Валовая первичная продукция биосферы на 25–45% выше, чем предполагалось ранее

Распределение годовой чистой первичной продукции (NPP, в кг углерода на м2) по поверхности суши. Основная продукция создается в тропическом поясе — растительностью лесов и саванн. Изображение с сайта www.sage.wisc.edu

Детальные наблюдения за изменениями содержания тяжелого изотопа кислорода ¹⁸O, входящего в состав CO₂, позволили лучше представить себе, как экосистемы Земли и атмосфера обмениваются этим газом. Выяснилось, что оборот CO₂ между атмосферой и совокупностью всех наземных и океанических экосистем происходит быстрее, чем предполагалось ранее. Кроме того, процессы эти оказались тесно связанными с явлениями Эль-Ниньо, с чередованием более сухих и более влажных лет. Чтобы объяснить наблюдаемую картину, потребовалось пересмотреть принятую оценку величины валовой первичной продукции (Gross Primary Production, GPP), то есть количества углерода, потребляемого в процессе фотосинтеза растительностью и фитопланктоном. Свести баланс CO₂ оказалось возможным только при допущении, что величина GPP составляет не 120 Гт (гигатонн, 10⁹ тонн) углерода в год, как предполагалось ранее, а 150–175 Гт.

В ходе фотосинтеза растения, используя энергию света, разлагают воду, потребляют углекислый газ (CO₂) и синтезируют органическое вещество. Кислород, который остается от разложения воды, выделяется во внешнюю среду как бросовый продукт обмена веществ:

    CO₂ + H₂O + энергия света → (CH₂O) + O₂,

где (CH₂O) — обобщенная формула органического вещества.

За счет фотосинтеза растения растут, а увеличение их массы (обычно выражаемое в углероде) — это есть чистая первичная продукция (Net Primary Production, NPP). Помимо чистой первичной продукции экологи различают также валовую первичную продукцию (Gross Primary Production, GPP), то есть то количество углерода, которое в составе углекислого газа CO₂ исходно было потреблено растением, но значительная часть которого вскоре была выделена растениями (или фитопланктоном) во внешнюю среду в результате собственного дыхания.

Иными словами, чистая первичная продукция (которую чаще всего и определяют), — это разность валовой продукции и трат на дыхание. При этом, когда речь идет об NPP всей экосистемы, учитывают дыхание не только самих растений, но и множества разных гетеротрофов (прежде всего грибов и бактерий), разлагающих органическое вещество отмирающих растительных тканей. Поскольку в любой экосистеме одновременно идут как процессы связывания CO₂, так и его выделения, измерить валовую первичную продукцию каким-либо прямым способом не удается. Ее приходится рассчитывать на основании определенных математических моделей при введении ряда допущений.

Современная оценка валовой первичной продукции (GPP) всей биосферы, принимаемая большинством специалистов, — это 120 Гт (10⁹ тонн) углерода в год. Однако Лиза Уэльп (Lisa R. Welp) и Ральф Килинг (Ralph Keeling) из Скриппсовского института океанографии, совместно с рядом сотрудников из того же института, а также из научных учреждений Нидерландов, Австралии и Японии, попытались по-новому подойти к оценке валовой продукции Земли. Основой нового подхода стал анализ динамики не столько углерода, сколько кислорода, входящего в состав CO₂. Кислород (в том числе и в составе CO₂) может быть представлен как обычным изотопом ¹⁶O, так и тяжелым ¹⁸O. Когда CO₂ растворяется в воде, то кислород его обменивается с кислородом воды, а изотопный состав их выравнивается. Если же далее CO₂ будет выделяться в атмосферу или потребляться растениями (или фитопланктоном), то он будет нести в себе метку воды, в которой был растворен. Но разные воды отличаются изотопным составом прежде всего потому, что молекулы воды, содержащие более легкий изотоп ¹⁶O, быстрее испаряются, а оставшаяся вода обогащается более тяжелым ¹⁸O.

В своих расчетах Уэльп с коллегами опирался на 30-летние ряды непрерывных наблюдений за изотопным составом CO₂ атмосферы, которые проводили на Северном полюсе, на Гавайях (обсерватория Мауна-Лоа; см. Mauna Loa Observatory), на Аляске и еще в ряде мест, охватывающих самые разные широты северного и южного полушарий (всего 11 серий наблюдений).

