Какие растения выделяют углекислый газ: Дыхание растений — урок. Окружающий мир, 3 класс.

Поглощение углекислого газа и выделение кислорода растениями

Экологическая обстановка в мире давно уже перестала радовать земные экосистемы. Множество заводов, без которых человечеству просто не обойтись, выбрасывают ежегодно в атмосферу около 10 миллиардов тон углекислого газа. Многие относятся к этому скептически, утверждая, что количество диоксида углерода не меняется в экосистеме Земли.

На деле, проблема не столько в превышении количества CO2, сколько в нарушении обмена веществ в экосистеме Земли. До начала промышленной деятельности человека углекислый газ, при взаимодействии с водой выпадал в осадок в виде карбонатов, потом переходил в почву, откуда служил для многих растений и водорослей удобрениями. Но это процесс, растянутый на десятки и сотни лет. Человечество же использует запасы миллионов лет в сокращенные сроки, перерабатывая твердые формы углерода в виде нефти и угля. При сжигании этих ископаемых в механизмах и на заводах происходит выброс диоксида углерода в воздух.

Единственный выход это воспользоваться другим механизмом и размножить флору. Фотосинтез — это естественный механизм, предусмотренный природой для переработки CO2. Сегодня эта система нужна, как никогда ранее. Производство диоксида углерода растет и соизмеримо выбросам должно расти количество лесов, джунглей, парков и искусственных насаждений. Растение поглощает углекислый газ и выделяет кислород.

Содержание страницы

  • 1 Дневное дыхание растений
  • 2 Ночное дыхание растений
  • 3 Водоросли и CO2
  • 4 Фотосинтез
  • 5 Заключение

Дневное дыхание растений

Дневное дыхание связано с двумя процессами: непосредственно дыханием и фотосинтезом. Процесс дыхания, как и у человека, связан с окислением органических соединений и выделением диоксида углерода, воды и энергии. Вместо человеческих легких выступает вся поверхность растения. Химическая формула, описывающая реакции в процессе дыхания растений: 

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 674 ккал.

Любое дерево способно дышать всей поверхностью, даже поверхностью плодов. Но наиболее активно процесс дыхания происходит через устья листа, откуда и попадает по межклеточному пространству большая часть необходимых газов.

Если речь идет о дневном времени суток, то дыхание не столь заметно, как ночью. Поскольку работа растения направлена большей частью на постоянное запасание энергии в виде органических соединений (глюкозы). Попадающий в листья газ, при содействии воды и энергии солнечного света в хлоропластах превращается в глюкозу, которую организм запасает для дальнейшего использования. Собственно дыхание и является этим дальнейшим использованием.

Запасенная глюкоза, с помощью воды и кислорода разлагается на молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), углекислый газ и водород. АТФ – это твердая энергия. Биологический аккумулятор клеток, который обеспечивает энергетическими запасами все живое на планете. Позднее эти запасы будут использованы в жизнедеятельности каждой молекулы организма.

Кажется, что образуется замкнутый круг: фотосинтез происходит с образованием глюкозы и кислорода, но что толку, если потом в результате дыхания растений выделяется диоксид углерода и АТФ. А энергию растения расходуют лично на себя, ничего не оставляя другим. Но весь вопрос в количестве. Далеко не весь кислород, который образуется во время фотосинтеза, поглощается организмом во время дыхания. Растения производят в разы больше, чем поглощают. Может этим они и отличаются от человека. А все энергетические запасы растений рано или поздно переходят в запасы животных или человека. Так растения отдают все свои накопления ради существования экосистемы Земли.

В среднем 1 гектар лесов ежегодно выделяет 4 тонны кислорода и потребляет 5 тонн углекислого газа. Человек в день выдыхает до 1 килограмма диоксида углерода, в год — 365 кг. Следовательно, 1 гектар леса поглощает углекислоту, которую выдыхают 13 человек.

