Со2 разложение: IAP RAS — Переработка углекислого газа в плазме сверхвысокочастотного разряда

Содержание

IAP RAS — Переработка углекислого газа в плазме сверхвысокочастотного разряда

Сотрудники Института прикладной физики РАН впервые реализовали уникальный способ утилизации углекислого газа. Особенность новой технологии в том, что разложение молекул СО2 происходит в неравновесной плазме разряда, создаваемого и поддерживаемого сверхвысокочастотным излучением мощного гиротрона. При этом степень разложения углекислого газа в экспериментах составила более 30% при энергоэффективности процесса на уровне 10%, что превосходит лучшие мировые достижения.

Запрос на поиск технологий утилизации CO2 связан с тем, что в течение последних десятилетий концентрация одного из основных парниковых газов в атмосфере Земли постоянно увеличивается со скоростью 2–3 миллионных доли в год, что в несколько раз превышает уровни доиндустриальной эпохи. Столь высокие темпы роста неизбежно повлекут за собой необратимые изменения климата из-за повышения глобальной температуры. Проблема утилизации газа заключается в том, что молекула СО

2 очень стабильна и для разрыва прочной связи атомов углерода с атомами кислорода требуется много энергии. Разрушить молекулу можно с помощью нагрева газа до очень высоких температур (примерно 3000 К и выше), однако в процессе получения необходимого для нагрева количества энергии выделится большой объём СО2. Кроме того, из-за высокой температуры газа может возникнуть обратная реакция, когда получившийся монооксид углерода (СО) и кислород (О2) снова образуют углекислый газ. Поэтому такой способ разрушения молекул CO2 неэффективен.

Перспективной технологией утилизации углекислого газа является разложение молекул CO2 в неравновесной плазме сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда, в которой распад молекул осуществляется за счёт энергии электронов. Этот механизм позволяет проводить процесс разложения при низких температурах газа, что энергетически выгоднее по сравнению с термической диссоциацией в равновесных условиях (когда газ и электроны нагреваются до одинаковой температуры). Достигать необходимых параметров плазмы позволяют разработанные в ИПФ РАН технологические гиротроны – источники электромагнитного излучения высокой мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.

Разложение углекислого газа происходило под воздействием сфокусированного непрерывного микроволнового излучения гиротрона с частотой 24 ГГц и мощностью до 5 кВт. Эксперименты проводились как в потоке чистого CO2, так и смеси CO2 с аргоном при атмосферном давлении. Авторами было показано, что создаваемая в результате СВЧ нагрева неравновесная плазма с температурой электронов не менее 4000‒8000 К и температурой газа на уровне 2000‒3500 К, позволяет реализовать процессы разложения СО2 при атмосферном давлении. Это значит, что для успешного проведения экспериментов не потребуется создавать пониженное давление с помощью дорогостоящего вакуумного оборудования. Именно поэтому технология утилизации углекислого газа, предложенная сотрудниками ИПФ РАН, может быть наиболее привлекательной для реального использования в рамках решения проблем защиты окружающей среды и сокращения выбросов CO

2.

Полученный результат опубликован в журнале Journal of CO2 Utilization: D. Mansfeld, S. Sintsov, N. Chekmarev, A. Vodopyanov. Conversion of carbon dioxide in microwave plasma torch sustained by gyrotron radiation at frequency of 24 GHz at atmospheric pressure // J. CO2 Util. 40 (2020) 101197. DOI: 10.1016/j.jcou.2020.101197.

Плазменный факел в потоке аргона и углекислого газаЭкспериментальный стенд

Диоксид углерода — все про углекислый газ в нашей статье

Что такое диоксид углерода

Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.

Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.

А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.

Свойства углекислого газа

Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.

Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.

CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.

Углекислый газ в природе: естественные источники

Углекислый газ в природе образуется из различных источников:

  • Дыхание животных и растений. Каждому школьнику известно, что растения поглощают углекислый газ CO2 из воздуха и используют его в процессах фотосинтеза. Некоторые хозяйки пытаются обилием комнатных растений искупить недостатки приточной вентиляции. Однако растения не только поглощают, но и выделяют углекислый газ в отсутствие света – это часть процесса дыхания. Поэтому джунгли в плохо проветриваемой спальне – не очень хорошая идея: ночью уровень CO2 будет расти еще больше.
  • Вулканическая деятельность. Диоксид углерода входит в состав вулканических газов. В местностях с высокой вулканической активностью CO2 может выделяться прямо из земли – из трещин и разломов, называемых мофетами. Концентрация углекислого газа в долинах с мофетами столь высока, что многие мелкие животные, попав туда, умирают.
  • Разложение органических веществ. Углекислый газ образуется при горении и гниении органики. Объемные природные выбросы диоксида углерода сопутствуют лесным пожарам.

Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.

Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.

Искусственные источники углекислого газа

Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:

  • промышленные выбросы, связанные с процессами сгорания;
  • автомобильный транспорт.

Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.

Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.

Углекислый газ в организме человека

CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.

Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.

Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.

Углекислый газ и мы: чем опасен СO2

Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.

Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.

Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.

Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.

И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.

Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.

Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.

Углекислый газ в атмосфере Земли

В атмосфере нашей планеты всего около 0,04% CO2 (это приблизительно 400 ppm), а совсем недавно было и того меньше: отметку в 400 ppm углекислый газ перешагнул только осенью 2016 года. Ученые связывают рост уровня CO2 в атмосфере с индустриализацией: в середине XVIII века, накануне промышленного переворота, он составлял всего около 270 ppm.

Несмотря на такое ничтожное процентное содержание диоксида углерода в атмосфере, он оказывает огромное влияние на климат планеты. Углекислый газ – один из парниковых газов. Он поглощает и удерживает инфракрасное излучение с поверхности Земли, что в конечном итоге способствует повышению температуры на планете. Этот процесс называется парниковым эффектом. Без парникового эффекта температура на земном шаре была бы примерно на 30°С ниже.

Атмосфера Венеры на 96,5% состоит из углекислого газа, и, по-видимому, тоже подвержена парниковому эффекту. Из-за него Венера является самой жаркой планетой Солнечной системы, она горячее даже ближайшего к Солнцу Меркурия. Температура на Венере около 464°С – этого хватит, чтобы расплавить свинец и олово.

Рост уровня СО2 в атмосфере Земли ведет к усилению парникового эффекта, а тот, в свою очередь – к необратимым изменениям климата. Уже сейчас можно наблюдать таяние ледников. Например, знаменитая снежная шапка Килиманджаро уменьшилась за последние 100 лет на 80%.

Заключение

Что и говорить, без углекислого газа наш мир был бы совершенно другим. Он участвует в важнейших химических, биологических, климатических и геологических процессах на Земле. И чем больше мы о них знаем, тем проще нам принимать важные решения: выбирать образ жизни и создавать свою среду – свой здоровый и комфортный микроклимат.

Углекислый газ разложили микроволновой плазмой — Наука

МОСКВА, 17 июня. /ТАСС/. Российские ученые впервые разрушили молекулы углекислого раза в микроволновой плазме от мощного СВЧ-генератора – гиротрона. Таким образом специалисты разложили около 30% газа при 10%-ной энергоэффективности процесса. Это превосходит лучшие мировые достижения, пишет пресс-служба Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) со ссылкой на статью в Journal of CO2 Utilization. 

В последние десятилетия концентрация CO2 – одного из основных парниковых газов – в атмосфере увеличивается со скоростью 2–3 миллионных доли в год. Из-за таких высоких темпов роста климат может необратимо измениться вследствие повышения глобальной температуры.

Чтобы справиться с проблемой выбросов углекислого газа, многие ученые разрабатывают установки, которые могли бы частично или полностью разлагать его. В этом процессе есть множество трудностей. Например, разрушить молекулу СО2 можно, нагрев газ до очень высоких температур. Однако при этом выделится еще больше углекислого газа. Кроме того, из-за высокой температуры газа может начаться обратная реакция, и тогда получившийся монооксид углерода и кислород снова образуют углекислый газ.

Чтобы сделать этот процесс эффективнее, ученые из Института прикладной физики РАН и ННГУ им. Лобачевского предложили способ, с помощью которого разлагать углекислый газ можно при относительно низких температурах. Для этого нужно использовать неравновесную плазму микроволнового разряда, которую можно получить с помощью гиротронов – мощных СВЧ-генераторов, разработанных в ИПФ РАН. В этом случае молекулы разлагаются за счет энергии электронов. 

Проверка метода показала, что для разложения молекул CO2 при атмосферном давлении можно использовать неравновесную плазму с температурой электронов не менее 4–8 тыс. кельвинов и температурой газа около 2–3,5 тыс. кельвинов. Следовательно, для подобных работ не нужно дорогое вакуумное оборудование, которое могло бы создавать пониженное давление.

Выделение и поглощение СО2 при образовании и таянии морского льда в высокоширотной Арктике | Недашковский

1. Alekseev G.V., Nagurny A.P. Role of sea ice in the formation of yearly cycle of carbon dioxide in Arctic. Doklady Akademii Nauk.Proc. Proc. of the Russian Academy of Sciences. 2007, 417 (4): 541–544. [In Russian].

2. Golubev V.N. Role of Arctic sea ice in gas exchange of surface geospheres. Kriosfera Zemli. Earth Cryosphere. 2010, 14 (4): 17–29. [In Russian].

3. Zakharov V.F. L’dy Arktiki i sovremennye prirodnye process. Arctic ice and modern nature processes. Leningrad: Hydrometeoizdat, 1981: 136 p. [In Russian].

4. Ivanov A.V. Glyatziogennyi krugovorot veshchestv. Glaciogenic rotation of substances. Khabarovsk, 1993: 94 с. [In Russian].

5. Mel’nikov I.A. Ekosistema arkticheskogo morskogo l’da. Ecosystem of Arctic sea ice. Moscow: Institute of Oceanology of the Russian Academy of Sciences, 1989: 192 p. [In Russian].

6. Musina A.A. Salt composition of sea ice in Vilkitsky Strait. Trudy AANII. Proc. of AARI. 1960, 218: 159–199. [In Russian].

7. Nedashkovsky A.P., Khvedynich S.V., Petrovsky T.V. Alkalinity of sea ice in the high latitudinal Arctic (observations at the drifting station “North Pole – 34”) and evaluation of role of Arctic ice in the CO2 exchange. Okeanologiya. Oceanology. 2009, 49 (1): 61–69. [In Russian].

8. Nedashkovsky A.P., Shbetsova M.G. General inorganic carbon in sea ice. Okeanologiya. Oceanology. 2010, 50 (6): 910–917. [In Russian].

9. Nedashkovsky A.P., Makshtas A.P. Emission of СО2 in the atmosphere under formation of Arctic sea ice. Problemy Arktiki I Antarctiki. Problems of Arctic and Antarctic. 2010, 3 (86): 35–44. [In Russian].

10. Savel’ev B.A. Fizika, chimiya i stroenie prirodnykh l’dov. Physics, chemistry and structure of nature ice in the permafrost. Moscow State University, 1971: 508 p. [In Russian].

11. Tsurikov V.L. Zhidkaya faza v morskich l’dakh. Liquid phase in sea ice. Moscow: Nauka, 1976: 210 p. [In Russian].

12. Anderson L.G., Jones E.P. Measurements of total alkalinity, calcium and sulfate in natural sea ice. Journ. of Geophys. Research. 1985, 90 (C5): 9194–9198.

13. Anderson L.G., Falck E., Jones E.P., Jutterstrom S., Swift J.H. Enhanced uptake of atmospheric CO2 during freezing of seawater: Afield study in Storefjorden, Svalbard. Journ. of Geophys. Research. 2004, 109. C06004, doi: 10.1029/2003JC002120

14. Dieckmann G.S., Nehrke G., Papadimitriou S., Gottlicher J., Steininger R., Kennedy H., Wolf-Gladrow D., Thomas D.N. Calcium carbonate as ikaite crystals in Antarctic sea ice. Geophys. Research Letters. 2008, 35. L08501, doi:10.1029/2008GL033540

15. Dieckmann G.S., Nehrke G., Uhlig C., Gottlicher J., Gerland S.,Granskog M.A., Thomas D.N. Brief communication: ikaite (CaCO3∙6h3O) discovered in Arctic sea ice. The Cryosphere Discuss. 2010,4 (1): 153–161.

16. Jones E.P., Coote A.R. Oceanic CO2 Produced by the Precipitation of CaCO3 from brines in sea ice. Journ. of Geophys. Research. 1981, 86 (C11): 11041–11043.

17. NOAA Earth system research laboratory, global monitoring division. URL: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ (date: 10.09.2011)

18. Perovich D. K., Richter-Menge J.A. Surface characteristics of lead ice. Journ. of Geophys. Research. 1994, 99 (C8): 16341–16350.

19. Richardson C. Phase relationship in sea ice as a function of temperature. Journ. of Glaciology. 1976, 17 (77): 507–519.

20. Rysgaard S., Glud R.N., Sejr M.K., Bendtsen J., Christensen P.B. Inorganic carbon transport during sea ice growth and decay: A carbon pump in polar seas. Journ. of Geophys. Research. 2007, 112. C03016, doi: 10.1029/2006JC003572

21. Rysgaard S., Bendtsen J., Pedersen L.T., Ramløv H., Glud R.N. Increased CO2 uptake due to sea ice growth and decay in the Nordic Seas. Journ. of Geophys. Research. 2009, 114. C09011, doi: 10.1029/2008JC005088

Исследования неисправностей силовых трансформаторов на основе анализа растворенных в масле газов

А. Методы обнаружения растворенных газов

В этом методе газы в миллионных объемных долях (ppm) обнаруживаются в масле с использованием блока экстракции газа и газового хроматографа. Методика состоит из последовательных этапов:

  1. Отбор проб масла
  2. Извлечение газа из собранного образца
  3. Обнаружение газа

Следующие два метода используются для обнаружения газов, растворенных в масле.

  1. Газовая хроматография (ГХ)
  2. Оптическое обнаружение газа

 

B. Типы неисправностей, обнаруживаемых DGA

Различные типы неисправностей, которые возникают в трансформаторе, могут быть обнаружены с помощью DGA. Основные недостатки, которые могут быть идентифицированы методами DGA:

  1. Частичный разряд (с низкой энергией)
  2. Термические неисправности (перегревы различной степени)
  3. Электрическая дуга (разряд с высоким уровнем энергии)
  4. Старение бумажной изоляции (для уточнения необходимо провести еще несколько дополнительных измерений, таких как анализ на основе фурана и степень полимеризации).

C. DGA Рекомендуемые значения уровней газов по DGA

Таблица 1 — Допустимые уровни растворенных газов в работающем трансформаторе

ГазМенее 4 лет в работе, (ppm)Менее 10 лет в работе, (ppm)Более 10 лет в работе, (ppm)
Водород (h3)150300300
Метан (Ch5)70150300
Ацетилен (C2h3)3050150
Этилен (C2h5)150200400
Этан (C2H6)501501000
Двуокись углерода (СО2)3500500012000
Монооксид углерода (СО)300500700

 

Приведенная выше таблица показывает нормальные безопасные уровни растворенных газов в масле трансформатора, основанные на статистических данных, накопленных за годы эксплуатации. Однако стоит онимать, что вышеупомянутые пределы не могут быть приняты в качестве предельно допустимых, а должны приниматься только как ориентировочные усреднённые значения. DGA — это скорее метод мониторинга тренда, чем определение предельных значениях. Нормальные значения растворенного газа в минеральном масле не указывают на зарождающуюся неисправность в трансформаторе. Однако, если в трансформаторе наблюдается значительное повышение уровня газа (между предыдущим отбором проб и последующим отбором проб), это может указывать на возникновение некоторой неисправности. Прежде чем неисправность станет критической и приобретет аварийный характер, необходимо предпринять восстановительные мероприятия, что позволит избежать внезапного отказа трансформатора. Регламент действий включает незамедлительный повторный анализ масла, постановку оборудования на учащенный контроль, определение периодичности последующих отборов, предложение других диагностических работ и т.д. Любой скачок уровней концентрации растворенных газов должен интерпретироваться для дальнейшего хода корректирующих действий, поэтому в таких случаях возникает потребность в непрерывном мониторинге параметров масла.

установлено что пластик образует парниковые газы

Ученые из Гавайского университета докладывают о неожиданном открытии – будучи подвергнутыми солнечному излучению, большинство типичных видов пластика образуют газовые примеси метана.

Намедни авторы проведенного в Гавайском университете исследования заявили о еще одной причине удвоить глобальные усилия по борьбе с загрязнением пластиком: по мере своего разложения пластики выбрасывают следы метана и этилена – двух мощных парниковых газов, и степень таких выбросов лишь возрастает со временем. Выбросы происходят при взаимодействии материалов с естественной солнечной радиацией, будь то в воде или на воздухе, однако при взаимодействии на воздухе уровни выбросов значительно выше.

Ученые исследовали различные материалы, которые используются при производстве пищевых контейнеров, текстиля, стройматериалов и прочих пластиковых изделий. Среди изученных материалов: поликарбонат, акрилопласт, полипропилен, полиэтилентерефталат, а также полиэтилены высокой и низкой плотности.

“При нахождении на воздухе, уровни выделения метана и этилена полиэтиленом низкой плотности примерно в 2 и в 76 раз соответственно выше, чем при нахождении в воде,” – говориться в исследовании.

“Наши результаты свидетельствуют о том, что пластик является доселе неизвестным источником газовых примесей имеющих климатическую нагрузку, количество которых будет лишь расти по мере роста производства и накапливания пластика в окружающей среде,” – сказано в выводах исследования.

Наиболее вредоносный вид пластика – пластиковые пакеты

Этилен очень широко применяется в химической промышленности, объемы его глобального производства (свыше 150 миллионов тонн в 2016 году) превосходят объемы производства любого другого органического соединения. Существенная часть произведенного материала используется для создания полиэтилена. Полиэтилен, используемый для производства пакетов, – самый производимый и самый выбрасываемый синтетический полимер в мире, был обозначен как наиболее обильный источник выбросов метана и этилена.

За последние 50 лет производство полимеров увеличилось, по предварительным оценкам с 1950 года было произведено более 8 миллиардов тонн первичного пластика. Ожидается, что в течении следующих 20 лет нынешние объемы ежегодного производства увеличатся вдвое.

“Учитывая ожидаемый рост глобального производства пластика, производителям пластика и борющимся с изменением климата правительствам чрезвычайно важно понимать степень величины выбросов метана и этилена, происходящих от пластика, и влияния этих выбросов на экосистемы,” – говорит Никлас Хагельберг, эксперт ООН-Окружающая среда по изменению климата.

“Как и остальные виды пластика, полиэтилен не является инертным и нам известно, что на протяжении своего жизненного цикла он выбрасывает в окружающую среду добавки и прочие продукты деструкции,” – говориться в исследовании.

“К примеру, используемая в производстве множества пластиковых изделий добавка ‘бисфенол A’ выщелачивается по мере старения пластика, а в процессе его высокотемпературного разложения (>202°C) образуются газообразные углеводороды.

“Эти химические вещества разнятся между различными типами пластика, и будучи высвобожденными, некоторые из них становятся токсичными и могут оказывать пагубное воздействие на окружающую среду и человеческое здоровье. Процессы деструкции затрагивают не только химическую целостность пластика, но также в итоге приводят к фрагментации полимера на более мелкие элементы, увеличивая площадь подвергаемую воздействию условий среды.”

Эти сведения являются дополнительными аргументами в пользу возглавляемой ООН-Окружающая среда и её партнерами борьбы с загрязнением пластиком. В 2017 году ООН-Окружающая среда запустила кампанию под названием «Бой Загрязнению Пластиком», используя для её распространения в социальных сетях хештэг #БойЗагрязнениюПластиком (#BeatPlasticPollution), направляя посредством кампании усилия организаций, правительств и множества местных властей разделяющих их взгляды по достижению свободой от загрязнения пластиком окружающей среды.

Метан не должен быть оставлен без внимания

Отходя от темы пластика, с ХVIII века антропогенные выбросы метана привели к увеличению его концентрации в атмосфере более чем вдвое. Образовывающиеся в результате деятельности человека выбросы метана происходят от сельскохозяйственных видов деятельности, таких как скотоводство, обработка почвы и производство риса, а также от использования угля, нефти и природного газа.

