклеиновые кислоты в помете. 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 микробов и минерализацией азота.[5] Изменения глобальных циклов могут в дальнейшем повлиять на изменение климата планеты.

Изменение климата

Как указывалось ранее, СО2 высвобождается при дыхании почвы. парниковый газ которые продолжат удерживать энергию и увеличивать глобальную среднюю температуру, если концентрации будут продолжать расти. С повышением глобальной температуры будет расти и скорость дыхания почвы во всем мире, что приведет к повышению концентрации CO.2 в атмосфере, что снова приводит к повышению глобальной температуры. Это пример положительного Обратная связь петля. По оценкам, повышение температуры на 2 ° по Цельсию приведет к дополнительному выбросу 10 мкг углерода в атмосферу в результате дыхания почвы.[26] Это больше, чем сейчас антропогенный выбросы 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 снижению запасов углерода в почве к середине 21 века.[27]

Резюме

Дыхание почвы - это ключевой процесс экосистемы, который высвобождает углерод из почвы в форме двуокиси углерода. 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 превращения 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 CO2 уровни, характер осадков и нормы 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.

Рекомендации

  1. ^ Берг Дж, Тимочко Дж, Страйер Л. (2002). Биохимия. WH Freeman and Company.
  2. ^ Кляйн Д., Прескотт Л., Харли Дж. (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 изменчивость почвенного CO2 интенсивность истока в среднесибирском 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. ^ а б Vance E, Chapin III F. (2001) Ограничения субстрата для микробной активности в тайга лесные настилы. 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. ^ Чапин III Ф, Матсон П., Муни Х. (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 значение для глобального потепления. Новый фитолог. 147, 141–154.
  9. ^ Mikan C, Schimel J, Doyle A. (2002) Температурный контроль микробного дыхания в почвах арктической тундры выше и ниже точки замерзания. Биология и биохимия почвы. 34, 1785-1795.
  10. ^ а б 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, С.Р .; ДеЛон, Р. Д. (26 июля 2012 г.). «Снижение окисления почвы в водно-болотных угодьях и его влияние на функционирование растений». Биология. 1 (2): 196–221. Дои:10.3390 / biology1020196. ЧВК  4009779. PMID  24832223.
  13. ^ Пейт Дж., Лейзелл Д. (1990) Энергетические и биологические затраты на усвоение азота. Биохимия растений. 1-42.
  14. ^ Синсабо Р., Каррейро М., Реперт Д. (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», Динамика углерода почвы, Cambridge University Press, стр. 16–33, ISBN  978-0-511-71179-4, получено 2020-03-07
  16. ^ Уэйсон С., Рэндольф Дж., Хансон П., Гриммонд П., Шмид Х. (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. ^ Рошетт П., Фланаган Л., Грегорич Э. (1999) Разделение дыхания почвы на растения и компоненты почвы с использованием анализа естественного содержания углерода-13. Журнал Общества почвоведов Америки. 63, 1207–1213.
  20. ^ Липсон Д., Уилсон Р., Oechel W. (2005) Влияние повышенного содержания CO в атмосфере2 по почвенной микробной биомассе, активности и разнообразию в экосистеме чапараль. Прикладная и экологическая микробиология. 71, 12, 8573–8580
  21. ^ King J, Hanson P, Bernhardt E, Deangelis P, Norby R, Pregitzer K. (2004) Многолетний синтез респираторных реакций почвы на повышенный уровень CO в атмосфере.2 из четырех лесных экспериментов FACE. Биология глобальных изменений. 10, 1027-1042.
  22. ^ Oechel W, Vourlitis G, Hastings S. (1995) Изменение концентрации CO в Арктике.2 поток за 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 стадах Danthonia richardsonii в ответ на CO2 и поставка азота за четыре года 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 прошлые тенденции углеродного цикла. В сторону CO2 Стабилизация: проблемы, стратегии и последствия. Island Press. Вашингтон, округ Колумбия.
  25. ^ Райх Дж. И Поттер К. (1995) Глобальные закономерности выбросов углекислого газа из почв. Глобальные биогеохимические циклы. 9, 23-36.
  26. ^ Фридлингштейн П., Дюфресн Дж., Кокс П. (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.

внешняя ссылка