С увеличением процента содержания углекислого газа в атмосфере теоретически можно ускорить рост зеленых насаждений на Земле. Многие исследования показывают, что в условиях теплиц СО2 можно использовать как «воздушное удобрение», ведь иногда при дыхании кислородом растениями поглощается еще и углекислый газ. Но так происходит это только в условиях экспериментов. На открытых пространствах начавшийся рост активизирует насекомых, которые не позволяют лесам и джунглям разрастись. А культурные растения от таких добавок превращаются в легкую добычу для вредителей. Поэтому, чтобы не говорили скептики, нарушение обмена углеродом это плохо.

Ночное дыхание растений

Процесс дыхания растений мало чем отличается от дыхания животных и человека. Есть и ночное дыхание. Это явление было открыто Отто Варбургом в начале XX века. Ночью света нет, а значит нет и энергии для фотосинтеза. Растения перестают вырабатывать O2, но не могут перестать дышать. Кислород поглощается, а углекислый газ все так же продолжает выделяться.

Белки, жиры и углеводы, запасенные в процессе жизнедеятельности днем, благодаря циклу Кресса превращаются в углекислый газ, молекулы АТФ и водород.

C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 4ATФ +12H2

АТФ расходуются на дальнейшие нужды, углекислый газ уходит в атмосферу по устьицам, а вот водород окисляется до воды. Растение не может позволить себе сбрасывать водород в атмосферу, поскольку легко может погибнуть от этого, поэтому происходит частичный выброс паров воды. Большая часть организма растения – вода. Она нужна во всех процессах, включая дневное и ночное дыхание. Окисленный водород будет использован вновь в следующих реакциях.

Именно из-за ночного дыхания не рекомендуется ставить цветы в спальнях. Это увеличивает содержание углекислоты в комнате. Что никак не скажется на цветах, но будет чувствительно для человека.

Для дыхания растений существует пороговое значение содержания кислорода. При увеличении содержания О2 в воздухе до 5-8 процентов – интенсивность дыхания у растений скачкообразно растет. Но после это рост практически прекращается. Сейчас кислорода в воздухе около 21 процента. А значит, растениям еще долго не нужно будет о нем беспокоиться.

В природе есть еще одно интересное явление, названное САМ — фотосинтезом. Это явление характерно для пустынных цветов и растений. В вечной погоне за сохранением водных ресурсов, эти растения приспособились к проведению фотосинтеза в ночь.

Водоросли и CO2

Под водорослями понимают все растения, находящиеся под водой и не имеющие корня. Интенсивнее всего, из водорослей, поглощает углекислоту одноклеточные водоросли — фитопланктон. В основном все водоросли дышат растворенным в воде кислородом, за исключением нескольких видов, осуществляющих бескислородный фотосинтез. Те в качестве акцептора электронов при дыхании используют элементную серу.

Получение энергии в группе цианобактерий

Фитопланктон обитает в верхних слоях воды, поскольку ему требуется большое количество солнечной энергии для фотосинтеза. При наличии в воде растворенного углекислого газа фитопланктон осуществляет фотосинтезирующий процесс, побочным продуктом которого является кислород. Большим отличием этих водорослей от наземных растений является количество производимого кислорода. За один цикл фотосинтеза фитопланктон производит кислорода в 3-4 раза больше собственного веса. Неудивительно, что при таких показателях 70 процентов атмосферного кислорода произведено в воде.

Фотосинтез

О фотосинтезе уже шла речь в этой статье. Стоит рассмотреть его более подробно. Как уже говорилось ранее, фотосинтез происходит в хлоропластах. За две фазы происходит процесс образования новой молекулы глюкозы, которая после используется в химических процессах растения.