Пластиковый мусор на пляже залива Мсасани, Дар-эс-Салам, Танзания.

Согласно информации Межправительственной группы экспертов по изменению климата за 20-летнй период, метан удерживает тепло и нагревает планету в 86 раз более интенсивно чем углекислый газ. Другие источники говорят о том, что несмотря на значительно меньшую процентную составляющую концентрации метана, он является в 30 раз более мощным парниковым газом чем углекислый газ.

Возглавляемое великобританским Университом Рединга исследование указывает на то, что на сегодняшний день выбросы метана в результате деятельности человека, являются причиной эффекта потепления, который примерно равноценен трети общего эффекта потепления от выбросов углекислого газа, что на 25% выше чем данные прошлых оценок. Именно поэтому в рамках глобальных усилий по борьбе с глобальным потеплением необходимо принятие мер относительно выбросов метана

Полученные в результате исследования сведения должны стать предметом для размышлений сотен людей участвующих в Глобальном саммите по климату, который пройдет с 12 по 14 сентября в Сан-Франциско.

За дополнительной информацией обращайтесь к Niklas Hagelberg: Niklas.Hagelberg[at]un.org

 

Что такое парниковые газы и кто их поглощает

Весь мир буквально «ударился» в тему климатических изменений и глобального потепления. О выбросах, углекислом газе, метане, таянии мерзлоты, карбоновых фермах и «зеленом» топливе стали говорить не только научные сообщества, но и первые лица государств. «Нервное настроение» климата прочувствовали на себе почти все жители планеты: одни страны страдают от аномальной жары и пожаров, другие – от слишком суровых зим, а третьи – от катастрофических паводков. «Экология России» решила разобраться, откуда берутся парниковые газы и кто может поглотить их, замедлив глобальные климатические процессы.

Невидимая угроза

Определение парниковым газам специально для «Экологии России» дала руководитель Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН Наталья Лукина

«Парниковый газ – это газообразная составляющая воздушной оболочки Земли естественного или антропогенного происхождения, поглощающая и отражающая инфракрасное электромагнитное излучение». 

Нагретые газы создают так называемый парниковый эффект – это естественное явление, которое повышает температуру на планете в результате того, что эти газы, как настоящий парник, задерживают тепловую энергию. Когда теплый луч солнца летит к нам из космоса, атмосфера свободно пропускает его. Но как только он отразился от поверхности и полетел обратно, парниковые газы благодаря особым физическим свойствам его задерживают. Большая часть тепла остается здесь, на Земле. 

Сам по себе парниковый эффект – крайне полезное явление для человечества. Можно даже сказать, что без этого свойства атмосферы мы бы не выжили на этой планете. Ведь без него средняя температура на земле не поднималась бы выше -18℃, а значит, все реки и озера были бы вечно замерзшими, а большинство съедобных растений не росли бы и не плодоносили. 

Но все хорошо в меру. Из-за деятельности человека и стремительного технического прогресса парниковый эффект чрезмерно усиливается, а значит, способствует росту средних температур на планете. 

«Самым крупным источником выбросов парниковых газов в результате деятельности человека является сжигание ископаемого топлива для выработки электроэнергии, тепла и транспорта», – продолжила Лукина. 

Какие они, парниковые газы?

Углекислый газ (CO2) – парниковый газ частично антропогенного происхождения. Человек искусственно увеличил его концентрацию в атмосфере. При низких концентрациях он не имеет вкуса и запаха. 

Метан (Ch5) – этого газа меньше в атмосфере, чем углекислого. Но он гораздо опаснее, чем СО2. Естественные источники — болота и термитники. Метан при комнатной температуре и стандартном давлении является бесцветным газом без запаха.

«Метан считается более опасным для климата газом: если сравнивать молекулу к молекуле, то молекула метана в 30-50 раз более опасна. Но концентрация СО2 в 200 раз выше, чем концентрация метана. По оценкам, которые приняты в научном сообществе, вклад метана составляет примерно 30% от вклада СО2. Но зато содержание метана в атмосфере растет с гораздо большей скоростью. Если удвоится метан, то последствия могут быть сопоставимыми», – рассказал «Экологии России» заведующий лабораторией арктических исследований Тихоокеанского океанологического института Дальневосточного отделения РАН Игорь Семилетов

В научных кругах есть версии, что изменение климата может привести к 10-кратному увеличению концентрации метана в атмосфере. Огромные залежи «спящего газа» могут быть сконцентрированы в Арктике, под слоем вечной мерзлоты. Лед там активно тает, а значит, залежи опасного газа начинают высвобождаться.

Еще эксперты выделяют в числе газов, оказывающих парниковый эффект: закись азота (N2O), синтетические химические вещества, озон (O3) и водяной пар

Герои-поглотители

Лишние газы из атмосферы поглощает растительность. Углекислый газ превращается в органическое вещество (глюкозу) в результате фотосинтеза. Растения поглощают СО2 и выделяют кислород. Тем самым они «укрощают» климат и поддерживают температурный баланс на планете. 

Таким образом, лучшими поглотителями парниковых газов являются леса: сибирские, амазонские, бразильские, лиственные, хвойные. К каким бы категориям и географическим привязкам не относились лесные экосистемы, они будут поглощать углекислый газ. Даже сорняки и вездесущий борщевик Сосновского на самом деле являются поглотителями СО2.

«Все растения (и дикие, и домашние) поглощают углекислый газ. Опад растений постоянно возвращается на поверхность почвы, разлагается животными и микроорганизмами, при разложении выделяется СО2. В экосистемах всегда одновременно идут процессы роста и развития растений и, соответственно, поглощения углекислого газа, и процессы разложения растительного опада (листья, ветви) и отпада (то есть гибели целых деревьев). Важен баланс между этими процессами. Если процессы разложения, к которым также относятся процессы горения в результате лесных пожаров, преобладают, экосистема начинает работать не как поглотитель, а как источник парниковых газов», – отметила Лукина.

Пожары и гигантские по своим масштабам вырубки лесов приводят к негативным последствиям для климата, считает исполнительный директор компании GBM (входит в группу InfraOne) Вячеслав Харламов.

«Лесные экосистемы могут наилучшим образом служить хранилищем (или банком) для углерода тогда, когда антропогенное воздействие на них сведено к минимуму на протяжении всего их существования. В первую очередь, это касается неконтролируемой вырубки и пожаров. Последние, по итогам этого года, вероятно, покажут вклад в выбросы углекислого газа (пусть и не равные, но) сопоставимые с годовыми объемами его поглощения всем лесным фондом России», – отметил эксперт. 

Еще один важный поглотитель – океан. Он аккумулирует двуокись углерода в два этапа: сначала СО2 растворяется в поверхностном слое воды, а затем распределяется в водной массе, перемещаясь во внутренние области. Там он накапливается и хранится. Ученые убеждены, без помощи океанов концентрация СО2 в атмосфере и масштабы изменения климата были бы существенно выше. Океаны (как и любые водоемы) богаты водной растительностью. 

«Водоросли поглощают СО2 и продуцируют кислород. С метаном ситуация хуже, потому что он изымается только в специфических условиях. Он окисляется до СО2, который в 50 раз слабее. С этим мало что можно сделать», – отметил Семилетов. 

Нельзя не отметить и болота. Их еще называют аккумуляторами тепла. Удивительно, но даже в условиях сибирских морозов они не замерзают. За счет сохранения тепла болота регулируют климат, делая его более мягким. Растительность болот поглощает СО2 при жизни, а после она превращается в торф, не выделяя углекислоту в атмосферу. Крупнейший в мире торфяник находится в России – это Васюганские болота. Они помогают решать климатические проблемы всей планеты. Осушать болота нельзя, ведь в таком случае они превращаются из поглотителей в источник выбросов.

Киты и фитопланктон также способны снизить действие парникового эффекта практически до 0. Они (по принципу растений) потребляют огромные объемы углекислого газа и выделяют больше кислорода, чем все остальные источники на планете вместе взятые.

«К поглотителям относятся так называемые продуценты, то есть живые организмы, которые живут за счет поглощения CO2. Все остальные живые организмы, наоборот, потребляют и выделяют углекислый газ. Сама по себе вода является растворителем CO2», – прокомментировала доктор биологических наук, директор Института глобального климата и экологии им. Израэля Анна Романовская

Ледники и даже отложения осадочных пород накапливают СО2 и держат его в природных резервуарах. 

В целом углекислый газ вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. Нельзя сказать, что СО2 – это «плохое вещество». Однако соблюдать природный баланс и не добавлять в атмосферу сверх меры парниковых газов критично важно, если мы не хотим уже в ближайшие десятилетия иметь дело с климатическим кризисом и множеством неприятных природных явлений, которые такой кризис вызовет.

Фото: Scharfsinn86 – istockphoto.com, hbieser – pisaba.com

Распад молекул углекислого газа в микроволновой плазменной горелке

Распад молекул углекислого газа при высоких температурах

Молекулы углекислого газа проходят через сверхвысокотемпературную горелку, где предполагается локальное термодинамическое равновесие (ЛТР) при T > 2000K. Затем они могут распадаться на различные химические соединения. Однако мы предполагаем распад молекул углекислого газа на монооксид углерода и атомы кислорода, т. е. CO 2 → CO + O для простоты в начальной аналитической попытке.Изменения энтальпии и энтропии из-за этой реакции обнаружены из таблицы 26 , чтобы быть δ H = 530 кДж MOL -1 и δ S = 147 J MOL -1 градусов -1 , соответственно. Свободная энергия Гиббса спонтанного распада определяется выражением G  = ∆ H − T S ; следовательно, температура распада молекул диоксида углерода на монооксид углерода и атомы кислорода вычисляется как около T  = ∆ H /∆ S  = 3600K.

На самом деле разложение углекислого газа гораздо сложнее, чем приведенный выше анализ свободной энергии Гиббса. Доминирующими видами после разложения диоксида углерода являются C, O , CO , C 2 , O 2 и CO

6

2 . Таким образом, всего ожидается 19 реакций. Однако модельный расчет в газовой кинетике сосредоточен на доминирующих реакциях в горячей камере с температурой выше 2000К.Первым рассмотрением является разложение диоксида углекислого диоксида, представленное химическими реакциями

с их постоянными реакции 12,19 K CO21 = 2,14 × 10 -10 ( -10 ( R / T ) 0.5 EXP (-52315 / T ) CM 3 молекул -1 S -1 и K CO2 = 2.81 × 10 -11 EXP (-26458 / T ) СМ 3 Молекулы -1 S -1 , где -1 , где T — это температура газа в Кельвина и т R = 298 K представляет собой комнату.Константа реакции 12 k CO2 получена при температуре газа T в диапазоне 300 K <  T  < 2500K. Contrange K CO2 оценивается K CO2 CO2 = 7 × 10 -16 см 3 молекул -1 S -1 AT T = 2500K . С другой стороны, константа реакции 27 этой реакции в уравнении (1) равна k CO2  = 6.4 × 10 -15 EXP (-0084 / T ) CM 3 Молекулы -1 S -1 В другом наборе данных, подсчитанные как K CO2 = 2,06 × 10 −18  см 3 молекул −1  с −1 при T  = 2500K. Константы реакции в этих двух наборах экспериментальных данных сильно отличаются друг от друга, даже с учетом различных экспериментальных условий. Поэтому в этом случае может быть сложно использовать какие-либо данные.В связи с этим, мы предполагаем, что реакция постоянная, чтобы быть к CO2 = 3.56 × 10 -12 EXP (-26458 / T ) CM 3 молекулы -1 S -1 , что обеспечивает распад молекул углекислого газа при Тл  = 3600К, что согласуется с простым анализом свободной энергии Гиббса и тем самым является разумным представлением для константы реакции в последующем модельном расчете газокинетики. Тем не менее вторая реакция в уравнении (1) доминирует над первой реакцией в процессе диссоциации диоксида углерода, как будет показано далее.

Расщепление диоксида углерода посредством реакций в уравнении (1) может быть уравновешено регенерацией диоксида углерода посредством реакции

с их константами реакции 28 of k CO  = 1,18  10 T r /T )exp(−3610/ T ) см 3 молекул −1  с −1 . Реакции уравнений (1) и (2) в квазиравновесном состоянии плотности углекислого газа, характеризуемом d n CO2 /dt ≈ 0, приводят к

где и n CO — плотности молекул двуокиси углерода и монооксида соответственно.Здесь квазиравновесие указывает на то, что реакции в уравнениях (1) и (2) уравновешивают количество молекул углекислого газа при локальном тепловом равновесии.

Вторым соображением является образование атомарного углерода и его исчезновение при химических реакциях, выраженное как

с константами реакции 29,30,31 из k C2  =  =9007  =90=9  2,2510  2,2510 ( T/T r ) см 3 молекул −1  s −1 и k 0 C1 × 10 -11 ( T R / T ) 0,3 см 3 Молекулы -1 S -1 . Опять же, эти реакции в квазиравновесном состоянии по числу атомов углерода приводят к

, где n C2 и n O2 — молекулярные плотности углерода и кислорода , o C C / C / C / C / C — это отношение плотности атома кислорода N O к плотности атома углерода N C .Отношение γ будет больше единицы во всем диапазоне температур газа. Количество молекул углерода в уравнении (5) обычно на порядок меньше количества молекул кислорода при высокой температуре газа T > 2000K.

Третье соображение — образование молекулярного кислорода и его исчезновение в результате химических реакций, выраженное как

с константами реакции 31,32 of k CO2  = 3,56 × (−22848/ T ) см 3 молекул −1   с −1 , k C  = 5.1 × 10 -11 ( T R / T ) / T ) 0.3 см 3 молекул -1 S -1 и K C21 = 1,1 × × × × × × 10 −11 exp(−381/T) см 3 молекул −1  с −1 . Реакции в квази-равновесном состоянии для молекулярного числа кислорода приводят к к CO2 N CO2 N o = k C N C C o2 o2 k C21 C21 N C2 N O2 O2 , который дополнительно выражается как

, идентифицируя K C N N N o2 o2 = K = K C2 N C2 N O в уравнении (4).Следующим соображением является образование молекулярного углерода и его диссоциация при химических реакциях, выраженная как

с константами реакции 33 , равными  = 1,47 × 10 −11 ( T 0 9 ) 2.6 см 3 молекул -1 S -1 , K C2 = 2,25 × 10 -11 ( т / т R ) CM 3 молекул −1  s −1 и k C21  = 1.1 × 10 −11 exp(−381/T) см 3 молекул −1   с −1 . Реакции в квазиравновесном состоянии по молекулярному числу углерода приводят к

, где параметр γ =  n O /n C – отношение плотностей атомарного кислорода и углерода.

Молекулы углекислого газа могут распадаться на пять других видов, включая атомарный кислород и углерод. Как будет показано далее, атомные номера углерода и кислорода при температуре газа Т выше 2000 К более чем на три порядка выше, чем у молекул.Поэтому молекулы углекислого газа распадаются в основном на атомы кислорода O и углерода C и молекулы монооксида углерода CO . В связи с этим число n D молекул углекислого газа, которые распадаются, может быть связано с числами n O и n CO 9 молекул по

из уравнений (3) и (9).Точно так же число n D молекул распавшегося диоксида углерода также может быть связано с числами n C и n CO 0 0 по

, что также обеспечивает сохранение количества атомов углерода. Решение соотношения γ 2  + 2γ − α/δ = 0 из уравнения (10) и (11) равно

, которое определяет отношение γ =  n O /n C через температуру газа T .Мы наблюдаем из уравнения. (12) отношение γ =  n O /n C уменьшается от большого значения до двух по мере увеличения температуры газа от комнатной до бесконечности, как и ожидалось. Это указывает на то, что все молекулы углекислого газа распадаются на атомы углерода и кислорода при чрезвычайно высокой температуре.

На этом этапе мы возвращаемся к уравнению (7), тщательно проверяя относительную силу членов. Значение K C2 N O + o + k C21 N O2 O2 на правой стороне уравнения (7) могут быть выражены как ( k C2 γ 2 δ + K C21 N O2 / N CO2 ) N CO2 .Константа реакции k C2 обычно на порядок выше, чем k C21 при практической температуре газа T в диапазоне 2000K < T. Заметим также из уравнений (9) и (12), что значение параметра γ 2 δ много больше единицы в этом интервале температур газа. Отношение плотностей n O2 / n CO2 намного меньше единицы, как будет показано далее.Членом, пропорциональным k C21 n O2 в правой части уравнения (7), можно пренебречь. В этом контексте уравнение (7) упрощается до

, что связано с плотностью от n C2 до n CO2 . Уравнения (3), (5), (9), (12) и (13) дополняют значения относительной плотности газовых частиц.

Полезно оценить отношение молекулярной плотности к атомной плотности для углерода и кислорода.Используя уравнения (5), (9) и (13), определяется отношение плотностей

, которое показывает, что отношение n C2 /n C равно 7 −4 или меньше при температуре газа T выше 2000K. Точно так же из уравнений (5) и (14) мы также находим, что отношение плотностей n O2 /n O равно 10 −3 или меньше при высокой температуре газа.Таким образом, вывод отношения плотностей γ из уравнений (10) и (11) вполне оправдан. Таким образом, мы заключаем, что большинство газовых частиц в микроволновой плазменной горелке с углекислым газом представляют собой молекулы CO 2 и CO с атомами C и O атомов.

Молекулы углекислого газа распадаются на атомарные или двухатомные молекулы, увеличивая количество частиц. Назначение N 0 в качестве плотности диоксида углерода до шага дезинтеграции, он показан как N 0 = N CO2 + N D =  n CO2  +  n CO  +  n из уравнения 9.С другой стороны, общая нейтральная плотность N N n N N N = N 0 + N O = N CO2 + N CO + N C + C + o o , Пренебрегающие молекулярными плотностью. Молекулярная плотность двуокиси углерода без распада равна нейтральной плотности n 0  =  n N .Следовательно, диссоциация углекислого газа увеличивает общее количество частиц и объем газа. Однако плотность нейтрального числа определяется температурой газа только для факела с давлением в одну атмосферу. Согласно идеальному газому законодательству, общая нейтральная плотность N N может также быть выражена как N N = 2,6 × 10 19 ( T R / Т ) частиц см −3 .Эта общая нейтральная плотность N N может быть эквивалентно выражена как N N = N CO2 CO2 [1 + α + (1 + γ) ΓΔ], используя уравнения (3) и (9). Затем плотности всех видов газа могут быть выражены как

, где символы α, β, δ и ε определены в уравнениях (3), (5), (9) и (13) соответственно. Уравнение (15) определяет плотности всех частиц в плазмотроне в зависимости от температуры газа T , что является одним из основных результатов этой статьи.

Мы пренебрегли первой реакцией в уравнении (1) при выводе уравнения (3), предполагая, что вторая реакция в уравнении (1) преобладает. Срок действия этого предположения продемонстрирован путем оценки стоимости K CO21 N N / K CO2 N O , где K CO21 и k CO2 определяются в уравнении (1).После выполнения прямого расчета оно отображается как

, что меньше 10 -2 , что обеспечивает справедливость предположения, сделанного для вывода уравнения (3). В этом отношении уравнение (15) даст достаточно точную информацию о составе газа с точки зрения температуры пламени факела T в диапазоне 2000K <  T  < 7000K. Программное обеспечение моделирования под названием Chemical WorkBench (CWB), предназначенное для кинетического моделирования однородной газовой фазы в масштабе реактора, использовалось для расчета концентрации частиц.Этот программный инструмент может быть эффективно использован для моделирования, оптимизации и проектирования широкого спектра процессов с высокой химической нагрузкой, в том числе при очень высоких температурах. Код CWB разработан и распространяется компанией Кинтех Лаб, Россия 34 . Аналитические результаты уравнения (15) можно сравнить с численными результатами кода CWB для сравнения. Число плотности молекул диоксида углекислого до разложения n 0 , по оценкам N 0 = N CO2 + N CO + п С .Если молекулы углекислого газа начинают диссоциировать при высокой температуре, нейтральная плотность увеличивается с n 0 до n N . На рис. 1 представлены графики отношения плотностей n CO2 / n 0 в зависимости от температуры газа T в Кельвинах, полученные из уравнения (15) и кода CW (сплошная кривая) (штриховая кривая). Аналитические результаты на рис. 1 показывают, что молекулы диоксида углерода начинают диссоциировать примерно при 2400 К, а половина молекул диссоциирует при Тл  = 3600 К, как и ожидалось из анализа распада свободной энергии Гиббса.Почти все молекулы углекислого газа диссоциируют при T  = 7000K, за исключением нескольких процентов. С другой стороны, численные результаты кода CWB на рис. 1 показывают, что половина молекул диссоциирует около T  = 3100K, что значительно ниже, чем T  = 3600K температуры спонтанной диссоциации от свободной энергии Гиббса. Это несоответствие может быть вызвано различиями между константами химических реакций, используемыми в аналитическом расчете и численных расчетах.В целом результаты кода указывают на более легкую диссоциацию диоксида углерода, чем результаты анализа. В остальном тенденция аналитических результатов по температуре пламени достаточно хорошо согласуется с численными данными.