(a) Содержание CO2 в атмосфере (Мауна-Лоа, Гавайи) начиная с 1980-х годов. (b) Относительное содержание тяжелого изотопа углерода 13C в CO2 атмосферы (там же). Видно, что этот график выглядит как обратный верхнему. (c) Относительное содержание тяжелого изотопа кислорода 18O в CO2 (δ18O) атмосферы (там же). Этот показатель зависит не только от цикла углерода, но и от цикла воды. Стрелками показаны годы, когда зафиксировано Эль-Ниньо. Из статьи Matthias Cuntz в Nature (V. 477. P. 547–548)

Выяснилось, что изотопный состав кислорода в CO₂ в отличие от изотопного состава углерода не зависит от роста содержания CO₂ в атмосфере в результате сжигания ископаемого топлива. А вот что влияет на изотопный состав кислорода в молекулах CO₂, так это квазипериодические изменения климата, определяемые явлениями Эль-Ниньо (или, как точнее говорят климатологи, Эль-Ниньо — Южная осцилляция) — необычно высоким прогреванием поверхностных вод Тихого океана, которые западными ветрами сносятся к берегам Южной Америки. В годы Эль-Ниньо резко сокращается количество осадков, выпадающих на значительной территории в северной части Южной Америки, а также в Юго-Восточной Азии, то есть там, где произрастают тропические леса, вносящие огромный вклад в глобальную первичную продукцию. Соответственно, в более сухие годы сокращается первичная продукция (связывание CO₂ растениями). В изотопном составе кислорода, входящего в CO₂, в годы Эль-Ниньо существенно возрастает доля тяжелого ¹⁸O (величина δ¹⁸O–CO₂). При этом, как проследили авторы обсуждаемой статьи, изменение это начинается в тропиках, а потом постепенно распространяется в область более высоких широт — как в Южном, так и в Северном полушарии.

Динамика явлений Эль-Ниньо (a), представленная величиной специального индекса (чем сильнее выражено Эль-Ниньо, тем выше значение индекса; начало каждого Эль-Ниньо показано стрелками) и относительного содержания тяжелого изотопа кислорода в углекислом газе (δ18O–CO2) на Гавайях (b) и на Северном полюсе (c) за последние 30 лет. Точки — результаты оценок δ18O–CO2 в пробах воздуха, серая линия — кривая, описывающая данную совокупность, черная кривая — эмпирическая модель Эль-Ниньо для данной широты. Из обсуждаемой статьи в Nature

Механизм обогащения CO₂ тяжелым изотопом кислорода, по-видимому, связан с тем, что этого изотопа становится больше в выпадающих осадках: соответствующая изотопная «метка» δ¹⁸O переходит в почву и в воду, поднимаемую по стеблям к листьям. Другой эффект связан с тем, что в засушливые годы в воде, содержащейся в листьях, больше δ¹⁸O, чем в почвенной влаге (поскольку в ткани растений включается преимущественно более легкий изотоп кислорода). Дальнейшим шагом работы было построение модели динамики CO₂ в атмосфере, которая наилучшим образом соответствовала полученным данным. При этом выяснилось, что среднее время пребывания молекулы CO₂ в атмосфере Южного полушария почти в два раза больше, чем в Северном. В целом же для атмосферы Земли оно составляет 0,9–1,7 года. Чтобы объяснить наблюдаемую динамику CO₂ в атмосфере и периодически меняющуюся долю δ¹⁸O в молекулах CO₂, пришлось отказаться от общепринятой оценки GPP в 120 Гт углерода в год и допустить, что величина эта составляет 150–170 Гт, то есть на 25–45% выше.

Источник: Lisa R. Welp, Ralph F. Keeling, Harro A. J. Meijer, Alane F. Bollenbacher, Stephen C. Piper, et al. Interannual variability in the oxygen isotopes of atmospheric CO₂ driven by El Niño // Nature. 2011. V. 477. P. 579–582.

См. также:

Matthias Cuntz. Carbon cycle: A dent in carbon's gold standard // Nature. 2011. V. 477. P. 547–548.

Алексей Гиляров