Во время световой фазы используется энергия солнца. Под ее действием вода отдает электрон и распадается на положительно заряженные частицы водорода (Н) и радикалы гидроксида (ОН). После этого оставшиеся частицы ОН образуют воду и кислород, который сразу же удаляется в атмосферу. В хлоропласте остались электроны и положительно заряженные частицы водорода. Эти частицы накапливаются на различных сторонах мембраны тилакоида (одной из частей хлоропластов), из-за разницы концентраций протоны из большей концентрации стремятся проникнуть через мембрану к протонам с меньшей концентрацией. Когда разность потенциалов между ними достигнет 200 миллиВольт, произойдет разряд и молекула АТФ зарядится, а никотинамидадениндинуклеотидфосфат (сокращенно НАДФ) восстановится до НАДФ*Н. Эти два компонента и будут необходимы в темновой фазе фотосинтеза.

Схематический процесс фотосинтеза

В теневой фазе АТФ является аккумулятором, а НАДФ курьером, который доставляет в другую часть хлоропласта протон Н. К тому же растению нужен будет СО2, который послужит основой для будущей молекулы глюкозы. В итоге химических реакций из молекул СО2 и водорода, с помощью энергии из АТФ получается глюкоза С6Н12О6, которая и является первым питательным веществом во всех пищевых цепочках Земли.

Читайте также: Натрий и углекислый газ, формулы взаимодействия.

Заключение

Хлоропласты — устройство для сбора солнечной энергии возрастом 3 миллиарда лет. Эта микроскопическая солнечная батарея дает жизнь лесам, полям, планктону морей, а также животным включая нас с вами.

Хлоропласты

Биосфера, работающая на солнечной энергии, собирает и обрабатывает в 6 раз больше энергии, чем вся человеческая цивилизация. Сейчас мы понимаем, как фотосинтез работает на химическом уровне. Мы способны повторить этот процесс лабораторных условиях, но у нас это получается хуже, чем у растений. Неудивительно, ведь природа занималась этим миллиарды лет, а мы только что начали. Но если бы мы смогли раскрыть тайны фотосинтеза, все источники энергии, от которых мы зависим сегодня — уголь, нефть, природный газ ушли в прошлое. Фотосинтез — идеальная экологическая энергия, она не загрязняет воздух, не даёт выбросов углерода. Искусственный фотосинтез в достаточно больших масштабах позволил бы снизить парниковый эффект, ведущий к опасному изменению климата …

Фотосинтез • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Растения превращают солнечный свет в запасенную химическую энергию в два этапа: сначала они улавливают энергию солнечного света, а затем используют ее для связывания углерода с образованием органических молекул.

Зеленые растения — биологи называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах (см. Биологические молекулы), из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

Кроме того, воздух, которым мы дышим, благодаря фотосинтезу насыщается кислородом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

    вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

Растения поглощают углекислый газ, образовавшийся при дыхании, и выделяют кислород — продукт жизнедеятельности растений (см. Гликолиз и дыхание). К тому же, фотосинтез играет важнейшую роль в круговороте углерода в природе.

Кажется удивительным, что при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его изучению. После эксперимента Ван Гельмонта, поставленного в XVII веке, наступило затишье, и лишь в 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866–1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением светового потока, но, начиная с определенного уровня, дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и освещения скорость фотосинтеза возрастает значительно больше, чем при одном лишь усилении освещения.

На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.

Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I.

Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и расщепляется молекула воды. Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.

После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке (см. Биологические молекулы). Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.

В результате процесса улавливания света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода. (Отмечу, что в результате еще одного, значительно менее эффективного процесса с участием одной лишь Фотосистемы I, также образуются молекулы АТФ.) После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Калвином, проделавшим в 1940-е годы серию экспериментов, ставших уже классическими. Калвин и его сотрудники выращивали водоросль в присутствии углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод-14. Им удалось установить химические реакции темновой фазы, прерывая фотосинтез на разных стадиях.

Цикл превращения солнечной энергии в углеводы — так называемый цикл Калвина — сходен с циклом Кребса (см. Гликолиз и дыхание): он тоже состоит из серии химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с молекулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного продукта и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Калвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина начинается с того, что молекулы углекислого газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-H, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем — реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам.