Рисунок 1

Сюжеты коэффициента плотности N N CO2 / N / 0 против температуры газа T в Кельвин, полученном из уравнения (15) (сплошная кривая) от CWB-кода (штриховая кривая).

Аналитические результаты на рис. 1 показывают, что молекулы диоксида углерода начинают диссоциировать примерно при 2400 К и что половина молекул диссоциирует при Тл  = 3600 К, как и ожидалось из анализа распада свободной энергии Гиббса. Почти все молекулы углекислого газа диссоциируют при T  = 7000K, за исключением нескольких процентов. С другой стороны, численные результаты кода CWB на рис. 1 показывают, что половина молекул диссоциирует около T  = 3100K, что значительно ниже, чем T  = 3600K температуры спонтанной диссоциации от свободной энергии Гиббса.

, показанный на рис. 2 — это участки соотношения γ = n / n / n C , нормированные начальные ( N 0 ) и углекислый диоксид молекулярный плотности в зависимости от температуры газа T . Соотношение γ = N O / N / N C C получается из уравнения (12) и нормированных исходных ( N 0 / N N ) и углекислого газа ( n CO2 / n N ) молекулярные плотности получают из уравнения (15).Отношение γ уменьшается примерно до 2 по мере увеличения температуры газа T . Из рис. 2 также видно, что нормированная начальная плотность n 0 /n N приближается к 1/3 по мере того, как температура газа становится чрезвычайно высокой, что свидетельствует о полном распаде СО 2 на атомы C и O в конечном итоге увеличивает нейтральное число n N , пока оно не станет в три раза больше исходного числа n 0 .

Рисунок 2

Сюжеты соотношения γ = N O / N C , N 0 / N N и N и N CO2 / n N в зависимости от температуры газа T в Кельвинах.

Сюжеты соотношения γ = N / N / N / N C , нормированные начальные ( N 0 ) и углекислого диоксида молекулярных плотностей по сравнению с температурой газа т. .Соотношение γ = N O / N / N C C получается из уравнения (12) и нормированных исходных ( N 0 / N N ) и углекислого газа ( n CO2 / n N ) молекулярные плотности получают из уравнения (15). Из рис. 2 также видно, что нормированная начальная плотность n 0 /n N приближается к 1/3 по мере того, как температура газа становится чрезвычайно высокой, что свидетельствует о полном распаде СО 2 на атомы C и O в конечном итоге увеличивает нейтральное число n N , пока оно не станет в три раза больше исходного числа n 0 .

Плотность атомов кислорода и углерода резко возрастает, когда температура газа превышает T  = 4200K за счет диссоциации монооксида углерода. На рис. 3 представлены зависимости плотностей атомов кислорода и углерода от температуры газа T , полученные из уравнения (15). На рис. 3 также представлена ​​нормализованная молекула монооксида углерода для сравнения с другими видами. На рис. 3 следует отметить несколько моментов. Во-первых, плотности атомов кислорода и углерода составляют существенную долю нейтральной плотности при высокой температуре.Например, нормализованные плотности частиц на T = 4500k задаются N N / N / N = 0,55, N C / N N N = 0.175 и N CO / N / N N = 0.2, что также удовлетворяет условию N O + N CO = 2 ( n C  +  n CO ), чтобы сохранить количество кислорода и углерода.Во-вторых, плотность атомов кислорода менее чем в три раза превышает плотность атомов углерода во всем диапазоне высоких температур ( T  > 4500K), что указывает на диссоциацию значительной части молекул монооксида углерода. В-третьих, плотность атомов кислорода всегда выше плотности оксида углерода во всем диапазоне температур газа. Диссоциация моноксида углерода происходит при температурах газа выше T = 4800K, за пределами которых даже плотность атомов углерода преобладает над плотностью оксида углерода.Наконец, мы также отмечаем из численных данных, полученных из уравнения (15), что плотности атома кислорода и оксида углерода остаются высокими даже при относительно низких температурах. Например, плотностями атома кислорода и углерода на T = 1500K задаются N O = 2,41 × 10 14 20008 молекул CM -3 и N CO = 1,98 × 10 14 молекул см −3 , что обеспечивает протекание химических реакций в этом интервале температур.На рис. 4 представлены графики нормированных молекулярных плотностей кислорода и углерода в зависимости от температуры газа T , полученные из уравнения (15). Как и следовало ожидать из уравнения (14), молекулярные плотности кислорода и углерода на несколько порядков меньше, чем плотности атомов кислорода и углерода. На рис. 4 также видно, что молекулярные плотности кислорода и углерода уменьшаются по мере увеличения температуры газа T с T  = 4000K, что указывает на диссоциацию молекул при высокой температуре.

Рис. 3

Графики плотности атомов кислорода и углерода в зависимости от температуры газа T , полученные из уравнения (15).

Плотность атомов кислорода и углерода резко возрастает, когда температура газа превышает T  = 4200K за счет диссоциации монооксида углерода. Здесь также представлена ​​нормализованная молекула монооксида углерода для сравнения с другими видами. На рис. 3 следует отметить несколько моментов. Во-первых, плотности атомов кислорода и углерода составляют существенную долю нейтральной плотности при высокой температуре.Во-вторых, плотность атомов кислорода менее чем в три раза превышает плотность атомов углерода во всем диапазоне высоких температур ( T  > 4500K), что указывает на диссоциацию значительной части молекул монооксида углерода. В-третьих, плотность атомов кислорода всегда выше плотности оксида углерода во всем диапазоне температур газа.

Рис. 4

Графики нормированных молекулярных плотностей кислорода и углерода в зависимости от температуры газа T , полученные из уравнения (15).

Молекулярные плотности кислорода и углерода на несколько порядков меньше, чем плотности атомов кислорода и углерода. На рис. 4 также видно, что молекулярные плотности кислорода и углерода уменьшаются по мере увеличения температуры газа T с T  = 4000K, что указывает на диссоциацию молекул при высокой температуре.

Плотность N N CO молекул монооксида углерода для определенного значения N CO / N N в уравнении (15), например, пропорционально к нейтральной плотности n N , которая обратно пропорциональна температуре газа T согласно уравнению состояния идеального газа.Здесь мы предположили, что все химические соединения находятся в состоянии излучения абсолютно черного тела. Поэтому плотность монооксида углерода выражена как N CO = N N0 N0 ( x / x 0 ) ( T 0 / T ), где 0 и 0 и N0 N0 N0 N0 — это нормализованные CO и нейтральные плотности соответственно при произвольной температуре 0 .Здесь x  =  n CO / n N . Предполагая локальное тепловое равновесие, результирующая интенсивность света, излучаемого на характерной длине волны молекул монооксида углерода, пропорциональна средней плотности энергии u CO фотона 35 , которая пропорциональна 4 . Средняя плотность энергии u CO фотона на этой характерной длине волны также может быть пропорциональна плотности окиси углерода n CO .Таким образом, нормализованная интенсивность света I CO может быть выражена как I CO = ( x / x 0 ) ( т / т 0 ) 3 , которая нормирована на интенсивность света при температуре T 0 . Используя нормированные плотности, мы можем оценить нормированные интенсивности светового излучения всех видов газа, полученные из уравнения (15).

Интенсивность светового излучения можно рассчитать относительно светового излучения при T  =  T 0 . Нормированные интенсивности света I CO на характерной длине волны монооксида углерода, например, могут быть рассчитаны через температуру газа на рис. 5б. На рис. 5 приведены рассчитанные теоретически интенсивности светового излучения в зависимости от температуры газа T в Кельвинах.Интенсивности света нормированы по тем, когда температура T 0 равна 6000K. Из рис. 5 следует отметить несколько моментов. Во-первых, интенсивность эмиссии углекислого газа резко возрастает, достигает своего пика около T  = 3000K, а затем уменьшается по мере увеличения температуры газа T от 1000K. Уменьшение светового излучения CO 2 при высокой температуре обусловлено уменьшением молекулярной плотности углекислого газа вследствие диссоциации при высокой температуре.Во-вторых, световое излучение всех других видов увеличивается с увеличением температуры газа T из-за увеличения их плотности. В-третьих, интенсивность излучения молекул кислорода и углерода относительно медленно увеличивается при высокой температуре газа выше Тл  = 3500 К по мере увеличения температуры газа.

Рисунок 5

Сюжеты интенсивностей света (а) I CO2 , (b) I CO , I O и I C и (c) I C2 и I O2 в зависимости от температуры газа T в Кельвинах.

Интенсивность света нормирована по температуре T 0 6000K. Из рис. 5 следует отметить несколько моментов. Во-первых, интенсивность эмиссии углекислого газа резко возрастает, достигает своего пика около T  = 3000K, а затем уменьшается по мере увеличения температуры газа T от 1000K. Уменьшение светового излучения CO 2 при высокой температуре обусловлено уменьшением молекулярной плотности углекислого газа вследствие диссоциации при высокой температуре.Во-вторых, световое излучение всех других видов увеличивается с увеличением температуры газа T из-за увеличения их плотности. В-третьих, интенсивность излучения молекул кислорода и углерода относительно медленно увеличивается при высокой температуре газа выше Тл  = 3500 К по мере увеличения температуры газа.

Разложение и выброс CO2 из почвы (описание)

Каждый хороший садовник знает, что залогом здоровых растений является плодородная почва.Растения получают воду и питательные вещества из почвы, и именно присущие почве характеристики в сочетании с факторами окружающей среды определяют ее плодородие. Почвы представляют собой сложные и динамичные экосистемы с сообществами организмов. Как и все экосистемы, они имеют пищевую сеть, которая может включать бактерии, грибы, водоросли, протистов, насекомых, червей, корни растений и роющих животных. Почвы также выполняют важные экосистемные функции, такие как хранение и фильтрация воды и, что, возможно, наиболее важно, разложение.

Разложение в почве является ключевой функцией экосистемы, которая частично определяет продуктивность и здоровье растущих там растений. Редуценты питаются мертвым органическим веществом и в процессе расщепляют его на простейшие компоненты: углекислый газ, воду и питательные вещества ( органическое вещество состоит из материала или молекул, произведенных живыми организмами). В процессе разложения в почвенный раствор высвобождается большое количество необходимых питательных веществ, что делает их доступными для корней растений.В северных лиственных лесах, например, около 85 % азота дерева поступает в результате разложения (Bormann and Likens, 1979). Таким образом, если разложению леса препятствуют засуха, кислотные дожди или какой-либо другой стресс, растительность может испытывать дефицит питательных веществ.

Студенты ищут улиток в конце эксперимента.
Фотография Т.В. Стюарт.

Разложение также важно, поскольку оно является частью глобального углеродного цикла.Углеродный цикл представляет собой циклическое перемещение атомов углерода из атмосферы в биосферу/литосферу и обратно в атмосферу (рис. 1). В атмосфере углерод находится в виде углекислого газа. В процессе фотосинтеза часть этого углерода превращается в органический углерод , который составляет органическое вещество или биомассу. Растения и животные осуществляют клеточное дыхание и превращают небольшой процент этого органического углерода обратно в CO 2 .

Большая часть этого органического углерода в растениях переносится в почву, когда растения сбрасывают листья или умирают. Затем редуценты начинают свою работу по разрушению органического вещества. Некоторая часть органического углерода в органическом веществе превращается в CO 2 , который выделяется в поры почвы, что приводит к относительно высоким концентрациям CO 2 по сравнению с атмосферой. Эта разница в концентрации приводит к диффузии CO 2 из почвы в атмосферу.Это движение или поток СО 2 известно как СО 2 эмиссия (рис. 1).

Разложение – не единственный источник CO 2 в почве. В лесной или пастбищной экосистеме корни растений в изобилии находятся в почве, а клетки корней осуществляют клеточное дыхание , метаболизируя углеводы, поступающие из листьев. Этот CO 2 выбрасывается в почву и может быть причиной от 0 до 60% выбросов CO 2 почвы.Обратите внимание, что эмиссия CO 2 представляет собой перемещение CO 2 из почвы в атмосферу, тогда как разложение и корневое дыхание представляют собой процессы, в результате которых в почве образуется CO 2 (рис. 2).

Высвобождение CO 2 из почв имеет глобальные последствия, поскольку оно происходит в экосистемах по всему миру, а его масштабы таковы, что вносят значительный вклад в парниковый эффект . Парниковый эффект – это естественное свойство нашей атмосферы, при котором парниковые газы препятствуют передаче тепла от земной поверхности в космическое пространство, тем самым нагревая атмосферу.После промышленной революции деятельность человека (например, сжигание ископаемого топлива и вырубка лесов) привела к глобальному увеличению концентрации парниковых газов (таких как CO 2 ) в нашей атмосфере. Это быстрое увеличение, вероятно, приведет к каскаду воздействий на окружающую среду, таких как глобальное потепление, повышение уровня моря, изменение характера осадков и усиление штормов (IPCC 2007).

Рисунок 2. Блок-схема, показывающая путь от органического углерода и корней в почве до атмосферного CO 2 .Прямоугольники представляют количество углерода (массу), а стрелки представляют потоки (масса на единицу площади в единицу времени). Термины, выделенные курсивом, указывают на факторы окружающей среды, которые контролируют потоки.

В последние годы в изучение эмиссии CO 2 почвой было вложено много денег и усилий из-за потенциального воздействия этого процесса на парниковый эффект (Schlesinger and Andrews 2000). Количество органического углерода, хранящегося в почвах во всем мире, составляет около 1600 гигатонн (Гт) по сравнению с 750 Гт в атмосфере, в основном в форме CO 2 (Rustad et al.2000). Таким образом, если дыхание почвы немного увеличится, так что только 10% пула почвенного углерода превратится в CO 2 , атмосферные концентрации CO 2 в атмосфере могут увеличиться на одну пятую!

Несколько факторов окружающей среды контролируют скорость разложения и дыхания корней и, следовательно, скорость выделения CO 2 из почвы. Поскольку разложение является ферментативным биологическим процессом, осуществляемым бактериями и грибами, он очень чувствителен к температуре.В большинстве почв скорость разложения достигает пика примерно при 25°C и снижается по мере отклонения температуры от этого максимума. Влажность почвы также влияет на активность микроорганизмов. Очень сухие или очень влажные (затопленные) условия, как правило, снижают скорость разложения (Hanson et al. 1993). История кислотных отложений также может снизить pH почвы, тем самым ингибируя разлагающие вещества.

Скорость дыхания также будет зависеть от того, насколько быстро молекулы CO 2 могут диффундировать к поверхности почвы. На диффузию будет влиять влажность почвы (насколько поровое пространство заполнено водой) и структура почвы (распределение частиц почвы по размерам).Таким образом, вполне вероятно, что температура почвы, влажность, pH, плотность и текстура будут влиять на скорость дыхания почвы. В этом упражнении вы исследуете влияние этих (и, возможно, других) факторов окружающей среды на выбросы CO 2 (рис. 2).

Один из наиболее распространенных методов измерения дыхания почвы, натронно-известковый метод , удивительно прост и не требует дорогостоящего оборудования. В результате ученые во всем мире использовали его (Grogan 1998). Натронная известь представляет собой переменную смесь гидроксида натрия (NaOH) и гидроксида кальция (Ca(OH) 2 ) в гранулированной форме. Он обычно используется в лабораториях в качестве осушителя, потому что он легко поглощает водяной пар из воздуха. Из-за своих щелочных свойств натронная известь также очень эффективно удаляет углекислый газ из атмосферы в соответствии со следующими реакциями: 

            2NaOH (т) + CO 2 (г)        «        Na 2 CO 3 (т) +   H 2 O (адс)    [31]

            Ca(OH) 2 (т) +  CO 2 (ж)       «        CaCO 3 (т)  +   H 2 O (адс)     [2] 900

Обратите внимание, что на каждую адсорбированную молекулу CO 2 создается молекула воды.Эти молекулы воды остаются временно адсорбированными (адсорбентами) натронной извести, но могут испаряться при температурах кипения.

Рисунок 3. Схематическая диаграмма камер дыхания почвы. CO 2 диффундирует из почвы в воздушное пространство камеры. Затем он поглощается натронной известью.

Метод натронной извести заключается в том, что предварительно взвешенную открытую чашку с натронной известью помещают на землю и накрывают ее камерой известного диаметра (рис. 3). Когда почва CO 2 диффундирует в камеру, она быстро поглощается натронной известью (вместе с водяным паром).Через 24 часа камеру удаляют и натронную известь сушат при 105°С для испарения воды, а затем взвешивают. Увеличение массы натронной извести связано с CO 2 (Edwards 1982, с изменениями Grogan 1998).



Учебные площадки:    Вместе с инструктором выберите подходящие учебные площадки, которые являются относительно плоскими и не очень каменистыми. Вы должны иметь возможность разместить камеру диаметром 18 см (7,1 дюйма) на земле, где нет живых растений и больших камней.В зависимости от вашего экспериментального вопроса вам могут понадобиться два контрастных участка, например, участок с хвойными деревьями и участок с лиственными деревьями, северный склон и южный склон или сухой и влажный.

Обзор методов сбора и анализа данных:  

От 1 до 2 дней до лабораторного сеанса 1:

  • Промаркируйте стеклянные банки (стеклянные банки объемом 40–100 мл с завинчивающейся крышкой) с помощью клейкой ленты и перманентного маркера. Добавьте в каждую банку примерно 8 граммов натронной извести. Поместите банки с натронной известью в печь при температуре 105°C не менее чем на 24 часа, чтобы выпарить воду из гранул.Вам понадобится 8-10 баночек на группу плюс одна дополнительная, которую весь класс может использовать для заготовки.

Лабораторный сеанс 1:

  1. Достаньте банки из духовки (используйте перчатки или щипцы!) и поместите в эксикатор для охлаждения на 2-5 минут. Вынимайте банки из эксикатора по одной, взвешивайте с точностью до миллиграмма (0,001 г) или десятых миллиграммов (0,0001 г) и немедленно накрывайте. Запишите массу как начальную массу в таблице 1.
  2. Возьмите банки, камеры, термометры и оборудование для отбора проб и отправляйтесь на полевой участок.Потратьте несколько минут, чтобы отметить изменения микроклимата и микротопографии в лесу.
  3. В малых группах спланируйте свой эксперимент. Вы будете сравнивать уровень выбросов CO 2 из почвы на двух участках с разным микроклиматом и/или характеристиками почвы. В группе определитесь с участками или микроклиматом, которые вы хотели бы сравнить. Вот несколько предложений, но вам предлагается придумать свои собственные:

    Участок с хвойными деревьями или участок с лиственными породами
    Солнце или тень
    Ridgetop илидно долины
    С листовым слоем или без листового слоя (т.е. удаляется слой отмерших листьев на поверхности почвы)

  4. В группе запишите свой экспериментальный план в соответствии с раздаточным материалом Требования к экспериментальному проекту . Покажите его своему инструктору для утверждения, прежде чем продолжить. В качестве домашнего задания напечатайте ответы на вопросы в раздаточном материале.
  5. Поместите камеру вверх дном на относительно ровную поверхность почвы. Весь край камеры должен быть погружен в почву не менее чем на 1 см, чтобы свести к минимуму газообмен с атмосферой.Итак, осторожно удаляйте ветки и мелкие камни, лежащие под краем, не задевая листву и поверхность почвы под камерой. Удалите все зеленые растения, прищипнув или срезав их на уровне почвы. Необходимо как можно меньше тревожить почву!
  6. Медленно и осторожно нажимайте вниз, вращая камеру вперед и назад, чтобы вдавить края примерно на 1–2 см в поверхность почвы. Если на пути есть подземные корни или камни, возможно, вам придется переехать в другое место.Ключевым моментом здесь является хорошее уплотнение по всему краю камеры, чтобы не было зазоров.
  7. Получите банку с натронной известью. Снимите крышку и поставьте банку под камеру так, чтобы она опиралась на поверхность почвы. Убедитесь, что он не может опрокинуться.
  8. Замените патронник и поместите на него груз (например, камень размером с кулак или толстую ветку), чтобы сохранить давление и предотвратить его сдувание или опрокидывание.
  9. Запишите номер банки с натронной известью, а также номер и расположение камеры.Повторите эти шаги для каждой из камер на каждом сайте.
  10. В одном из мест, используемых классом, поместите открытую банку с натронной известью в вертикально стоящую камеру и закройте камеру крышкой. Это послужит бланком для документирования количества CO 2 , поглощенного из воздуха в камере и во время открывания и закрывания банок. Для всех групп требуется только одно пустое место.
  11. Дайте всем камерам инкубироваться в течение 24 ( + 4) часов. Если дневная температура окружающего воздуха ниже 16ºC, то инкубируют камеры в течение 48 ( + 4) часов.
  12. Прежде чем покинуть участок, оцените различия факторов окружающей среды между двумя участками отбора проб. Вы можете измерить любой или все из следующих параметров. У вашего инструктора могут быть дополнительные параметры для измерения. Щелкните здесь для получения инструкций по измерению этих переменных.

    Температура почвы
    Влажность почвы
    pH почвы

Через 1 или 2 дня после лабораторного занятия 1:

  1. Вернитесь на полевой участок по истечении назначенного времени.Снимите камеры и закройте банки с натронной известью. Верните все материалы в лабораторию. Откройте банки с натронной известью и поместите их в сушильный шкаф при температуре 105ºC.

Лабораторная сессия 2:

  1. Достаньте сухую натронную известь из печи и поместите в эксикатор для охлаждения на 5 минут. Банки по одной вынимать из эксикатора, взвешивать с точностью до миллиграмма (0,001 г) или десятых миллиграмма (0,0001 г). Запишите это как конечную массу (включая массу банки) в Таблицу 1.
  2. Рассчитайте мг почвенного CO 2 , поглощенного натронной известью в каждой камере:

    Изменение массы бланка (г) = M b = (Конечная масса бланка – Исходная масса бланка)

    CO почвы 2 Поглощено (г) = Конечная масса – Исходная масса – M b

  3. Рассчитайте CO 2 Интенсивность выбросов (E) для каждой камеры:

    Ac = площадь земли, покрытая камерой (м 2 )

    E (г CO 2 м -2 d -1

    8 ) = (Почвенный CO

    2 Поглощенный * 1.69) / A c / Дни инкубации

    [ 1,69 в приведенном выше уравнении используется для поправки на молекулу воды, которая теряется при адсорбции молекулы CO 2 . ]

    Щелкните здесь, чтобы просмотреть технические данные в формате EXCEL.

  4. Выполните t-критерий Стьюдента для CO 2 Коэффициенты выбросов, чтобы проверить существенные различия между двумя экспериментальными обработками. Щелкните здесь, чтобы ознакомиться с пошаговой процедурой.
  5. С помощью инструктора обобщите переменные среды и создайте таблицу в правильном формате для представления этих данных.

    Домашнее задание:
    Напишите лабораторный отчет в соответствующем формате. Щелкните здесь, чтобы ознакомиться с инструкциями по составлению отчетов. Ваш преподаватель назначит дату выполнения первого проекта отчета и окончательного проекта отчета.


  1. Как два ваших участка отбора проб различались по температуре, влажности, pH или другим характеристикам? Могут ли эти различия объяснить наблюдаемые вами различия в уровне выбросов CO 2 ?
  2. Земля под вашими камерами, вероятно, содержала корни растений.Как корни этих растений могли повлиять на уровень выбросов CO 2 ? Объяснять. Разработайте эксперимент с использованием этих камер, который позволит вам определить, какая часть CO 2 выделяется из корней, а какая — в результате разложения.
  3. Объясните, как разложение в почве связано с парниковым эффектом.
  4. Если всего 5% запасов органического углерода в почве разложится, сколько тонн углерода высвободится?
  5. Рассчитайте среднюю интенсивность выбросов CO 2 и стандартные отклонения для каждого места отбора проб (или проведите статистический тест).Занесите эти значения в таблицу. Затем напишите два-три абзаца, описывающие и интерпретирующие результаты вашего эксперимента.
  6. Собранные данные о температуре и влажности представляют собой измерения на определенный момент времени. Считаете ли вы, что значения температуры и влажности почвы отражают микроклимат в течение всего инкубационного периода? Что может быть более точным способом количественной оценки микроклимата в инкубационный период?
  7. Существуют ли другие факторы окружающей среды или места, которые вы не измерили, которые могли бы объяснить различия в уровне выбросов CO 2 в разных местах отбора проб? Объясните, как они повлияют на интенсивность выбросов.
  8. CO 2 Выбросы зависят от географического положения и сезона. Проведите литературный поиск значений выбросов CO 2 из почвы со всего мира. Попробуйте найти некоторые из вашего района. Вот некоторые ключевые слова, которые помогут вам в поиске: дыхание почвы, CO 2 в почве, углерод в почве, выбросы углерода, выбросы CO 2 , натронная известь, углеродный цикл. Какой диапазон значений вы можете найти? Где значения самые высокие? Где они самые низкие? Чем отличается ваш район? [ Примечание: при сравнении значений из разных исследований убедитесь, что вы конвертируете все значения в одни и те же единицы измерения! ]
  9. Поскольку процесс разложения зависит от температуры, ожидается, что на него повлияет глобальное потепление.Запишите один или два прогноза о том, как изменится разложение в почве и как эти изменения повлияют на растения. Затем проведите поиск литературы, чтобы узнать, что предсказывают эксперты. Оправдались ли ваши прогнозы? Если нет, то почему? Какие еще прогнозы сделали эксперты? Некоторые поисковые фразы, которые помогут вам в поиске: почва CO 2 , выбросы CO 2 , дыхание почвы, глобальное потепление почвенного углерода, тундровые почвы, положительная обратная связь глобального потепления, температура дыхания почвы, температура разложения.

  • Борман Ф.Х. и Г.Э. Сравнивает. 1979. Модель и процесс в лесной экосистеме . Springer-Verlag, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
  • Buchman, N. 2000. Биотические и абиотические факторы, контролирующие скорость дыхания почвы в насаждениях Picea abies . Биология и биохимия почвы 32 :1625-1635.
  • Эдвардс, Н.Т. 1982. Использование натронной извести для измерения частоты дыхания в наземных системах. Педобиология 23 :321-330.
  • Grogan, P. 1998. CO 2 измерение потока с использованием натронной извести: поправка на воду, образующуюся при адсорбции CO 2 . Экология 79 :1467-1468.
  • Хэнсон, П.Дж., С.Д. Вульшлегер, С.А. Болман и Д.Е. Тодд. 1993. Сезонные и топографические особенности лесной подстилки CO 2 эффлюкс из нагорного дубового леса. Физиология деревьев 13 :1-15.
  • Хогберг, П., А. Нордгрен, Н. Бухманн, А.Ф. Тейлор, А.Экблад, М.Н. Хогберг, Г. Найберг, М. Оттоссон-Лофвениус, Д.Дж. Читать. 2001. Крупномасштабное опоясывание леса показывает, что текущий фотосинтез управляет дыханием почвы. Природа 411 :789-92.
  • IPCC, 2007: Изменение климата 2007: Основы физических наук. Вклад Рабочей группы I в Четвертый оценочный отчет Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Соломон С., Д. Цинь, М. Мэннинг, З. Чен, М. Маркиз, К.Б. Аверит, М. Тигнор и Х.Л. Миллер (ред.)]. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 996 стр.
  • .
  • Райх, Дж.В. и У.Х. Шлезингер. 1992. Глобальный поток углекислого газа в почвенном дыхании и его связь с растительностью и климатом. Теллус 44B : 81-99.
  • Рустад, Л.Е., Т.Г. Хантингтон, Р. Д. Бун. 2000. Контроль дыхания почвы: последствия для изменения климата. Биогеохимия 48 :1-6.
  • Шлезингер, В.Х. и Дж.А. Эндрюс. 2000. Дыхание почвы и глобальный углеродный цикл. Биогеохимия . 48 :7-20.
  • Симмонс, Дж.А., И.Дж. Фернандес, Р. Д. Бриггс и М. Д. Делани. 1996. Пулы и потоки углерода лесной подстилки вдоль регионального климатического градиента в штате Мэн, США. Лесная экология и управление 84 :81-95.
  • Толанд, Д.Э., и Д.Р. Зак. 1994. Сезонные особенности дыхания почвы в малонарушенных и сплошных лиственных северных лесах. Canadian Journal of Forest Research 24 :1711-1716.

Полезные веб-сайты

  • Капретт, Д.Р. 2005. Критерий Стьюдента (для независимых выборок). (http://www.ruf.rice.edu/~bioslabs/tools/stats/ttest.html, по состоянию на 4 декабря 2007 г.)
  • Дэвидсон, Э. 2006. Дыхание почвы, температура и влажность. (http://harvardforest.fas.harvard.edu/data/p00/hf006/hf006.html, по состоянию на 12 декабря 2007 г.)
  • Dolphin, WR 1997. Написание лабораторных отчетов и научных статей.(http://www.mhhe.com/biosci/genbio/maderinquiry/writing.html, по состоянию на 13 декабря 2007 г.)
  • Совет по экологической грамотности. 2006. Почва и углеродный цикл. (http://www.enviroliteracy.org/article.php/700.html, по состоянию на 4 декабря 2007 г.)
  • Harmon, M. 2003. LIDET: Группа долгосрочных экспериментов по межсайтовому разложению. (http://www.fsl.orst.edu/lter/research/intersite/lidet.htm, по состоянию на 13 декабря 2007 г.)
  • Райс, CW 2005 (дата публикации). Что такое углеродный цикл? (http://soilcarboncenter.k-state.edu/carbcycle.html, по состоянию на 4 декабря 2007 г.)
  • Рош, Дж. 2007. Как написать лабораторный отчет.
    (http://inpp.ohiou.edu/~roche/371_fall07/how_to_write_a_lab_report.pdf, по состоянию на 10 декабря 2007 г.)
  • Трохим, В.М.К. 2006. Т-тест. (http://www.socialresearchmethods.net/kb/stat_t.php, по состоянию на 13 декабря 2007 г.)

    Геологическая служба США. 2006. Оценка запасов углерода в почве. (http://edcintl.cr.usgs.gov/carbon_cycle/carbonstocks.html, по состоянию на 11 декабря 2007 г.)

  • Исследовательский центр Вудс-Хоул.2005. Дыхание почвы. (http://www.whrc.org/new_england/Howland_Forest/soil_respiration.htm, по состоянию на 5 декабря 2007 г.)

Оценка
Вы будете оцениваться по двум аспектам этого проекта: план эксперимента и письменный лабораторный отчет. План эксперимента будет использоваться для оценки вашей способности правильно использовать научный метод для ответа на вопрос. Лабораторный отчет будет использоваться для проверки вашего понимания принципов дыхания почвы и вашей способности общаться в письменной форме в надлежащем научном формате.

Руководство по планированию эксперимента
Загрузить документ Руководство по планированию эксперимента (DOC)

Руководство по лабораторным отчетам
См. документ «Руководство по лабораторным отчетам» (DOC)

Рубрики
Загрузить рубрику «Экспериментальный дизайн» (DOC)
Загрузить Lab Report Prime Trait Assessment (файл EXCEL (XLS) и файл WORD (DOC))

Примеры экзаменационных вопросов

Q.Процесс, который превращает атмосферный CO 2 в органический C в растениях, называется _________.

А.   Фотосинтез

В.  Если бы глобальное потепление привело к повышению температуры почвы и, следовательно, к более быстрому разложению во всем мире, что, по вашему мнению, произошло бы с уровнями CO 2 в атмосфере (при прочих равных условиях)? Объяснять.

A.     Более быстрое разложение приведет к увеличению интенсивности выбросов CO 2 , что приведет к увеличению концентрации CO 2 в атмосфере.

Q. Кислотное осаждение имеет тенденцию подавлять популяции микробов в почве и приводит к более медленному разложению. Какое влияние это окажет на растительность? Объяснять.

A.   Растения получают большую часть своих питательных веществ в процессе разложения. Если разложение замедлить, растениям может не хватать питательных веществ или замедлится их рост.

Рисунок 1 . Прямоугольная и стрелочная диаграмма земного углеродного цикла.

Корреляция химического состава листвы и подстилки сахарного клена, Acer saccharum, при воздействии повышенного содержания CO2 и различной доступности N, а также влияние на разложение

Корреляция химического состава листвы и подстилки сахарного клена, Acer saccharum, при воздействии повышенного Доступность N и влияние на разложение | Поиск по дереву Перейти к основному содержанию

.gov означает, что это официально.
Веб-сайты федерального правительства часто заканчиваются на .gov или .mil. Прежде чем делиться конфиденциальной информацией, убедитесь, что вы находитесь на сайте федерального правительства.

Сайт защищен.
https:// гарантирует, что вы подключаетесь к официальному веб-сайту и что любая предоставленная вами информация шифруется и передается безопасно.

Автор(ы):

Дж.С. Кинг

К. С. Прегитцер

Д. Р. Зак

У. Э. Холмс

Тип публикации:

Научный журнал (JRNL)

Первичная(ые) станция(и):

Северная исследовательская станция

Историческая станция(и):

Северная центральная исследовательская станция

Источник:

ОЙКОС 94(3):403-416

Описание

Повышение содержания углекислого газа в атмосфере может изменить химический состав опавших листьев, потенциально влияя на разложение и скорость круговорота углерода и азота в лесных экосистемах.Это исследование было проведено, чтобы определить, влияет ли рост в условиях повышенного содержания СО2 в атмосфере на качество и микробное разложение опавших листьев широко распространенных северных лиственных пород на участках с низкой и высокой доступностью азота в почве. Кроме того, мы оценили, можно ли расширить гипотезы углеродно-питательного баланса (CNB) и баланса дифференциации роста (GDB) для прогнозирования изменений качества подстилки в ответ на доступность ресурсов. Клен сахарный (Acer saccharum) выращивали в полевых условиях в камерах с открытым верхом при парциальном давлении CO2 36 и 55 Па и начальной скорости минерализации почвы 45 и 348 мкг N г-1 сут-1.Листовой опад естественного старения оценивали по химическому составу и инкубировали в лаборатории в течение 111 дней. Микробное дыхание и производство растворенного органического углерода (РОУ) были количественно оценены как оценки разложения. Повышенный уровень CO2 и низкий уровень азота в почве привели к более высоким концентрациям неструктурных углеводов и конденсированных танинов в подстилке, более высоким отношениям C/N и более низким концентрациям N. Доступность азота в почве, по-видимому, оказала большее влияние на качество подстилки, чем атмосферный СО2, хотя обработки были аддитивными, с самыми высокими концентрациями неструктурных углеводов и конденсированных танинов при повышенном уровне СО2 и низком уровне азота в почве.Показатели микробного дыхания и продукции DOC не зависели от различий в качестве подстилки. В целом концентрации компонентов подстилки, за исключением крахмала, сильно коррелировали с концентрациями в живой листве, и гипотезы CNB/GDB оказались полезными для прогнозирования изменений качества подстилки. Мы пришли к выводу, что химический состав опада сахарного клена изменится в будущем в ответ на повышение содержания CO2 в атмосфере, и что доступность азота в почве будет играть главную роль. Похоже, что изменения качества подстилки не будут напрямую влиять на микробный метаболизм, хотя выводы, касающиеся разложения в целом, должны учитывать всю пищевую сеть почвы.

Цитата

Кинг, Дж. С.; Прегитцер, К.С.; Зак, Д.Р.; Кубиске, М.Э.; Holmes, WE 2001. Корреляция химического состава листвы и подстилки сахарного клена, Acer saccharum, в зависимости от повышенного содержания CO2 и различной доступности N, а также влияние на разложение. ОЙКОС 94(3):403-416

Примечания к публикации

  • Мы рекомендуем вам также распечатать эту страницу и прикрепить ее к распечатке статьи, чтобы сохранить полную информацию о цитировании.
  • Эта статья была написана и подготовлена ​​служащими правительства США в официальное время и поэтому находится в открытом доступе.

https://www.fs.usda.gov/treesearch/pubs/15503

С учетом изменений в подстилке

Abstract

Это исследование направлено на оценку воздействия изменений количества подстилки при моделировании осаждения N на разложение подстилки, выброс CO 2 и потенциальную потерю почвенного углерода в лиственничных плантациях на северо-востоке Китая.Мы провели лабораторный инкубационный эксперимент с использованием почвы и подстилки, собранных на контрольных участках и с добавлением азота (100 кг га -1 год -1 в течение 10 лет). Разное количество подстилки (0, 1, 2 и 4 г) помещали на 150 г почвы, собранной с тех же участков, и инкубировали в микрокосмах в течение 270 сут. Мы обнаружили, что увеличение поступления подстилки сильно стимулировало скорость разложения подстилки и высвобождение CO 2 как в контрольном, так и в микрокосме с азотным удобрением, хотя и снижало микробную биомассу почвы C (MBC) и концентрацию растворенного неорганического N (DIN).Поступление углерода (потеря углерода в результате разложения подстилки) и выход углерода (кумулятивная потеря углерода из-за дыхания) увеличивались с увеличением поступления подстилки как в контрольном микрокосме, так и в микрокосме с азотным удобрением. Однако потенциалы потерь почвенного углерода (выход углерода – вход углерода) уменьшились на 62% в контрольных микрокосмах и на 111% в микрокосмах с азотным удобрением, когда добавление подстилки увеличилось с 1 г до 4 г соответственно. Наши результаты показали, что увеличение поступления подстилки может подавить потерю почвенного органического углерода, особенно на участках с добавлением азота.

Образец цитирования: Li HC, Hu Y-L, Mao R, Zhao Q, Zeng D-H (2015) Влияние добавления азота на разложение подстилки и выброс CO 2 : учет изменений в количестве подстилки. ПЛОС ОДИН 10(12): e0144665. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665

Редактор: Такеши Мики, Тайваньский национальный университет, ТАЙВАНЬ

Получено: 27 июля 2015 г.; Принято: 20 ноября 2015 г.; Опубликовано: 11 декабря 2015 г.

Авторское право: © 2015 Li et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что указан первоначальный автор и источник

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в пределах документ и его вспомогательные информационные файлы.

Финансирование: Исследование выполнено при поддержке Государственной программы развития фундаментальных исследований (грант № 2012CB416902, http://www.973.gov.cn/English/Index.aspx, DHZ), Национальный фонд естественных наук Китая (грант № 41271318, http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal1/, YLH) и State Key Лаборатория экологии лесов и почв (грант № LFSE2013-11, http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal1/,QZ). Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Осаждение реактивного азота (N) увеличилось с 32 Мт N в год -1 до примерно 116 Мт N в год -1 с 1860 г. в глобальном масштабе, и ожидается дальнейшее увеличение в будущем [1, 2 ], из-за деятельности человека, такой как внесение удобрений, сжигание ископаемого топлива и выращивание бобовых [3]. Повышенное осаждение N может резко изменить доступность азота в почве и круговорот азота [4, 5], количество и качество подстилки и физико-химическую среду почвы [6] и, таким образом, повлиять на процессы разложения подстилки в наземных экосистемах [7, 8].Важно понимать влияние осаждения N на потоки углерода (C) экосистем [6, 9], поскольку динамика почвенного органического углерода (SOC) тесно связана с динамикой азота в почве.