В большинстве растений осуществляется описанный выше цикл Калвина, в котором углекислый газ, непосредственно участвуя в реакциях, связывается с рибулозодифосфатом. Эти растения называются C3-растениями, поскольку комплекс «углекислый газ—рибулозодифосфат» расщепляется на две молекулы меньшего размера, каждая из которых состоит из трех атомов углерода. У некоторых растений (например, у кукурузы и сахарного тростника, а также у многих тропических трав, включая ползучий сорняк) цикл осуществляется по-другому. Дело в том, что углекислый газ в норме проникает через отверстия в поверхности листа, называемые устьицами. При высоких температурах устьица закрываются, защищая растение от чрезмерной потери влаги. В C3-растения при закрытых устьицах прекращается и поступление углекислого газа, что приводит к замедлению фотосинтеза и изменению фотосинтетических реакций. В случае же кукурузы углекислый газ присоединяется к трехуглеродной молекуле на поверхности листа, затем переносится во внутренние участки листа, где углекислый газ высвобождается и начинается цикл Калвина. Благодаря этому довольно сложному процессу фотосинтез у кукурузы осуществляется даже в очень жаркую, сухую погоду. Растения, в которых происходит такой процесс, мы называем C4-растениями, поскольку углекислый газ в начале цикла транспортируется в составе четырехуглеродной молекулы. C3-растения — это в основном растения умеренного климата , а C4-растения в основном произрастают в тропиках.

Warming May Push Ecosystems to Release Carbon instead of Absorbing It

  • Share on Facebook

  • Share on Twitter

  • Share on Reddit

  • Share on LinkedIn

  • Share via Email

  • Print

Credit: Sabine Hortebusch Getty Images

Во всем мире экосистемы тихо дышат.

Растения поглощают углекислый газ для фотосинтеза. В то же время, когда они растут и сжигают энергию, они выделяют углекислый газ обратно в воздух в процессе, известном как дыхание. Это происходит в тропических лесах, лугах, тундрах и пустынях — везде, где можно найти растительность.

На данный момент наземные экосистемы мира в среднем накапливают больше углерода, чем выделяют. На самом деле, по оценкам ученых, они поглощают не менее трети всех выбросов углерода, производимых людьми при сжигании ископаемого топлива. Это делает природные экосистемы ключевым ресурсом в борьбе с изменением климата.

Но ученые обеспокоены тем, что повышение температуры может в конечном итоге нарушить хрупкий баланс между углеродом внутри и снаружи.

Фотосинтез и дыхание начинают снижаться, когда становится достаточно жарко. Но фотосинтез начинает снижаться при гораздо более низких температурах, чем дыхание — обычно он достигает пика между 64 и 82 градусами по Фаренгейту, в зависимости от типа растения.

Когда это происходит — фотосинтез снижается, а дыхание продолжает усиливаться — экосистемы могут начать выделять больше углерода, чем поглощать. Предполагается, что если выбросы парниковых газов продолжат расти с нынешними темпами, почти половина наземных экосистем мира сможет преодолеть температурный порог всего за несколько десятилетий.

«Многие страны полагаются на биосферу, чтобы компенсировать часть своих выбросов», — сказала ведущий автор исследования Кэтрин Даффи, ученый из Университета Северной Аризоны. «И я думаю, что это исследование показывает, что это смещение намного более хрупкое, чем мы предполагали ранее, и что мы намного ближе к потенциальной переломной точке изменения климата, чем мы предполагали ранее».

В ходе исследования были получены данные из обширной сети научных датчиков, размещенных по всему миру, которая называется сетью FLUXNET. Эти датчики измеряют различные атмосферные параметры, включая температуру, влажность и местные уровни углекислого газа.

Анализируя данные со всего мира, Даффи и ее коллеги смогли определить, как различные типы экосистем реагируют на изменения местной температуры. Установив эту взаимосвязь, они могли бы спрогнозировать, как глобальные экосистемы могут измениться по мере дальнейшего потепления климата.