Влияние осаждения N на круговорот углерода в почве широко изучалось, но результаты все еще весьма противоречивы [10]. Разложение растительного опада и дыхание почвы являются двумя основными взаимозависимыми процессами, регулирующими глобальный круговорот углерода на Земле. Большинство предыдущих исследований показали, что добавление азота подавляло дыхание почвы и, таким образом, секвестрировало почвенный углерод в наземных экосистемах за счет изменения химического состава органического вещества, биомассы и состава почвенных микробных сообществ [11, 12].Однако эффекты добавления N на разложение подстилки более вариабельны при стимуляции [13, 14] или ингибировании [15, 16], особенно в лесных экосистемах. Метаанализ Knorr et al. [17] установили, что влияние добавки N на разложение подстилки зависит от вида растений (деревьев) и качества подстилки. Таким образом, выяснение сложных взаимодействий между потерей почвенного углерода в результате дыхания и поступлением углерода из подстилки в почву во время разложения подстилки может помочь нам лучше понять реакцию секвестрации почвенного углерода на добавление азота в наземных экосистемах [18].

Было показано, что повышенное поступление азота повышает продуктивность растений и надземную биомассу [19, 20] из-за ограничения роста растений по азоту во всем мире. Лю и Гривер [6] обобщили данные по глобальным экосистемам и обнаружили, что добавление азота увеличивает поступление надземной подстилки на 20%. Изменения в скорости поступления подстилки могут повлиять на разложение подстилки и выброс CO 2 и, таким образом, повлиять на накопление углерода в почве. Недавнее исследование Chen et al. [21] показали, что скорость разложения подстилки увеличивается с увеличением количества подстилки, поступающей в экосистему тропического леса.Они наблюдали снижение выделения азота и фосфора на участках с добавленной подстилкой по сравнению с контрольными участками, что указывает на то, что повышенная доступность субстрата может стимулировать микробы к выделению питательных веществ из подстилки, что частично способствует усилению разложения опавших листьев [21]. Кроме того, изменение микробной биомассы и микробных сообществ в подстилке после увеличения поступления подстилки, например, увеличение соотношения численности грибов и бактерий в подстилке, может привести к увеличению потери массы опавшей листвы [22].Джардина и др. [23] обнаружили, что увеличение поступления надземной подстилки ускоряет высвобождение CO 2 в почве и снижает накопление почвенного углерода из-за эффекта прайминга [24–26]. Хотя было обнаружено, что количество подстилки оказывает значительное влияние на круговорот углерода, ни в одном исследовании не изучалось непосредственно влияние изменений в количестве подстилки при добавлении азота на разложение подстилки и минерализацию почвы. Таким образом, исследования изменений поступления подстилки в ответ на повышенное осаждение азота необходимы для точного прогнозирования динамики структуры и функционирования лесных экосистем в будущем.

Лиственница даурская ( Larix gmelinii Rupr.) — наиболее распространенная промысловая порода деревьев Северо-Восточного Китая. Учитывая постоянно увеличивающееся осаждение азота и связанные с этим экологические последствия в Китае [4], в 2002 г. был начат долгосрочный эксперимент по добавлению азота в плантации даурской лиственницы на северо-востоке Китая. Это дает уникальную возможность изучить, как совместное воздействие добавления азота и количества подстилки может повлиять на разложение подстилки и круговорот углерода и питательных веществ. Влияние добавок N на химические и биологические свойства почв исследовано в лиственничных насаждениях [27, 28].Джиа и др. [28] обнаружили, что внесение азотных удобрений снижало микробную биомассу почвы С (МБК) и N (МБН) на 29% и 42% в насаждениях лиственницы соответственно. Кроме того, мы обнаружили, что хроническое внесение азота увеличило производство лиственничного опада на 14% (данные не представлены), что может привести к значительному увеличению поступления углерода в почву. Более высокое поступление углерода в почву может привести к прайминговому эффекту на дыхание почвы [24–26], поскольку почвенные микробы обычно ограничены по углероду. В этом исследовании был проведен эксперимент по инкубации микрокосма для изучения влияния увеличения количества подстилки на разложение подстилки и скорость выделения CO 2 при добавлении азота.Мы предположили, что: (1) увеличение количества поступающей подстилки повысит скорость разложения подстилки и скорость выделения CO 2 из-за ослабления ограничения роста микроорганизмов по углероду; в то время как (2) скорость разложения подстилки и скорость выделения CO 2 будут ниже в микрокосмах с азотным удобрением из-за меньшей микробной биомассы по сравнению с контрольными микрокосмами.

Материалы и методы

Место исследования и эксперимент с добавлением азота

Почва и опавшие листья, использованные для эксперимента по инкубации, были собраны на участке долгосрочного эксперимента по добавлению азота, расположенном на исследовательской станции лесных экосистем Маоэршань (45°21′–45°25′ с.ш., 127°30′–127°34′). E) Северо-восточного университета лесного хозяйства в Хэйлунцзяне, Китай.Среднегодовая температура воздуха на этом участке составляет 2,8°С с колебаниями от –19,6°С в январе до 20,9°С в июле. Среднегодовое количество осадков составляет 723 мм [29]. Почва классифицируется как хорошо дренированная Hap-Boric Luvisol [30].

Эксперимент по добавлению азота проводится с 2002 г. Плантация лиственницы даурской была заложена в 1986 г. путем посадки выращенных в питомнике двухлетних саженцев с открытыми корнями на площади 1,5 м × 2,0 м. Было заложено шесть площадок размером 20 м × 30 м, между соседними площадками имеется 10-метровая буферная полоса.Две обработки азотными удобрениями (контроль и добавление азота) с тремя повторами были случайным образом расположены на этих участках. Азот добавляли в виде нитрата аммония из расчета 100 кг N га -1 год -1 в гранулах ежемесячно с мая по сентябрь, начиная с 2002 года. Это добавление азота было выбрано для имитации антропогенного осаждения азота.

Сбор почвы и подстилки

Сбор образцов в полевых условиях получил разрешение от Исследовательской станции лесных экосистем Маоэршань Северо-восточного университета лесного хозяйства.Для нашего эксперимента по инкубации в октябре 2012 года с контрольных площадок и участков с добавлением азота собирали опавшие листья и почву. Мы собрали верхний слой почвы (0–10 см) почвенным шнеком (диаметром 10 см) после удаления поверхностного слоя подстилки. В то же время мы собирали естественно стареющий опад лиственницы с помощью шести нейлоновых сеток (1 м × 1 м, ячейка 2 мм), расположенных случайным образом на каждой делянке на высоте 80 см над землей в конце сентября, когда опадает массивный опад. начал. Образцы почвы просеивали (<2 мм) для удаления корней и растительного детрита.Образцы почвы и опавших листьев были разделены на две подвыборки соответственно. Одна проба почвы и опада, собранная с каждого участка, была высушена в печи до постоянной массы при 60°C и использовалась для анализа химических характеристик почвы и опавших листьев после внесения N в течение 10 лет. Другая подвыборка почвы и подстилки была составлена ​​путем раздельной обработки, и почва хранилась при 4°C, а подстилка сушилась на воздухе при комнатной температуре до начала эксперимента по разложению подстилки.

Эксперимент по разложению подстилки

Для эксперимента по инкубации подстилки свежую почву (эквивалентно 150 г сухой массы), собранную на контрольных участках или участках с добавлением азота, помещали в пластиковую банку (10 см в диаметре, 12 см в высоту).Затем на поверхность почвы вносили листовой опад, собранный с соответствующих контрольных площадок или площадок с добавлением азота, в дозах 0, 1,00, 2,00, 4,00 г соответственно. Содержание воды в воздушно-сухой листовой подстилке, используемой для инкубации, составляло 11%. В частности, норма внесения 2 г опада была равна годовому количеству листового опада на контрольных участках. Всего было проведено восемь обработок с пятью повторностями: почва + 0 г подстилки с контрольных площадей (КП0), почва + 1 г подстилки с контрольных площадей (КП1), почва + 2 г подстилки с контрольных площадей (КП2), почва + 4 г подстилки с контрольных площадок (CL4), почва + 0 г подстилки с площадок с добавлением азота (NL0), почва + 1 г подстилки с площадок с добавлением азота (NL1), почва + 2 г подстилки с делянок с добавлением азота (NL2), почва + 4 г помета с участков с добавлением азота (NL4).

Все микрокосмы инкубировали при 25°С в темноте в инкубаторе. Воду добавляли каждые три дня для сохранения 60% водоудерживающей способности почвы во время инкубации методом взвешивания. Во время инкубации на отверстие пластиковых банок помещали перфорированную клейкую пленку, чтобы уменьшить потери воды и обеспечить газообмен.

Определение СО

2 Скорость выделения в микрокосмах

CO 2 Скорость высвобождения измеряли на 7, 14, 21, 28, 42, 70, 119, 180, 270 днях инкубации.Пластиковые банки перед отбором газа полностью продували свежим воздухом, а затем закрывали крышкой с перегородкой при 25°С в темноте в инкубаторе. Через 45 мин с помощью шприца отбирали пробу газа в свободном пространстве (35 мл) и анализировали концентрацию CO 2 (частей на миллион) с помощью газовой хроматографии (GC-7890A, Agilent, США) с электронозахватным детектором (ECD). Уравнение преобразования основано на 25°C и 1 атмосфере: концентрация CO 2 (мг CO 2 d -1 кг -1 почвы) = 44/22.4 × CO 2 концентрация (ppm) × 273/(273+25)/24 t × V / m /10 3 , где t — время инкубации (ч) до газации отбор проб, V – объем газа (м 3 ) в пластиковых банках и m – сухая масса почвы (г).

Отбор проб подстилки и почвы и химический анализ

Образцы подстилки и почвы были собраны деструктивно через 14, 28, 42, 70, 119, 180 и 270 дней из пяти микрокосмов каждой обработки, всего 40 банок (8 обработок × 5 повторений) для каждого времени отбора проб.Образцы подстилки высушивали при 60°C в течение 48 ч, взвешивали, а затем перемалывали, пропуская через сито 0,25 мм для анализа концентраций C и N. Образцы почвы хранили при 4°С не более 2 сут до определения МБК, МБН, РОУ и DIN (№ 3 -N и NH 4 + -N).

Концентрацию органического углерода

измеряли методом окисления Walkey and Black K 2 Cr 2 O 7 –H 2 SO 4 [31].Суммарные концентрации N и P определяли на проточном автоанализаторе (AutoAnalyzer III, Bran+Luebbe GmbH, Германия) после выщелачивания в 5 мл H 2 SO 4 с катализатором (смесь CuSO 4 и K ). 2 СО 4 ) [32]. Мы измеряли лигнин модифицированным ацетилбромидным методом с образцами, откалиброванными по стандарту лигнина (лигнин, щелочь, 2-гидроксипропиловый эфир) [33]. Концентрацию целлюлозы определяли модифицированным методом кислотного гидролиза Updegraff [34].Подобразец помета весом 50 мг экстрагировали раствором CH 3 COOH и HNO 3 на кипящей водяной бане в течение 25 мин. Реакцию охлаждали и пробирки центрифугировали при 13000 об/мин в течение 5 мин. После удаления супернатанта в пробирки добавляли 10% H 2 SO 4 и реагент антрон. Концентрацию целлюлозы измеряли при 620 нм. Общее количество полифенолов экстрагировали 70% метанолом, а затем измеряли колориметрически с использованием метода Фолина-Чокальтеу [35].

Почвы МБК и МБН определяли методом фумигационной экстракции хлороформом [36]. Для каждого образца почвы в химические стаканы взвешивали шесть подобразцов (равные 10 г сухой массы). Три пробы окуривали хлороформом в течение 24 ч, а затем экстрагировали 100 мл 0,5 М K 2 SO 4 . МБК и МБН почвы рассчитывали по разнице концентраций органического углерода и азота в растворе между фумигированной и нефумигированной почвами с коэффициентом извлечения, равным 0.38 для МБК и 0,45 для МБН соответственно [37]. Концентрация органического углерода в 0,5 М K 2 SO 4 растворе экстракта нефумигированной почвы использовалась в качестве показателя РОУ в почве [38]. Для определения в почве концентраций NO 3 -N и NH 4 + -N 10 г почвы (сухая масса) экстрагировали 50 мл 2 М раствора KCl [39], а затем анализировали с помощью проточный автоанализатор (AutoAnalyzer III, Bran + Luebbe GmbH, Германия).

Расчеты и статистический анализ

Чтобы оценить чистую динамику азота в разлагающейся подстилке, оставшийся азот в подстилке выражали в процентах содержания азота в разлагающейся подстилке по отношению к исходному содержанию.Содержание N в подстилке рассчитывали путем умножения концентрации N в подстилке (мг г -1 ) на оставшуюся массу подстилки (г) в течение инкубационного периода. Кумулятивное высвобождение CO 2 (г) после 270-дневной инкубации интегрировали с использованием правила трапеций Origin (версия 8.5, OriginLab Corporation).

Константы разложения мусора

( K ) были оценены линейной регрессией после логарифмического трансформации следующим образом: LN ( W T / W 0 ) = — KT , где W t – оставшаяся сухая масса подстилки на момент времени t , W 0 – исходная сухая масса.Линии регрессии сравнивали с помощью ковариационного анализа (ANCOVA) с последующим тестом множественного сравнения Тьюки.

Кроме того, чтобы лучше понять влияние добавления подстилки на оборот углерода в почве во время инкубации, мы определили «потенциал потери углерода в почве» путем расчета значения выхода углерода за вычетом входа углерода, где выход углерода представляет собой кумулятивную потерю углерода из-за подстилки и почвы. дыхание, а поступление С осуществляется за счет потери массы подстилки.

Различия в начальном химическом составе подстилки и почвы, использованных при инкубации, между контрольной группой и группой с добавлением азота были проанализированы с помощью однофакторного дисперсионного анализа.Влияние скорости добавления подстилки и внесения азотных удобрений на константу разложения ( k ), общую потерю массы подстилки, остаточный азот подстилки и кумулятивное высвобождение CO 2 -C анализировали с помощью дисперсионного анализа с разделением графика. Затем мы проанализировали влияние скорости добавления подстилки на k , общую потерю массы подстилки и оставшийся N в подстилке и кумулятивное выделение CO 2 -C в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением отдельно, а также влияние добавления N на k и кумулятивную СО 2 -C выпуск для каждой нормы прибавки помета отдельно с помощью однофакторного дисперсионного анализа.Влияние нормы добавления подстилки и добавления N на скорость выделения CO 2 и MBC, MBN, DOC и DIN в почве анализировали с использованием повторных измерений ANOVA. Когда наблюдалось значительное взаимодействие между скоростью добавления подстилки и внесением азота, однофакторный дисперсионный анализ ANOVA использовался для проверки влияния скорости добавления подстилки на скорость выделения CO 2 , MBC почвы, MBN, DOC и DIN в контроле и в микрокосмах с азотным удобрением отдельно. , а также влияние добавления N на скорость выделения CO 2 и MBC, MBN, DOC и DIN в почве для каждой нормы добавления подстилки в отдельности.Для сравнения средних значений использовали тест множественного сравнения Тьюки. Все данные были подвергнуты статистическому анализу с использованием SPSS PASW Statistics (версия 18.0, SPSS Inc.). Значимый уровень находился на уровне α = 0,05.

Результаты

Исходные химические характеристики почвы и опавших листьев

Концентрация общего азота в подстилке увеличилась на 8,8% на участках с добавлением азота по сравнению с контрольными участками ( P = 0,002), но не было обнаружено различий в концентрациях общего углерода в подстилке, общего фосфора, целлюлозы, лигнина и полифенолов (таблица 1). ).Соотношение C:N в подстилке было ниже на участках с добавлением азота, чем на контрольных участках ( P = 0,004), из-за значительного повышения концентрации азота в подстилке. Концентрации органического углерода и общего азота в почве значительно увеличились после 10-летнего внесения азота ( P <0,001 и P = 0,043 соответственно).

Потери массы подстилки и константа разложения

Наблюдалась значительная взаимосвязь азотных удобрений и скорости добавления подстилки на общую потерю массы подстилки после 270 дней инкубации ( P = 0.009). Не было разницы в общей потере массы подстилки между контрольным микрокосмом и микрокосмом с азотным удобрением ( P = 0,159). Потеря массы подстилки увеличивалась с увеличением поступления подстилки как в контрольном микрокосме, так и в микрокосме с азотным удобрением (оба P <0,001; таблица 2). В частности, потеря углерода при разложении подстилки (в виде поступления углерода в почву) колебалась от 0,17 г C в CL1 до 0,75 г C в CL4 и от 0,18 г C в NL1 до 0,76 г C в NL4 (данные рассчитаны по основе потери массы подстилки; рис. 1).

Рис. 1. Потери массы и константа разложения k (врезки) опавших листьев при различных обработках вводимого количества при инкубации в контрольном микрокосме и микрокосмах с азотным удобрением.

Значения являются средними ( n = 5) ± SE. Разные буквы указывают на значительные различия ( P <0,05) между видами лечения. CL1 почва + 1 г подстилки с контрольных площадей, CL2 почва + 2 г подстилки с контрольных площадей, CL4 почва + 4 г подстилки с контрольных площадей, NL1 почва + 1 г подстилки с площадок с добавлением азота, Почва NL2 + 2 г подстилки с участков с добавлением азота, Почва NL4 + 4 г подстилки с участков с добавлением азота.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665.g001

Таблица 2. Изменения в потере массы подстилки, остаточном N в подстилке и кумулятивном CO 2 -C высвобождение контрольного микрокосма и азотного удобрения под разной подстилкой введенное количество обработок после 270 дней инкубации.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665.t002

Наблюдалось значительное взаимодействие между внесением азотных удобрений и скоростью добавления подстилки на константу разложения подстилки ( k ) ( P = 0.039). Константы разложения подстилки были выше в NL4, чем в NL1 и NL2 ( P <0,001; рис. 1). Точно так же константа разложения подстилки была выше в CL4, чем в CL1 и CL2 ( P = 0,006). Константа разложения подстилки была ниже в NL1, чем в CL1, и ниже в NL2, чем в CL2 (рис. 1).

Помет N динамика

Листовая подстилка N показала иммобилизацию сетки после временного высвобождения во всех шести обработках с измененной подстилкой в ​​течение 270 дней инкубации (рис. 2).Отсутствовало существенное влияние азотных удобрений и скорости добавления подстилки на оставшийся N подстилки ( P = 0,683). Остаточный азот помета был ниже в микрокосмах с азотным удобрением, чем в контрольных микрокосмах ( P = 0,020; рис. 2). Как для контрольного микрокосма, так и для микрокосма с азотным удобрением оставшийся N в подстилке обычно уменьшался с увеличением прибавки подстилки ( P = 0,016 и P = 0,040 соответственно).

Рис. 2. Процент азота, оставшегося в листовом опаде, при различном количестве введенного опада во время инкубации в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением.

Значения являются средними ( n = 5) ± SE. CL1 почва + 1 г подстилки с контрольных площадей, CL2 почва + 2 г подстилки с контрольных площадей, CL4 почва + 4 г подстилки с контрольных площадей, NL1 почва + 1 г подстилки с площадок с добавлением азота, Почва NL2 + 2 г подстилки с участков с добавлением азота, Почва NL4 + 4 г подстилки с участков с добавлением азота.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665.g002

CO

2 скорость выброса

Скорость высвобождения CO 2 показала сходную временную картину при различных обработках ввода подстилки с резким снижением в первые 14 дней, а затем плавно продолжалась с течением времени как в контрольном микрокосме, так и в микрокосме с азотным удобрением (рис. 3).Было выявлено значительное влияние азотных удобрений и нормы внесения подстилки на скорость высвобождения CO 2 и кумулятивное высвобождение CO 2 ( P = 0,017 и P = 0,001 соответственно). В целом азотные удобрения значительно снижали скорость высвобождения CO 2 с более низким кумулятивным высвобождением CO 2 ( P <0,001; таблица 2; рис. 3). Скорость выделения углекислого газа была выше в CL4, чем в NL4 ( P <0,001; рис. 3), но не было различий между CL0 и NL0, между CL1 и NL1 и между CL2 и NL2.Добавление большего количества подстилки увеличивало выброс CO 2 как в контрольном микрокосме, так и в микрокосме с азотным удобрением (все P <0,001; рис. 3). Совокупная потеря CO 2 в CL4 увеличилась на 60% по сравнению с CL0 (рис. 3). Точно так же NL1, NL2 и NL4 увеличили кумулятивный выброс CO 2 на 36%, 77% и 82% по сравнению с NL0 соответственно (рис. 3). В частности, совокупная потеря углерода из-за дыхания подстилки и почвы (выход углерода) колебалась от 0,64 г углерода в CL1 до 0.93 г C в CL4 и от 0,53 г C в NL1 до 0,71 г C в NL4 (рис. 3). Потенциалы потерь почвенного углерода (выход C-вход C) составили 0,47 в CL1 и 0,35 в NL1, 0,32 в CL2 и 0,34 в NL2, 0,18 в CL4 и -0,05 в NL4 соответственно.

Рис. 3. Интенсивность выделения CO 2 и кумулятивное выделение CO 2 -C (вставки) при различных обработках входного подстилки во время инкубации в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением.

Значения являются средними ( n = 5) ± SE. CL0 почва + 0 г подстилки с контрольных площадей, CL1 почва + 1 г подстилки с контрольных площадей, CL2 почва + 2 г подстилки с контрольных площадей, CL4 почва + 4 г подстилки с контрольных площадей, NL0 почвы + 0 г подстилки с участков с добавлением азота, NL1 почвы + 1 г подстилки с участков с добавлением азота, NL2 почвы + 2 г подстилки с участков с добавлением азота, NL4 почвы + 4 г подстилки с участков с добавлением азота.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0144665.g003

МБК, МБН, ДОКТОР и DIN

Почвенные MBC и MBN контрольного микрокосма и микрокосма с азотным удобрением показали аналогичную временную картину с пиком, приходящимся на 28-й день, а затем плавно менялись во времени до быстрого снижения на 270-й день (рис. 4). Существовало значительное взаимодействие азотных удобрений и скорости добавления подстилки на MBC ( P = 0,001), но не на MBN ( P = 0,119). В целом МБК и МБН почвы были ниже в микрокосмах с азотным удобрением, чем в контрольных микрокосмах ( P <0.001; Рис 4). MBC был выше в CL0, чем в CL1, CL2 и CL4, и выше в CL2 и CL1, чем в CL4 ( P <0,001; рис. 4A), но не было никакой разницы между CL2 и CL1. Точно так же MBC был ниже в NL2, чем в NL0 и NL1 ( P <0,001; рис. 4B), но не было различий между NL0, NL1 и NL4, а также между NL2 и NL4. Скорость добавления подстилки не оказала существенного влияния на MBN почвы ( P = 0,119; рис. 4C и 4D).

Рис. 4. Почвенная микробная биомасса C (MBC; a и b) и микробная биомасса N (MBN; c и d) при различных вариантах внесения подстилки во время инкубации в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением.

Значения являются средними ( n = 5) ± SE. CL0 почва + 0 г подстилки с контрольных площадей, CL1 почва + 1 г подстилки с контрольных площадей, CL2 почва + 2 г подстилки с контрольных площадей, CL4 почва + 4 г подстилки с контрольных площадей, NL0 почвы + 0 г подстилки с участков с добавлением азота, NL1 почвы + 1 г подстилки с участков с добавлением азота, NL2 почвы + 2 г подстилки с участков с добавлением азота, NL4 почвы + 4 г подстилки с участков с добавлением азота.На вставках показаны средние значения MBC или MBN среди различных вариантов ввода подстилки в течение всего времени инкубации в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением ( n = 7).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665.g004

Значимого взаимодействия азотных удобрений и количества подстилки на DOC не наблюдалось ( P = 0,085). DOC был выше в NL0, чем в CL0 ( P <0,001; рис. 5A и 5B), но не было различий между CL1 и NL1, между CL2 и NL2 и между CL4 и NL4.Скорость добавления подстилки не оказала существенного влияния на DOC ( P = 0,345; рис. 5A и 5B).

Рис. 5. Растворенный в почве органический C (DOC; a и b) и растворенный неорганический N (DIN; c и d) при различных количествах внесения подстилки во время инкубации в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением.

Значения являются средними ( n = 5) ± SE. CL0 почва + 0 г подстилки с контрольных площадей, CL1 почва + 1 г подстилки с контрольных площадей, CL2 почва + 2 г подстилки с контрольных площадей, CL4 почва + 4 г подстилки с контрольных площадей, NL0 почвы + 0 г подстилки с участков с добавлением азота, NL1 почвы + 1 г подстилки с участков с добавлением азота, NL2 почвы + 2 г подстилки с участков с добавлением азота, NL4 почвы + 4 г подстилки с участков с добавлением азота.На вставках показаны средние значения DOC или DIN среди различных обработок ввода подстилки в течение всего времени инкубации в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением ( n = 7).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665.g005

DIN почвы постоянно увеличивался в течение периода инкубации как при контроле, так и при добавлении азота (рис. 5C и 5D). По сравнению с почвой без подстилки (CL0 и NL0), добавление подстилки значительно снизило DIN почвы в контрольном микрокосме и в микрокосмах с азотным удобрением через 28 дней соответственно (все P <0.001; рис. 5C и 5D). Наблюдалось значительное взаимодействие азотных удобрений и скорости добавления подстилки по DIN ( P <0,001). DIN был выше в NL1, чем в CL1 ( P <0,001; рис. 5C и 5D), но ниже в NL2, чем в CL2 ( P <0,001; рис. 5C и 5D). Различий между CL0 и NL0 и между CL4 и NL4 не было. DIN был выше в CL0, чем в CL1, CL2 и CL4, и выше в CL1, чем в CL2 и CL4 ( P <0,001; рис. 5C и 5D), но разницы между CL2 и CL4 не было.Точно так же DIN был выше в NL0 и NL1, чем в NL2 и NL4 ( P <0,001; рис. 5C и 5D), но различий между NL0 и NL1 и между NL2 и NL4 не было.

Обсуждение

Влияние нормы подстилки

Мы обнаружили, что увеличение поступления подстилки сильно стимулировало скорость разложения подстилки и выброс CO 2 , что согласуется с тем, что уже сообщалось Liu et al. [40], которые обнаружили, что кумулятивная потеря углерода увеличивается с увеличением количества подстилки.Однако увеличение количества подстилки не увеличивало МБК (рис. 4). Вместо этого микробное соотношение C:N значительно снижалось при более высокой норме добавления подстилки. Наш результат косвенно поддерживает Buchkowski et al. [41], которые показали, что микробная биомасса играет важную роль в контроле скорости минерализации углерода только тогда, когда соотношение C:N в подстилке близко к таковому в микробной биомассе. В противном случае микробная стехиометрия, вероятно, будет основной движущей силой скорости минерализации углерода. Действительно, соотношение C:N в подстилке в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением (90.3 и 82,5) были намного выше, чем у микробной биомассы (9,6 и 11,6) в нашем исследовании. Причина микробной стехиометрии как регулятора круговорота углерода в почве может быть связана со стехиометрическими ограничениями микробного пула [42, 43]. В нашем исследовании, например, добавление подстилки увеличивало относительную доступность углерода для микробов. Чтобы компенсировать повышенную доступность углерода и поддерживать относительную стабильность микробной стехиометрии, микробное сообщество увеличило дыхание, чтобы тратить больше углерода. В нашем исследовании потеря массы подстилки (рис. 1) и выделение углерода через дыхание (рис. как в контроле, так и в микрокосме азотного удобрения.При той же скорости добавления подстилки мы обнаружили, что выход углерода через дыхание был выше, чем ввод углерода от разложения подстилки (данные были рассчитаны на основе потери массы подстилки; рис. 1) для всех микрокосмов. Тем не менее, потенциальная потеря почвенного углерода в микрокосмах с добавлением азота и в контроле уменьшалась с увеличением количества подстилки, что означает, что большее количество подстилки может относительно уменьшить потерю почвенного углерода.

Фонтейн и др. [24] предположили, что свежая подстилка может оказывать положительное влияние на разложение органического углерода в почве и, таким образом, снижать содержание углерода в почве.Однако такого положительного эффекта прайминга при увеличении поступления подстилки в настоящем исследовании не наблюдалось. Мы наблюдали более высокое кумулятивное высвобождение CO 2 -C в почве при CL0 (0,58 г C) и NL0 (0,39 г C) (таблица S1) по сравнению с обработками с добавлением подстилки. Например, чистый выход C (выход C минус вход C) составлял 0,47 г C в CL1 и 0,35 г C в NL1 (таблица S1), что было ниже, чем в CL0 и NL0 соответственно. Таким образом, по сравнению с обработками без внесения подстилки, внесение подстилки уменьшило разложение углерода в почве, что может быть связано с более высокими концентрациями почвенного углерода и азота в насаждении лиственницы на этом исследуемом участке (табл. 1).Фонтейн и др. [44] признали, что эффект прайминга зависит в основном от конкуренции между r-стратегами, разлагающими свежий органический углерод (FOC), и k-стратегами, разлагающими SOC. Когда питательные вещества были в изобилии, возможно, добавление свежей подстилки стимулировало r-стратегию разлагателей FOC и ингибировало k-стратегию разлагателей SOC [24], тем самым снижая минерализацию SOC и приводя к отрицательному эффекту прайминга. Однако взаимосвязь между эффектом прайминга и структурой микробного сообщества еще предстоит изучить [45].

Мы обнаружили, что МБК в почве снижается с увеличением количества подстилки, в то время как кумулятивное выделение CO 2 -C увеличивается. Напротив, Лю и Гривер [6] предположили, что микробное дыхание почвы положительно коррелирует с MBC почвы. Отрицательная реакция МБК на норму внесения подстилки может быть связана с временными ограничениями содержания азота в почвенной микробной биомассе в начале процесса разложения [46]. В этом исследовании содержание неорганического азота в почве уменьшилось при обработке подстилки с большим количеством поступлений, и произошла чистая иммобилизация азота в подстилке, что подтверждает то, о чем уже сообщали Liu et al.[40]. Кроме того, не было различий в РОУ в почве при различных вариантах внесения подстилки, что могло способствовать отрицательной реакции МБК почвы на добавление подстилки. Более низкий MBC в почве, но повышенная скорость выделения CO 2 при обработках с более высокой нормой добавления подстилки в нашем исследовании подразумевают, что больше субстратов почвенного углерода может использоваться для метаболической активности, а не для роста микробов в почве [47, 48]. Более того, конкуренция между r-стратегами-разрушителями ФОС (в основном бактериями) и k-стратегами-разрушителями ПОУ (в основном грибами) более важна для объяснения влияния скорости добавления подстилки на разложение подстилки и скорость дыхания почвы [44, 45].К сожалению, в данной работе мы не определяли биомассу и состав микробных сообществ подстилки. Таким образом, эти определения необходимы в будущем.

Эффект внесения азотных удобрений

Мы обнаружили, что добавление азота ингибировало высвобождение CO 2 (17%), хотя содержание неорганического азота в почве было выше в NL1, чем в CL1, но ниже в NL2, чем в CL2. Результаты подтверждают недавний отчет, который показывает, что микробная стехиометрия, а не микробная биомасса, действует как регулятор цикла C и N в почве [41].Это может быть связано с тем, что питательные вещества, превышающие потребности микробов, минерализуются за счет дыхания отходов (для C) или минерализации N [49] для поддержания относительно стабильной стехиометрии. Результаты также подтверждают утверждение о том, что повышенное поступление азота может снизить скорость разложения подстилки [12, 50–52] из-за подавления микробного роста и активности [53]. Однако некоторые другие исследования показали, что увеличение доступного азота в почве может увеличить скорость разложения подстилки, поскольку почвенные микробы, связанные с разложением подстилки, ограничены по азоту [54, 55].В настоящем исследовании мы наблюдали значительное снижение (14%) МБК в почве (рис. 4А и 4В), что согласуется со снижением МБК на 15% при добавлении азота как в умеренных, так и в бореальных лесах [56]. Однако точный механизм снижения МБК в микрокосме азотных удобрений в нашем исследовании еще не известен. Основных причин может быть две. Во-первых, снижение МБК в микрокосме азотных удобрений тесно связано со снижением рН почвы. Демолинг и др. [57] показали, что микробные сообщества почвы могут быть изменены за счет снижения рН почвы при добавлении азота.В этом исследовании исходный рН почвы в микрокосмах с азотным удобрением (4.21) был ниже, чем в контрольных микрокосмах (5.11). Более низкий рН почвы ускорит микробный оборот почвы, что приведет к снижению микробной биомассы почвы [58]. Во-вторых, увеличение доступности азота в почве может подавлять активность почвенных ферментов и снижать скорость разложения подстилки [15, 59]. ДеФорест и др. [60] показали, что избыток NO 3 изменяет функцию микробного сообщества, регулируя активность ферментов, ответственных за деградацию целлюлозы и лигнина.Зогг и др. [61] также обнаружили, что антропогенный NO 3 потенциально может подавлять численность и активность грибов, разлагающих лигнин. В этом исследовании подавление выброса CO 2 за счет внесения азотных удобрений может объяснить более высокую концентрацию органического углерода в почве на участках с добавлением азота в насаждении лиственницы (таблица 1).

В нашем исследовании динамика азота в разлагающейся подстилке показала результирующую иммобилизацию азота после временного высвобождения азота, что согласуется с полевым исследованием Берга и Штаафа [62], которые признали, что динамика азота в разлагающейся подстилке включает три фазы начального выщелачивания. , чистая иммобилизация и чистая минерализация.Обычно чистая иммобилизация азота происходит, когда отношение C:N в подстилке выше 30, но минерализация чистого азота происходит, когда отношение C:N в подстилке ниже 30 [63]. В нашем исследовании соотношение C:N в подстилке в контрольном микрокосме и микрокосме с азотным удобрением составило 90,3 и 82,5 соответственно. Большая иммобилизация азота происходила в контрольных микрокосмах, что означает, что микробам в подстилке, собранной на контрольных участках, требуется больше экзогенного азота. Это может объяснить более низкую концентрацию неорганического азота в почве в CL2 по сравнению с NL2.

Имелись значительные взаимодействия между нормой внесения подстилки и внесением азотных удобрений на скорость выделения CO 2 , MBC в почве и концентрацию DIN в почве, что позволяет предположить, что влияние нормы добавления подстилки на баланс углерода в почве может Концентрации C и N при добавлении N. Мы заметили, что скорость высвобождения CO 2 была значительно ниже в NL4, чем в CL4, но не для других норм добавления подстилки, что могло вызвать повышенное связывание углерода в почве в NL4, но большую потерю почвенного углерода в CL4.Кроме того, мы обнаружили, что высокий пик выделения CO 2 в начале инкубации подстилки резко снизился на 14-й день измерения, что указывало на высокую микробную активность в первые 7 дней. Однако резкое снижение частоты дыхания (рис. 3) в первые две недели не означает, что микроб и его активность погибнут или прекратятся в очень короткие сроки из-за относительно постоянных уровней МБК в течение всего эксперимента (рис. 4). Этот первоначальный высокий пик выброса CO 2 может быть связан с тем, что увеличение легкодоступного органического углерода после поступления подстилки в почву ускоряет оборот бактериальной биомассы (r-стратеги-разрушители ФОС), вызывая очевидный эффект праймирования [64, 65].К сожалению, начальная фаза микробной реакции (0-14 дней) не была полностью отражена еженедельным измерением. Увеличение частоты дыхания на 42-й день для контроля и на 70-й день для азотного удобрения может быть вызвано реальным эффектом прайминга. Когда легкодоступный углерод истощается, микроорганизмы, которые преимущественно используют малодоступные субстраты (k-стратеги-разрушители SOC), стимулируются умирающими бактериями и их лизатами, что увеличивает разложение почвенного углерода и, таким образом, реальный праймирующий эффект [44, 64].Однако первое измерение CO 2 было проведено только на 7-й день и с длительным интервалом между каждыми двумя измерениями, поэтому кумулятивный выброс CO 2 может быть недооценен.

Еще одно предостережение заключается в том, что наш лабораторный эксперимент проводился в контролируемых условиях, сильно отличающихся от полевых условий. Действительно, в нашем исследовании было обнаружено, что концентрации неорганического азота увеличиваются с течением времени инкубации (рис. 5), что указывает на накопление доступного азота, возможно, из-за отсутствия выщелачивания в лабораторных микрокосмах.Высокие концентрации азота и низкая доступность углерода (в лесу не было обнаружено пополнения подстилки) в микрокосмах в течение времени инкубации могли ингибировать разложение [66]. Потеря массы лиственничного опада составила в среднем 33 % в микрокосмах за 270-дневную инкубацию, что эквивалентно периоду двухлетнего вегетационного периода в полевых условиях. Тем не менее, наш лабораторный эксперимент показал, что увеличение поступления подстилки может подавить потерю органического углерода в почве, особенно для микрокосмов с азотным удобрением, что объясняет более высокую концентрацию органического углерода в почве на участках с добавлением азота в плантации лиственницы (таблица 1).

В совокупности постоянное добавление азота может не только изменить количество и качество подстилки, контролируя разложение подстилки, но и изменить физико-химическую среду почвы, такую ​​как влажность почвы, рН почвы и доступность азота в почве. Все эти факторы играют важную роль в воздействии на почвенный углерод и круговорот питательных веществ (рис. 6), и их необходимо учитывать при попытке понять, как повышенное осаждение азота влияет на разложение подстилки и секвестрацию SOC.

Рис. 6. Потенциальные реакции круговорота углерода и питательных веществ в почве на изменения поступления подстилки при добавлении азота.

Зависимость между коэффициентом отклика каждого параметра и количеством подстилки указана в скобках. «+» указывает на положительную корреляцию; «-» указывает на отрицательную корреляцию; ns не имеет значения. MBC углерод микробной биомассы; MBN азот микробной биомассы; DOC растворенный органический углерод; DIN растворенный неорганический азот.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0144665.g006

Выводы

Наши результаты ясно продемонстрировали, что увеличение количества подстилки может подавить потерю органического углерода в почве, хотя как разложение подстилки, так и скорость выделения CO 2 увеличивались с увеличением поступления свежей опавшей листвы.Не было различий в скорости разложения подстилки между микрокосмами с азотным удобрением и контрольными микрокосмами, когда количество подстилки было выше, но скорость высвобождения CO 2 была значительно ниже в микрокосмах с азотным удобрением при всех нормах внесения подстилки из-за более низкой микробной биомассы почвы. Учитывая потенциальное увеличение поступления подстилки, вызванное повышенным осаждением азота, наши результаты показывают, что добавление азота может помочь уменьшить потери углерода из почвы. Кроме того, мы заметили, что добавление подстилки не увеличивало микробную биомассу, но увеличивало скорость разложения подстилки, что позволяет предположить, что микробная биомасса, вероятно, не является наиболее важным регулятором минерализации углерода в условиях более высокого количества подстилки.Чтобы лучше понять влияние увеличения поступления подстилки на динамику углерода и азота в почве, необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, как сдвиги в подстилке влияют на структуру и стехиометрию микробного сообщества, а также обратную связь для изменения разложения подстилки, вызывающего стабилизацию органического вещества в лесной почве.

Благодарности

Мы благодарим доктора. Zhengquan Wang и Jiacun Gu из Школы лесного хозяйства Северо-восточного университета лесного хозяйства в качестве полевого помощника, а также выражают благодарность Маоэршаньской лесной исследовательской станции Северо-восточного университета лесного хозяйства за разрешение на доступ к участку исследования.Мы высоко ценим конструктивные предложения и комментарии от Drs. Такеши Мики (академический редактор) и Паоло Наннипьери и два других рецензента.

Авторские взносы

Задумал и спроектировал эксперименты: HCL DHZ. Выполняли опыты: HCL. Проанализированы данные: HCL YLH DHZ. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: DHZ QZ. Написал статью: HCL YLH RM QZ DHZ.