Без каких-либо усилий по сдерживанию выбросов парниковых газов и замедлению глобального потепления до 45% природных наземных экосистем Земли могут преодолеть переломный момент.

Это не единственная плохая новость, предупреждают авторы.

В последние годы некоторые ученые предположили, что растения могут со временем адаптироваться к глобальному потеплению, возможно, приспосабливаясь к фотосинтезу при более высоких температурах. Новое исследование показывает, что пока этого не произошло.

Исследование также предполагает, что повышение уровня углекислого газа также мало помогло.

Поскольку растения используют углекислый газ для фотосинтеза, повышение концентрации CO2 теоретически может дать им импульс. Но многие эксперты предупреждают, что эти преимущества, вероятно, перевесят все другие негативные последствия изменения климата. Пока данные, кажется, поддерживают эту идею.

Новое исследование было сосредоточено на взаимосвязи между фотосинтезом и дыханием. Но есть множество других факторов, которые могут привести к тому, что экосистема начнет выделять углерод, а именно серьезные нарушения, такие как вырубка лесов, лесные пожары или засухи.

На самом деле, другие недавние исследования предупреждают, что такого рода возмущения угрожают глобальному стоку углерода.

Одно недавнее исследование показало, что глобальные пастбища в настоящее время производят столько углерода, сколько поглощают, в основном из-за изменений в землепользовании и расширения сельского хозяйства ( Climatewire , 6 января). Другие исследования показали, что обезлесение все больше угрожает поглотителю углерода в тропических лесах по всему миру.

Но надежда есть.

В настоящее время только около 10% природных экосистем мира достигли критической температуры — и обычно только на месяц или два, отмечается в исследовании.

И сценарий сильного потепления, подобный тому, о котором предупреждает новое исследование, ни в коем случае не является неизбежным. Исследование предполагает, что если миру удастся придерживаться своих целей в области климата, удерживая глобальные температуры в пределах примерно 2 градусов по Цельсию от их доиндустриального уровня, природные экосистемы мира останутся в значительной степени защищенными.

Но новое исследование должно послужить предупреждением о том, что естественные поглотители углерода в мире не являются непобедимыми, отметил Даффи.

«Мы должны хорошо осознавать хрупкость экосистемных услуг — не только связывания углерода, но и целого ряда услуг, которые обеспечивает биосфера», — сказала она. «Потому что это живая, дышащая часть нашей планеты».

Перепечатано из E&E News с разрешения POLITICO, LLC. Copyright 2021. E&E News предоставляет важные новости для профессионалов в области энергетики и окружающей среды.

ОБ АВТОРАХ

    Челси Харви является репортером E&E News .

    Городские деревья и почва высасывают из атмосферы больше углерода, чем считалось ранее | The Brink

    Деревья и леса в таких городах, как Бостон, поглощают значительное количество углекислого газа, выделяемого при сжигании ископаемого топлива, оказывая «невероятную услугу нашей планете», — говорит эколог BU Люси Хутира. Фото iStock/CraigStocks

    Лесные опушки

    Исследователи обнаружили, что деревья и почвы на самой дальней окраине леса могут играть роль в борьбе с изменением климата, но польза может быть недолгой

    16 февраля 2022 г.

    Твиттер
    Фейсбук

    Пусть у них и нет легких, как у нас, но почва и деревья все время вдыхают и выдыхают. Деревья поглощают углекислый газ (CO2), выделяют кислород посредством фотосинтеза и накапливают углерод в своих стволах. А когда листья приземляются на землю, почвенные микробы разлагают листья и другие органические вещества, что приводит к выделению углекислого газа.

    Люси Хутира, профессор CAS по земле и окружающей среде. Фото Джеки Рикарди

    Леса на самом деле хранят больше углекислого газа, чем выделяют, и это отличная новость для нас: около 30 процентов выбросов углерода от сжигания ископаемого топлива поглощается лесами — эффект, называемый земным поглотителем углерода.

    «Это CO2, которого нет в атмосфере», — говорит биогеохимик и эколог Бостонского университета Люси Хутира. «Мы не ощущаем всех последствий изменения климата из-за земного климатического поглотителя. Эти леса оказывают невероятную услугу нашей планете».

    Более десяти лет Хутира исследует, что происходит с «легкими» планеты, когда большие леса вырубаются на более мелкие участки — процесс, который исследователи называют фрагментацией леса.

    «Мы думаем о лесах как о больших ландшафтах, но на самом деле они разбиты на все эти маленькие сегменты из-за человеческого мира», — говорит Хутира, профессор Колледжа искусств и наук BU, изучающий землю и окружающую среду. Леса разрезают на более мелкие участки, поскольку куски сносятся, чтобы освободить место для дорог, зданий, сельского хозяйства и солнечных ферм — один из крупнейших факторов потери лесов в Массачусетсе. Эти изменения в лесах создают больше областей, называемых опушками леса — буквально, деревьями на самой дальней окраине леса.

    Опушка леса в Ньютоне, штат Массачусетс, где исследователи постоянно измеряли и контролировали почву, чтобы определить, сколько углерода высвобождается. Фото Сары Гарви

    Долгое время считалось, что эти опушки леса выделяют и хранят углерод с той же скоростью, что и внутренняя часть леса, но Хутира и исследователи в ее лаборатории в BU обнаружили, что это не так. Почвы и деревья на опушках умеренных лесов на северо-востоке США ведут себя иначе, чем те, что находятся дальше от людей. В двух недавних исследованиях команда Хутиры обнаружила, что опушенные деревья растут быстрее, чем их деревенские собратья глубоко в лесу, и что почва в городских районах может накапливать больше углекислого газа, чем считалось ранее. Их результаты могут бросить вызов существующим представлениям о сохранении и ценности городских лесов не только как места для отдыха.

    Вдыхание CO2

    В ходе одного из самых подробных на сегодняшний день наблюдений за опушками умеренных лесов Хутира и ее исследовательская группа, включая сотрудников Гарвардского леса, изучили темпы роста опушечных деревьев по сравнению с остальной частью леса.

    Используя данные программы инвентаризации и анализа лесов Министерства сельского хозяйства США, которая отслеживает размер деревьев, их рост и землепользование по всей стране, команда Хутиры изучила более 48 000 лесных участков на северо-востоке США. Они обнаружили, что деревья на окраинах растут почти в два раза быстрее, чем деревья внутри — примерно в 100 футах от края.

    Кандидат в доктора наук Лука Морреале подсчитал процент площади леса в пределах 100 футов от края. Один вывод: в мире больше опушек умеренных лесов, чем опушек тропических лесов, как показано на карте выше. Предыдущие исследования показали, что вырубка и фрагментация леса приводят к гибели тропических деревьев, в отличие от опушек умеренных лесов. Предоставлено Morreale, L.L., Thompson, J.R., Tang, X. et al./ Nature Communications , 12, 7181 (2021), https://doi.org/10.1038

    «Вероятно, это связано с тем, что деревья на опушке не конкурируют с внутренним лесом, поэтому они получают больше света», — говорит Лука Морреале, кандидат наук в лаборатории Хутиры и ведущий автор статьи, опубликованной в Nature Communications . , подведение итогов. И чем больше растет дерево, тем больше углерода оно поглощает.

    Это хорошая новость, учитывая, что более 25 процентов ландшафта на северо-востоке США покрыто краем. Но это не означает, что более фрагментация лесов является решением проблемы высасывания большего количества углерода из атмосферы; хранение углерода по краям фрагментированных территорий не компенсирует негативные побочные эффекты утраты лесов — например, высвобождение углерода, долгое время хранившегося под землей, обратно в атмосферу.