Каталожные номера

  1. 1. Galloway JN, Townsend AR, Erisman JW, Bekunda M, Cai Z, Freney JR, et al.Трансформация азотного цикла: последние тенденции, вопросы и потенциальные решения. Наука. 2008; 320:889–892. пмид:18487183
  2. 2. Пенуэлас Дж., Сарданс Дж., Ривас-Убах А., Янссенс И.А. Вызванный деятельностью человека дисбаланс между C, N и P в системе жизни Земли. Глобальные изменения биол. 2012;18:3–6.
  3. 3. Пиндер Р.В., Дэвидсон Э.А., Гудейл К.Л., Гривер Т.Л., Херрик Д.Д., Лю Л. Влияние реактивного азота США на изменение климата. Труды Национальной академии наук.2012;109:7671–7675.
  4. 4. Лю С., Чжан Ю., Хань В., Тан А., Шен Дж., Цуй З. и др. Повышенное осаждение азота над Китаем. Природа. 2013; 494:459–462. пмид:23426264
  5. 5. Tian XF, Hu HW, Ding Q, Song MH, Xu XL, Zheng Y и др. Влияние азотных удобрений на содержание окислителя и денитрификатора аммиака в почве, микробную биомассу и активность ферментов на альпийском лугу. Биол Плодородные почвы. 2014;50:703–713.
  6. 6. Лю Л., Гривер Т.Л.Глобальная перспектива динамики подземного углерода при обогащении азотом. Эколь Летт. 2010;13:819–828. пмид:20482580
  7. 7. Adair EC, Reich PB, Hobbie SE, Knops JM. Интерактивное влияние времени, CO 2 , N и разнообразия на общее распределение углерода под землей и хранение углерода в экосистеме пастбищного сообщества. Экосистемы. 2009; 12:1037–1052.
  8. 8. Де Дейн ГБ, Корнелиссен Дж. Х., Барджетт Р. Д. Функциональные признаки растений и связывание углерода почвой в контрастных биомах.Эколь Летт. 2008; 11: 516–531. пмид:18279352
  9. 9. Wang Q, Wang Y, Wang S, He T, Liu L. Поступление свежего углерода и азота изменяет минерализацию органического углерода и микробное сообщество в глубоких слоях почвы леса. Почва Биол Биохим. 2014;72:145–151.
  10. 10. Du Y, Guo P, Liu J, Wang C, Yang N, Jiao Z. Различные типы осаждения азота демонстрируют различное влияние на процесс углеродного цикла почвы в лесах умеренного пояса. Глобальные изменения биол. 2014;20:3222–3228.
  11. 11.Фрей С., Оллингер С., Надельхоффер К., Боуден Р., Бжостек Э., Бертон А. и др. Постоянные добавки азота подавляют разложение и секвестрируют почвенный углерод в лесах умеренного пояса. Биогеохимия. 2014; 121:305–316.
  12. 12. Janssens I, Dieleman W, Luyssaert S, Subke J-A, Reichstein M, Ceulemans R, et al. Снижение дыхания лесной почвы в ответ на осаждение азота. Нат Геоски. 2010;3:315–322.
  13. 13. Хобби СЭ. Контрастное влияние азота субстрата и удобрения на ранние стадии разложения подстилки.Экосистемы. 2005; 8: 644–656.
  14. 14. Мао Р., Сун К.С., Чжан С.Х., Ван С.В., Чжан Ч.Х. Реакция резорбции питательных веществ листьями, оболочками и стеблями на 7-летнее добавление N в пресноводных водно-болотных угодьях Северо-Восточного Китая. Растительная почва. 2013; 364:385–394.
  15. 15. Хобби СЭ. Влияние азота на разложение: пятилетний эксперимент на восьми участках с умеренным климатом. Экология. 2008; 89: 2633–2644. пмид:18831184
  16. 16. Ловетт Г.М., Артур М.А., Уэзерс К.С., Фитцхью Р.Д., Темплер Р.Х.Добавление азота увеличивает накопление углерода в почве, но не в деревьях в лиственных лесах на востоке США. Экосистемы. 2013;16:980–1001.
  17. 17. Кнорр М., Фрей С., Кертис П. Добавление азота и разложение подстилки: метаанализ. Экология. 2005; 86: 3252–3257.
  18. 18. Гарденас А.И., Огрен Г.И., Берд Дж.А., Клархольм М., Халлин С., Инесон П. и др. Пробелы в знаниях о взаимодействии углерода и азота в почве – от молекулярного до глобального масштаба. Почва Биол Биохим. 2011;43:702–717.
  19. 19. King JS, Kubiske ME, Pregitzer KS, Hendrey GR, McDonald EP, Giardina CP, et al. Tropospheric O 3 снижает чистую первичную продукцию в молодых насаждениях осины дрожащей, березы бумажной и сахарного клена в ответ на повышенный уровень CO 2 в атмосфере. Новый Фитол. 2005; 168: 623–636. пмид:16313645
  20. 20. ЛеБауэр Д.С., Треседер К.К. Азотное ограничение чистой первичной продуктивности в наземных экосистемах носит глобальный характер. Экология.2008; 89: 371–379. пмид:18409427
  21. 21. Чен Х., Гурмеса Г.А., Лю Л., Чжан Т., Фу С., Лю З. и др. Влияние манипуляций с подстилкой на разложение подстилки в сукцессионных градиентах тропических лесов на юге Китая. ПЛОС ОДИН. 2014;9(6):e99018. пмид:248
  22. 22. Xiao CW, Guenet B, Zhou Y, Su JQ, Janssens IA. Прайминг разложения органического вещества почвы линейно зависит от реакции микробной биомассы на попадание подстилки в степную растительность. Ойкос. 2015 г.; 124:649–657.
  23. 23. Джардина С.П., Бинкли Д., Райан М.Г., Фаунс Дж.Х., Сенок Р.С. Круговорот углерода под землей во влажных тропических лесах уменьшается с внесением удобрений. Экология. 2004; 139: 545–550. пмид:15071736
  24. 24. Фонтейн С., Барду Г., Аббади Л., Мариотти А. Поступление углерода в почву может снизить содержание углерода в почве. Эколь Летт. 2004; 7: 314–320.
  25. 25. Лефф Дж.В., Видер В.Р., Тейлор П.Г., Таунсенд А.Р., Немергут Д.Р., Гранди А.С. и др. Экспериментальные манипуляции с опадом вызывают большие и быстрые изменения в круговороте углерода в почве во влажном тропическом лесу.Глобальные изменения биол. 2012;18:2969–2679.
  26. 26. Сэйер Э.Дж., Хёрд М.С., Грант Х.К., Мартьюз Т.Р., Таннер Э.В. Высвобождение почвенного углерода усиливается за счет увеличения опада в тропических лесах. Нат Клим Смена. 2011; 1:304–307.
  27. 27. Ху Ю.Л., Цзэн Д.Х., Лю Ю.С., Чжан Ю.Л., Чен Ч.Х., Ван З.К. Реакция химических и биологических свойств почвы на внесение азота в насаждении даурской лиственницы в Северо-Восточном Китае. Растительная почва. 2010; 333:81–92.
  28. 28. Цзя С., Ван З., Ли С., Сунь Ю., Чжан С., Лян А.Внесение азотных удобрений влияет на дыхание почвы, микробную биомассу и дыхание корней на плантациях Larix gmelinii и Fraxinus mandshurica в Китае. Растительная почва. 2010; 333:325–336.
  29. 29. Ван З., Го Д., Ван С., Гу Дж., Мэй Л. Тонкая корневая архитектура, морфология и биомасса разных порядков ветвей двух китайских видов деревьев умеренного пояса. Растительная почва. 2006; 288:155–171.
  30. 30. Рабочая группа IUSS W. Всемирная справочная база почвенных ресурсов.Отчет о мировых почвенных ресурсах. 2006; 103. ФАО, Рим.
  31. 31. Нельсон Д.В., Соммерс Л.Е. Общий углерод, органический углерод и органическое вещество. В кн.: Методы анализа почв: Часть 3 Химические методы. Общество почвоведов Америки, Inc. и Американское общество агрономии, Inc. Мэдисон, Висконсин, США. 1996: 961–1010.
  32. 32. Бремнер Дж. Азот – общий. В кн.: Методы анализа почв: Часть 3 Химические методы. Общество почвоведов Америки, Inc. и Американское общество агрономии, Inc.Мэдисон, Висконсин, США. 1996: 1085–1121.
  33. 33. Иияма К., Уоллис А.Ф. Определение лигнина в травянистых растениях по усовершенствованной методике с бромистым ацетилом. J Sci Food Agr. 1990; 51: 145–161.
  34. 34. Апдеграф Дм. Полумикроопределение целлюлозы в биологических материалах. Анальная биохимия. 1969; 32: 420–424. пмид:5361396
  35. 35. Waterman PG, Mole S. Анализ фенольных метаболитов растений: Blackwell Scientific; 1994.
  36. 36. Вэнс Э., Брукс П., Дженкинсон Д.Экстракционный метод измерения микробной биомассы почвы C. Soil Biol Biochem. 1987; 19: 703–707.
  37. 37. Brookes PC, Landman A, Pruden G, Jenkinson D. Фумигация хлороформом и высвобождение почвенного азота: метод быстрой прямой экстракции для измерения азота микробной биомассы в почве. Почва Биол Биохим. 1985; 17: 837–842.
  38. 38. Wu J, Liu Z, Wang X, Sun Y, Zhou L, Lin Y и др. Влияние удаления подлеска и пояса деревьев на состав микробного сообщества почвы и разложение подстилки на двух плантациях эвкалипта в Южном Китае.Функция Экол. 2011;25:921–931.
  39. 39. Робертсон Г.П., Ведин Д., Гроффман П., Блэр Дж., Холланд Э., Недельхоффер К. и др. Доступность почвенного углерода и азота. Минерализация азота, нитрификация и потенциал дыхания почвы. Стандартные почвенные методы длительных экологических исследований. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк, 1999: 258–271.
  40. 40. Лю Л.Л., Кинг Дж.С., Букер Ф.Л., Джардина С.П., Ли Аллен Х., Ху С.Дж. Повышенное поступление подстилки, а не изменения в химическом составе подстилки, определяют циклы углерода и азота в почве при повышенном уровне CO 2 : исследование в микрокосме.Глобальные изменения биол. 2009; 15:441–453.
  41. 41. Бучковски Р.В., Шмитц О.Дж., Брэдфорд М.А. Микробная стехиометрия важнее биомассы как регулятора круговорота углерода и азота в почве. Экология. 2015;96:1139–1149. пмид:26230033
  42. 42. Дрейк Дж. Э., Дарби Б. А., Гиассон М. А., Крамер М. А., Филлипс Р. П., Финци А. С. Стехиометрия ограничивает реакцию микробов на корневую экссудацию — выводы из модели и полевого эксперимента в лесу с умеренным климатом. Биогеонауки. 2013; 10:821–838.
  43. 43. Шимель Дж. П., Вайнтрауб М. Н. Влияние экзоферментной активности на микробное ограничение углерода и азота в почве: теоретическая модель. Почва Биол Биохим. 2003; 35: 549–563.
  44. 44. Фонтейн С., Мариотти А., Аббади Л. Первичный эффект органического вещества: вопрос микробной конкуренции? Почва Биол Биохим. 2003; 35: 837–843.
  45. 45. Кузяков Ю.Г. Прайминг-эффекты: взаимодействие живой и мертвой органики. Почва Биол Биохим.2010;42:1363–1371.
  46. 46. Берг Б., Ласковски Р. Редуценты: почвенные микроорганизмы и животные. Adv Ecol Res. 2005; 38: 73–100.
  47. 47. Де Нобили М., Контин М., Мондини С., Брукс П. Почвенная микробная биомасса активизируется следовыми количествами субстрата. Почва Биол Биохим. 2001; 33: 1163–1170.
  48. 48. Кузяков Ю., Бол Р. Источники и механизмы праймирующего эффекта, вызванного двумя пастбищными почвами с добавлением навозной жижи и сахара. Почва Биол Биохим.2006; 38: 747–758.
  49. 49. Стернер Р.В., Эльзер Дж.Дж. Экологическая стехиометрия: биология элементов от молекул до биосферы: издательство Принстонского университета; 2002.
  50. 50. Каррейро М., Синсабо Р., Реперт Д., Паркхерст Д. Сдвиг микробных ферментов объясняет реакцию разложения подстилки на моделируемое осаждение азота. Экология. 2000; 81: 2359–2365.
  51. 51. Куто М.М., Боттнер П., Берг Б. Разложение подстилки, климат и качество литров. Тенденции Экол Эвол.1995; 10: 63–66. пмид:21236954
  52. 52. Прескотт С. Влияет ли доступность азота на скорость разложения подстилки в лесах? Поглощение питательных веществ и круговорот в лесных экосистемах: Springer, Нидерланды; 1995. с. 83–88.
  53. 53. Vitousek PM, Aber JD, Howarth RW, Likens GE, Matson PA, Schindler DW, et al. Антропогенное изменение глобального азотного цикла: источники и последствия. Экологический Appl. 1997; 7: 737–750.
  54. 54. Макклогерти К.А., Пастор Дж., Абер Д.Д., Мелилло Д.М.Разложение лесной подстилки в зависимости от динамики азота в почве и качества подстилки. Экология. 1985: 266–275.
  55. 55. Мелилло Дж. М., Абер Дж. Д., Мураторе Дж. Ф. Азот и лигнин контролируют динамику разложения древесного опада лиственных пород. Экология. 1982; 63: 621–626.
  56. 56. Треседер КК. Добавление азота и микробная биомасса: метаанализ исследований экосистем. Эколь письмо. 2008; 11:1111–1120. пмид:18673384
  57. 57. Демолинг Ф., Ола Нильссон Л., Боат Э.Бактериальная и грибковая реакция на азотные удобрения в трех почвах хвойного леса. Почва Биол Биохим. 2008;40:370–379.
  58. 58. Уордл Д.А. Контроль временной изменчивости микробной биомассы почвы: синтез глобального масштаба. Почва Биол Биохим. 1998; 30:1627–1637.
  59. 59. Прегитцер К.С., Бертон А.Дж., Зак Д.Р., Тальхельм А.Ф. Моделирование хронического осаждения азота увеличивает накопление углерода в северных лесах умеренного пояса. Глобальные изменения биол. 2008; 14:142–153.
  60. 60. ДеФорест Дж. Л., Зак Д. Р., Прегитцер К. С., Бертон А. Дж. Отложение нитратов в атмосфере, состав микробного сообщества и активность ферментов в северных лиственных лесах. Soc Am J 2004 г.; 68:132–138
  61. 61. Зогг Г.П., Зак Д.Р., Прегитцер К.С., Бертон А.Дж. Иммобилизация микробов и удержание антропогенных нитратов в северном лиственном лесу. Экология. 2000: 1858–1866.
  62. 62. Берг Б., Стааф Х. Скорость разложения и химические изменения подстилки из иголок сосны обыкновенной.II. Влияние химического состава. Эколь Булл. 1980: 373–390.
  63. 63. Ведин Д.А., редактор Доступность азота, обратная связь между растениями и почвой и стабильность пастбищ. Материалы VI Международного конгресса пастбищных угодий «Люди и пастбищные угодья строят будущее» Таунсвилл, Австралия; 1999.
  64. 64. Благодатская Е.В., Благодатский С.А., Андерсон Т.Х., Кузяков Ю.В. Прайминг-эффекты в черноземах, индуцированные глюкозой и азотом, в связи со стратегиями микробного роста. Прил. Экология почвы.2007; 37: 95–105.
  65. 65. Ноттингем А.Т., Гриффитс Х., Чемберлен П.М., Стотт А.В., Таннер Э.В.Дж. Грунтование почвы субстратами из сахара и листового опада: связь с микробными группами. Прил. Экология почвы. 2009;42:183–190.
  66. 66. Фогг К. Влияние добавленного азота на скорость разложения органического вещества. Биол Rev. 1988; 63: 433–472.

Переработка мертвых | Новости науки для студентов

В конце концов все живые существа умирают.И за исключением очень редких случаев, все эти мертвые вещи сгниют. Но это еще не конец. То, что гниет, станет частью чего-то другого.

Так перерабатывается природа. Подобно тому, как смерть знаменует собой конец старой жизни, вскоре последующий распад и разложение дают материал для новой жизни.

«Разложение разлагает мертвые тела», — объясняет Энн Прингл. Она биолог из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс,

.

Педагоги и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Когда какой-либо организм умирает, грибки и бактерии начинают его разрушать. Иными словами, они разлагают вещи. (Это зеркальное отражение сочинения, когда что-то создается.) Некоторые редуценты живут в листьях или болтаются в кишках мертвых животных. Эти грибы и бактерии действуют как встроенные деструкторы.

Этот ярко окрашенный гриб — один из тысяч организмов-разрушителей, работающих в лесу, окружающем озеро Франк в штате Мэриленд. Грибы выделяют ферменты, расщепляющие питательные вещества древесины.Затем грибы могут поглощать эти питательные вещества. Кэтиэнн М. Ковальски. Вскоре к ним присоединятся другие разлагатели. Почва содержит тысячи видов одноклеточных грибов и бактерий, которые разлагают вещи. Грибы и другие многоклеточные грибы тоже могут вмешаться. Так могут насекомые, черви и другие беспозвоночные.

Да, гниение может быть противным и отвратительным. Тем не менее, это жизненно важно. Разложение помогает фермерам, сохраняет здоровье леса и даже помогает производить биотопливо. Вот почему так много ученых интересуется распадом, в том числе тем, как на него могут повлиять изменение климата и загрязнение.

Добро пожаловать в мир гнили.

Зачем нужна гниль

Разложение — это не просто конец всего. Это тоже начало. Без разложения никто из нас не существовал бы.

«Жизнь закончилась бы без гниения», — замечает Кнут Надельхоффер. Он эколог из Мичиганского университета в Анн-Арборе. «При разложении высвобождаются химические вещества, которые имеют решающее значение для жизни». Разлагатели добывают их из мертвых, чтобы эти переработанные материалы могли кормить живых.

В круговороте углерода редуценты расщепляют мертвый материал растений и других организмов и выделяют углекислый газ в атмосферу, где он доступен растениям для фотосинтеза. М. Мэйс, Oak Ridge Nat’l. лаборатория Самое важное, что перерабатывается гниением, — это элемент углерода. Этот химический элемент является физической основой всего живого на Земле. После смерти при разложении углерод выделяется в воздух, почву и воду. Живые существа захватывают этот освобожденный углерод, чтобы строить новую жизнь.Все это часть того, что ученые называют углеродный цикл .

«Углеродный цикл действительно связан с жизнью и смертью, — отмечает Мелани Мэйс. Она геолог и почвовед в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.

Круговорот углерода начинается с растений. При наличии солнечного света зеленые растения соединяют углекислый газ из воздуха с водой. Этот процесс, называемый фотосинтезом, создает простую сахарную глюкозу. Он состоит не более чем из углерода, кислорода и водорода в этих исходных материалах.

Растения используют глюкозу и другие сахара для роста и обеспечения всей своей деятельности, от дыхания и роста до размножения. Когда растения умирают, углерод и другие питательные вещества остаются в их волокнах. Стебли, корни, древесина, кора и листья содержат эти волокна.

«Ткань» растений

«Думайте о листе как о куске ткани», — говорит Джефф Бланшар. Этот биолог работает в Массачусетском университете — или UMass — в Амхерсте. Ткань соткана из разных нитей, и каждая нить состоит из волокон, скрученных вместе.

Здесь Мэри Хаген изучает почвенные микробы, которые разлагают растительный материал в отсутствие кислорода. Для этого она использует специальную бескислородную камеру в Массачусетском университете в Амхерсте. Фото предоставлено Джеффри Бланшаром, UMass Amherst. Точно так же стенки каждой растительной клетки содержат волокна, состоящие из разного количества углерода, водорода и кислорода. Эти волокна представляют собой гемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин. Гемицеллюлоза самая мягкая. Целлюлоза прочнее. Лигнин самый прочный из всех.

Когда растение погибает, микробы и даже более крупные грибы разрушают эти волокна.Они делают это, высвобождая ферменты. Ферменты — это молекулы, вырабатываемые живыми существами, которые ускоряют химические реакции. Здесь различные ферменты помогают разорвать химические связи, которые скрепляют молекулы волокон. При разрыве этих связей высвобождаются питательные вещества, в том числе глюкоза.

«Целлюлоза — это, по сути, кольца глюкозы, которые связаны друг с другом», — объясняет Мэйс. Во время разложения ферменты прикрепляются к целлюлозе и разрывают связь между двумя молекулами глюкозы. «Изолированная молекула глюкозы может быть использована в качестве пищи», — объясняет она.

Организм-разрушитель может использовать этот сахар для роста, размножения и других действий. По пути он выпускает углекислый газ обратно в воздух в виде отходов. Это отправляет углерод обратно для повторного использования в рамках этого бесконечного углеродного цикла.

Но углерод — далеко не единственное, что перерабатывается таким образом. Гниль также выделяет азот, фосфор и около двух десятков других питательных веществ. Живые существа нуждаются в них, чтобы расти и процветать.

Один из способов, с помощью которого ученые изучают разложение в Гарвардском лесу в Массачусетсе, заключается в том, что они закапывают деревянные блоки в почву и смотрят, сколько времени требуется, чтобы они сгнили и исчезли.Аликс Контоста, Университет Нью-Гэмпшира
ГРЯЗЬ при распаде

Мир был бы совсем другим, если бы скорость разложения вещей изменилась. Чтобы выяснить, насколько они разные, Надельхоффер и другие ученые исследуют гниль в лесах по всему миру. Исследовательские объекты включают Мичиганскую биологическую станцию ​​в Анн-Арборе и Гарвардский лес недалеко от Петершема, штат Массачусетс,

.

Они называют одну серию этих экспериментов ГРЯЗЬЮ. Это означает лечение ввода и удаления детрита.Детрит — это мусор. В лесу это листья, которые падают и засоряют землю. Ученые из команды DIRT добавляют или удаляют опавшие листья из определенных частей леса.

«Каждый год осенью мы убираем весь мусор с экспериментального участка и помещаем его на другой участок, — объясняет Надельхоффер. Затем исследователи измеряют, что происходит с каждым участком.

Со временем малолиственные лесные почвы претерпевают ряд изменений. Ученые называют богатые углеродом материалы, выделяемые когда-то живыми организмами, органическими веществами .Почвы, лишенные опавших листьев, содержат меньше органического вещества. Это потому, что больше нет разлагающихся листьев, которые могли бы поставлять углерод, азот, фосфор и другие питательные вещества. Почвы, лишенные опавших листьев, хуже возвращают растениям питательные вещества. Типы присутствующих микробов и количество каждого из них также меняются.

Между тем, лесные почвы, получившие бонусную листву, становятся более плодородными. Некоторые фермеры используют ту же идею. Паша означает вспашку. При нулевой обработке земли производители просто оставляют стебли растений и другой мусор на своих полях, вместо того, чтобы вспахивать их после сбора урожая.Поскольку при вспашке часть почвенного углерода может попасть в воздух, нулевая обработка почвы может сделать почву более плодородной или богатой углеродом.

Целью нулевой обработки почвы является повышение плодородия почвы за счет разложения растительных отходов в почве. Дэйв Кларк, Министерство сельского хозяйства США, Служба сельскохозяйственных исследований По мере гниения обломков большая часть углерода возвращается в воздух в виде углекислого газа. «Но часть его — наряду с азотом и другими элементами, необходимыми для поддержания роста растений, — остается в почве и делает ее более плодородной», — объясняет Надельхоффер.

В результате фермерам не нужно столько пахать и вносить удобрения. Это может уменьшить эрозию почвы и поверхностный сток. Меньший сток означает, что почвы теряют меньше питательных веществ. А это значит, что эти питательные вещества также не будут загрязнять озера, ручьи и реки.

Нагрев

Во всем мире проводится гораздо более масштабный эксперимент. Ученые называют это изменением климата. К 2100 году средняя глобальная температура, вероятно, повысится на 2–5° по Цельсию (4–9° по Фаренгейту).Большая часть этого увеличения приходится на людей, сжигающих нефть, уголь и другие ископаемые виды топлива. Это горение добавляет в воздух углекислый газ и другие газы. Подобно окну теплицы, эти газы удерживают тепло у поверхности Земли, чтобы оно не улетучивалось в космос.

Пока неясно, как растущая лихорадка на Земле повлияет на скорость разложения вещей. Это сводится к чему-то, что называется отзывов . Обратные связи — это внешние изменения процесса, такого как глобальное потепление. Обратная связь может либо увеличить, либо уменьшить скорость, с которой происходят некоторые изменения.

Например, более высокие температуры могут привести к большему разложению. Это потому, что дополнительное тепло «вводит больше энергии в систему», — говорит Мэйс из Ок-Риджа. В целом, объясняет она, «повышение температуры приводит к более быстрому протеканию реакций».

Разложившиеся листья, древесина и другие органические материалы придают темный цвет этой пробке почвы, называемой сердцевиной, извлеченной из болотистой части Гарвардского леса. Различные участки леса позволяют ученым изучать, как изменение климата, загрязнение и другие факторы влияют на гниение.Кэтиэнн М. Ковальски

И если изменение климата ускорит гниение, оно также ускорит и то, как быстро в атмосферу попадет больше углекислого газа. «Больше углекислого газа — больше тепла», — отмечает Серита Фрей. Она биолог из Университета Нью-Гэмпшира в Дареме. И теперь развивается цикл обратной связи. «Большее потепление приводит к большему количеству углекислого газа, что приводит к большему потеплению и так далее».

На самом деле ситуация сложнее, предупреждает Мэйс. «По мере повышения температуры сами микробы становятся менее эффективными», — говорит она.«Они должны больше работать, чтобы делать то же самое». Подумайте о том, как работа во дворе требует больше усилий в жаркий и влажный полдень.

Чтобы узнать больше, Мэйс, Ганшэн Ван и другие исследователи почв из Национальной лаборатории Ок-Ридж создали компьютерную программу для моделирования того, как глобальное потепление и другие аспекты изменения климата повлияют на скорость, с которой разлагаются мертвые тела. Виртуальный мир модели позволяет им проверить, как разные сценарии могут привести к разным темпам гниения в реальном мире.

Они опубликовали последующее исследование в феврале 2014 года PLOS ONE . Этот анализ учитывал те периоды года, когда микробы находятся в спящем или неактивном состоянии. И здесь модель не предсказывала, что обратная связь приведет к увеличению выбросов углекислого газа, как это было в других моделях. Похоже, что через несколько лет микробы могут просто приспособиться к более высоким температурам, объясняет Мэйс. Также возможно, что другие микробы могут взять верх. Проще говоря: предсказать будущие последствия сложно.

Преувеличение влияния климата в полевых условиях

Эксперименты на открытом воздухе дают больше информации. В Гарвардском лесу ученые не ждут, пока в мире станет теплее. Вот уже более двух десятилетий местные специалисты используют подземные электрические катушки для искусственного прогрева определенных участков почвы.

«Потепление увеличивает микробную активность в лесу, в результате чего больше углекислого газа возвращается в атмосферу», — говорит Бланшар, биолог из Университета Массачусетса.Чем больше углерода попадает в воздух, тем меньше его остается в верхнем слое почвы. И там растут растения. «Этот органический слой наверху уменьшился примерно на треть за последние 25 лет нашего эксперимента по потеплению».

Воздействие этого снижения содержания углерода на плодородие почвы может быть огромным, говорит Бланшар. «Это изменит конкуренцию среди растений». Те, кому нужно больше углерода, могут быть вытеснены теми, кто этого не делает.

Подземные кабели нагревают почву круглый год на тестовых участках в Гарвардском лесу.Поддержание температуры почвы на 5 °C (9 °F) градусов на некоторых участках позволяет ученым изучать, как изменение климата может повлиять на разложение и рост организмов — и как каждый из них, в свою очередь, может повлиять на изменение климата. Кэтиэнн М. Ковальски

Однако сжигание ископаемого топлива связано не только с выбросом углекислого газа и потеплением. Он также добавляет соединения азота в воздух. В конце концов, азот падает обратно на Землю в виде дождя, снега или пыли.

Азот входит в состав многих удобрений. Но так же, как слишком много мороженого может вызвать у вас тошноту, слишком много удобрений вредно.Это особенно верно во многих районах вблизи больших городов и промышленных зон (например, там, где растет Гарвардский лес).

В некоторых из этих районов ежегодно в почву добавляется от 10 до 1000 раз больше азота, чем в 1750-х годах. Именно тогда началась промышленная революция, положившая начало интенсивному использованию ископаемого топлива, которое продолжается и сегодня. Результат: содержание азота в почве продолжает расти.

«Почвенные организмы не приспособлены к таким условиям», — говорит Фрей из Университета Нью-Гемпшира.«По причинам, которые мы все еще пытаемся понять, [слишком много азота] замедляет способность почвенных микробов разлагать органическое вещество».

Более высокие уровни азота, по-видимому, снижают способность микробов производить ферменты, необходимые для разрушения мертвых тканей. В результате растительный мусор на лесной подстилке будет перерабатываться медленнее. Это может повлиять на общее состояние живых деревьев и других растений в этом районе.

«Если эти питательные вещества все еще заперты в этом материале, то эти питательные вещества недоступны для растений», — говорит Фрей.Сосны в одном тестовом районе Гарвардского леса фактически погибли от слишком большого количества добавленного азота. «Это во многом связано с тем, что происходило с почвенными организмами».

Прингл из Гарварда соглашается. По ее словам, слишком много азота замедляет разложение в краткосрочной перспективе. «Неясно, верно ли это в более длительных масштабах времени», — добавляет она. Еще один открытый вопрос: как изменятся грибковые сообщества? Во многих районах грибы разрушают большую часть лигнина в древесных частях растений.

Топливо для размышлений

Наука о гниении так же важна для транспорта, как и для деревьев.На самом деле, гниение является ключом к лучшему биотопливу. Сегодня основным биотопливом является этанол, также известный как зерновой спирт. Этанол обычно производится из сахаров, полученных из кукурузы, тростникового сахара и других растений.

Мэри Хаген из Массачусетского университета в Амхерсте держит два микрокосма. Миниатюрные экосистемы используются для выращивания почвенных микробов в лаборатории. Микробы, которые могут лучше всего разлагать измельченный растительный материал в бутылках, растут быстрее всего и становятся возможными кандидатами для исследований в области биотоплива.Фото предоставлено Джеффри Бланшаром, UMass Amherst. Отходы сельскохозяйственных культур, в том числе стебли кукурузы, могут быть одним из источников этанола. Но сначала вы должны расщепить эти древесные волокна, чтобы получить глюкозу. Если процесс слишком сложен или дорог, никто не предпочтет его более загрязняющим окружающую среду бензину или дизельному топливу, полученному из сырой нефти.

Rot — это природный способ расщепления древесных волокон для получения глюкозы. Вот почему ученые и инженеры хотят подключиться к этому процессу. Это может помочь им сделать биотопливо дешевле.И они хотят использовать в качестве растительного сырья гораздо больше, чем стебли кукурузы. Они также хотят упростить процесс производства биотоплива.

«Если вы хотите производить топливо из растительного сырья, оно должно быть действительно эффективным и дешевым», — объясняет Кристен ДеАнджелис. Она биолог из Университета Массачусетса в Амхерсте. Эти цели привели ученых к поиску бактерий, способных быстро и надежно разрушать растительный материал.

Одним из многообещающих кандидатов является Clostridium phytofermentans (Claw-STRIH-dee-um FY-toh-fur-MEN-tanz).Ученые обнаружили эту бактерию, живущую недалеко от водохранилища Куаббин, к востоку от Амхерста, штат Массачусетс. В ходе одноэтапного процесса этот микроб может расщеплять гемицеллюлозу и целлюлозу до этанола. Бланшар и другие сотрудники Университета Массачусетса в Амхерсте недавно нашли способы ускорить рост бактерии. Это также ускорит его способность разрушать растительные материалы. Их выводы появились в отчете PLOS ONE за январь 2014 года.

Тем временем на средства Министерства энергетики США ДеАнджелис и другие ученые охотятся за бактериями, разрушающими лигнин.Разрушение лигнина может открыть возможности для использования более древесных растений в качестве биотоплива. Это также может позволить фабрикам превращать другие типы растений в биотопливо, производя при этом меньше отходов.

Грибы обычно разлагают лигнин в лесах умеренного пояса, например, на большей части территории Соединенных Штатов. Однако эти грибы не будут хорошо работать на заводах по производству биотоплива. Выращивание грибов в промышленных масштабах слишком дорого и сложно.

Исследователи Джефф Бланчард и Келли Хаас держат чашки Петри с почвенными бактериями.Выделение различных бактерий позволяет исследователям из Университета Массачусетса в Амхерсте анализировать их гены и другие свойства. Фото предоставлено Джеффри Бланшаром, UMass Amherst. Это побудило ученых искать бактерии в другом месте. И они нашли одного нового кандидата в тропических лесах Пуэрто-Рико. Эти бактерии не просто съели лигнин, отмечает ДеАнджелис. — Они тоже дышали этим. Это означает, что бактерии не просто получают сахара из лигнина. Микробы также используют лигнин для производства энергии из этих сахаров в процессе, называемом дыханием.У людей, например, для этого процесса требуется кислород. Ее команда опубликовала свои выводы о бактериях в выпуске журнала от 18 сентября 2013 года. Границы микробиологии .
Гниль и ты

Разложение происходит не только в лесах, фермах и фабриках. Разложение происходит вокруг нас — и внутри нас. Например, ученые продолжают узнавать больше о решающей роли кишечных микробов в переваривании пищи, которую мы едим.

«Еще многое предстоит сделать, — говорит ДеАнджелис.«Существует так много микробов, которые делают всякие сумасшедшие вещи».

Вы можете экспериментировать и с гнилой наукой. «Начните с добавления кухонных и дворовых отходов в компостную кучу на заднем дворе», — предлагает Надельхоффер. Всего за несколько месяцев разложение превратит этот мертвый растительный материал в плодородный гумус. Затем вы можете разложить его на лужайке или в саду, чтобы стимулировать новый рост.

Ура распаду!

 

Word Find (нажмите здесь, чтобы увеличить для печати)

Реакция может протекать в обоих направлениях.Химическое равновесие константа K определена для описания поведения реакции. Спросить возрастает, равновесие реакции смещается вправо, т. продукция производится. Константа равновесия обратной реакции влево — величина, обратная K для прямой реакции. Равновесие константа K может быть связана с парциальным давлением реагентов и товары. Для следующей реакции K эквивалентен:

Где:

v A , v B , v C , v D = молярные коэффициенты

Парциальное давление, p i , определяется как парциальное давление компонента по отношению к общему давлению.Например, частичное давление для компонента А будет:

Где р — общее давление реакции.

Диссоциация диоксида углерода

Рассмотрим диссоциацию углекислого газа. Для реального случая, не весь углекислый газ расщепляется до монооксида углерода и кислород. Если x — количество молей углекислого газа, которые диссоциируют, реакцию можно переписать как:


Тогда парциальные давления можно определить как:

Константа равновесия может быть найдена равной следующему после некоторого алгебраические операции:


Как только K определено, можно решить x.Константа равновесия K равна сильная функция температуры. С повышением температуры К увеличивается также. Константу равновесия можно связать с функцией Гиббса компонентов.

Где :

R = универсальная газовая постоянная
T = температура реакции

Функция Гибба эквивалентна:

Значения K были сведены в таблицу для нескольких реакций при различных температурах.Эти значения исходят из приведенных выше соотношений, которые определяются статическими термодинамика. Процесс слишком затянут, чтобы перейти к выводу здесь. Для дальнейшего объяснения см. Основы статистической термодинамики , Р.Э. Зоннтаг и Г.Дж. Ван Вилен, глава одиннадцатая.

Следующий апплет определил результирующий молярный и массовый состав продуктов в зависимости от температуры и давления реакции. кликните сюда для просмотра апплета: Диссоциация СО2 .

Диссоциация двухатомного азота

Та же процедура может быть использована для определения молярных количеств диссоциация двухатомного азота до закиси азота NO. Настоящий реакция дана:

Парциальное давление:


Константу равновесия можно определить равной:

Где x можно легко найти:

Этот второй апплет определяет молярные и массовые количества продуктов: Диссоциация двухатомного азота .

Разложение диоксида углерода в трехходовом проточном нетепловом плазменном реакторе DBD

Aresta, M., 2010. Двуокись углерода как химическое сырье, John Wiley and Sons, глава 10, стр. 267-290 http://dx.doi.org/10.1002/9783527629916

Bismo, S., 2000. Aspek Produktivitas Generator Ozon Bertekanan Berdasarkan Pola Aliran Gas Umpan yang Melewati Elektroda Koaksial, Jurnal Teknologi, Edisi khusus No 1, Teknik kimia dan proses, Tahun XVIII, pp.46-51 (на бахасе)

Gallon, HJ, 2010. Сухой риформинг метана с использованием нетермического плазменного катализа. Диссертация на соискание степени доктора философии в Школе химии, факультет инженерных и физических наук, Манчестерский университет, стр. 32, 90-162

Gleit, CE, 1969. Реакция кислорода с углеродистыми соединениями и микроэлементами в индукционном безэлектродном разряде, Химическая реакция и электрический разряд, глава 18, стр. 232–241 http://dx.doi.org/10.1021/ba-1969-0080.ch018

Istadi, 2006. Aplikasi Teknologi Hibrid Katalisis-plasma dalam Pengembangan Reaktor Kimia Masa Depan, Chemical Reaction Engineering & Catalyst (CREC), Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalyst, Universitas Diponegoro, Volume 1(2), pp. 15-20 ( на Бахасе)

Мец, Б., Дэвидсон, О., Конник, Х., Лоос, М., Мейер, Л., 2005. Специальный отчет МГЭИК об улавливании и хранении двуокиси углерода, Рабочая группа III Межправительственной группы экспертов по изменению климата, Кембридж. University Press, Кембридж, Нью-Йорк, глава 7, стр.319-338

Соломон, С., Мэннинг, Д.К., Чен, З., Маркиз, М., Аверит, К.Б., Тигнор, М., Миллер, Х.Л., (редакторы), 2007 г. Изменение климата, 2007 г., Основы физических наук, Вклад Рабочая группа I к Четвертому оценочному докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата, издательство Кембриджского университета, Кембридж, Соединенное Королевство, и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США

Сонг, Х.К.м Чой, Дж.В., Юэ, С.Х., Ли, Х., На, Б.К., 2004. Производство синтез-газа с помощью разряда через диэлектрический барьер на катализаторе Ni/γ-Al2O3, Catalyst Today, Volume 89(1-2), pp. .27-33 http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2003.11.009

Сривастава, М.П., ​​Кобаяши, А., 2010. Разложение двуокиси углерода плазменными методами и применение плазмы высокой энергии и высокой плотности в обработке материалов и наноструктур, Труды JWRI, том 39(1), стр. 11-25

Тао, X., Бай, М., Ли, X., Лонг, Х., Шан, С., Инь, Ю., Дай, X., 2010. Преобразование Ch5-CO2 с помощью плазменных проблем и возможностей, прогресс в науке об энергетике и горении, том 37, стр.113-124 http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2010.05.001

Ван, К., Ян, Б.Х., Инь, Ю., Ченг, Ю., 2009. Исследование сухого риформинга метана в реакторе с диэлектрическим барьерным разрядом, Плазмохимия и плазменная обработка, Том 29 (3), Выпуск 3, стр. 217-228 http://dx.doi.org/10.1007/s11090-009-9173-3

Ямамото, Т., Окубо, М., 2007. Нетермическая плазменная технология, Передовые технологии физико-химической обработки, Справочник по инженерии окружающей среды, Том 5, стр.135-293 http://dx.doi.org/10.1007/978-1-59745-173-4_4

Чжэн, Г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.