    По словам Морреале и Хутиры, их исследование вместо этого указывает на необходимость лучше понять и сохранить существующие опушки леса, которые обычно считаются более одноразовыми. «Мы недооцениваем, сколько углерода поглощают опушки умеренных лесов, — говорит Хутира. «Нам также необходимо подумать о том, насколько они могут быть восприимчивы к изменению климата в будущем», потому что предыдущие исследования показали, что, хотя эти деревья растут быстрее из-за большего количества солнечного света, более высокие температуры приводят к резкому падению скорости роста краевых деревьев.

    Выдыхание CO2

    Во втором связанном исследовании Хутира объединился с биологом из Университета штата Нью-Йорк Памелой Темплер, чтобы выяснить, что почвы на опушке леса испытывают последствия фрагментации леса, как и деревья.

    «Почвы содержат дикое количество бактерий, грибков, корней и микроорганизмов, и точно так же, как мы выдыхаем CO2 во время работы и активности, они также выдыхают CO2», — говорит Сара Гарви, кандидат наук в лаборатории Хутиры и руководитель автор статьи о лесных опушках, опубликованной в Биология глобальных изменений . «Земля — это нечто большее, чем кажется на первый взгляд».

    Сара Гарви измеряет почву в дендрарии Арнольда в Бостоне. Фото Христианы Стойновой

    Гарви обнаружил, что не только почва на опушке леса выделяет больше углерода, чем почва внутри леса, но и то, что почва ведет себя совершенно по-разному в сельских и городских лесах.

    Она посещала восемь полевых участков в развитых и неосвоенных районах Массачусетса каждые две недели в течение полутора лет (исключая зиму, когда земля покрыта льдом), чтобы измерить уровни углерода, выделяемого из почвы. Она и ее команда делали снимок температуры и уровня влажности почвы на опушке леса, а затем проходили около 300 футов вглубь леса, чтобы снова провести измерения.

    Они увидели, что в сельской местности с меньшим количеством людей и зданий более высокие температуры на опушке леса заставляют листья и органические вещества разлагаться быстрее, заставляя почвенные микроорганизмы работать усерднее и выделять больше углекислого газа, чем их более прохладные и затененные собратья в интерьер леса. Но в городских лесах, где земля была значительно жарче и суше, эти почвы перестали выделять столько углерода.

    «Здесь так жарко и сухо, что микробы недовольны и не занимаются своим делом», — говорит Хутира. Долгосрочный эффект несчастной почвы неясен, но результаты также означают, что городские почвы, такие как в Франклин-парке, крупнейшем общественном парке Бостона, могут иметь большую способность хранить углерод, чем ожидалось ранее, говорит Гарви. Ее следующий проект будет глубже изучать возможные механизмы, лежащие в основе различных скоростей выброса и накопления углерода.

    Это устройство, названное LI-COR LI-8100A, позволило исследователям измерять температуру почвы, влажность и выделение углерода в различных местах Массачусетса. Этот изображен на опушке леса в дендрарии Арнольда. Фото Сары Гарви. Лука Морреале проводит исследования на опушке леса в Дендрарии Арнольда. Фото Сары Гарви

    Критично для нашего будущего

    Хотя открытие того, что городские деревья и почвы накапливают больше углерода, может показаться «двойным ударом по хорошему», говорит Хутира, неясно, сохранится ли это увеличение поглощения углерода, поскольку планета продолжает нагреваться.

    Изменение климата может усугубить потери углерода из почвы, а деревья на окраинах лесов в сельских или городских районах могут стать более уязвимыми для экстремальной жары и засухи.

    «Леса хранят почти половину своего углерода под землей», — говорит Гарви. «Вот почему понимание взаимоотношений между почвой и растительной жизнью так важно для понимания более широкой картины того, как леса хранят углерод в долгосрочной перспективе».

    Сара Гарви идет к городскому исследовательскому центру в Ньютоне, штат Массачусетс, с устройством LI-COR в руке.