بخشی از مقاله
چکیده
خاک بدون کربن آلی - مواد آلی - قابل تعریف نیست و تشکیل و تحول خاکها در ارتباط نزدیک با گردش کربن است. ورود کربن به خاک ضمن فراهم آوردن شرایط لازم برای بروز خصوصیات جدید فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی در محصولات هوازدگی انرژی لازم برای بسیاری از واکنشهای بیوژئوشیمیایی، فرایندهای خاکسازی را تامین میکند.
کربن خاک اعم از شکل آلی و غیرآلی آن در پیدایش و ردهبندی خاکها نقش مهمی را ایفا میکند. مسایل زیستمحیطی ناشی از افزایش CO2 اتمسفر و گرمایش جهانی ضرورت توجه اساسی به خاک به عنوان محل ذخیره بخش عظیمی از منابع کربن را هر چه بیشتر آشکار نموده است. این مقاله ضمن مروری بر مطالعات در زمینه گردش کربن خاک به جمعبندی نتایج آنها میپردازد.
مقدمه
بنا به تعریف، خاک یک مجموعه طبیعی متشکل از جامدات - مواد معدنی و آلی - ، مایعات و گازها است که روی سطح زمین واقع شده است، فضا اشغال میکند و توسط افقها یا لایههای حاصل از افزایش، کاهش، انتقال و تغییر شکلهای انرژی و مواد از مواد اولیه خود متمایز شدهاند و یا قابلیت نگهداری گیاهان ریشهدار در محیط طبیعی را دارا میباشند
همانگونه که از تعریف خاک برمیآید بخش جامد خاک بایستی دارای مواد آلی - کربن آلی - باشد. مقدار کربن آلی خاک از مقادیر بسیار ناچیز در خاکهای مناطق خشک و نیمه خشک تا بیش از 50 درصد حجم خاک در هیستوسولها متغیر است. ورود کربن آلی به سیستم خاک ضمن تامین ماده آلی لازم برای تامین خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک، انرژی مورد نیاز سیستم خاک را نیز تامین مینماید.
ینی - 1941 - اصول علم فیزیک را برای مطالعه تشکیل خاک مورد استفاده قرار داد و مشخص نمود که سیستم خاک - یا اگر پوشش گیاهی و جانوری روی سطح زمین هم در نظر گرفته شوند، اکوسیستمها - ، با محیط اطراف خود ماده و انرژی مبادله مینمایند و خصوصیات آنها را میتوان با مجموعه محدودی از متغیرهای مستقل1 تعریف نمود. ینی این عوامل را به عنوان فاکتورهای حالت - معادله - 1 در نظر گرفت.
نتیجه نهایی انتقال ماده و انرژی تمایز عمودی قابل رویتی از لایههای مشخص است که اصطلاحا افقهای خاک نامیده می-شوند . - Soil Survey Staff, 1993 - رابطه 1 نقش عوامل محیطی - اقلیم، موجودات زنده - و شرایط اولیه سیستم خاک - توپوگرافی، مواد مادری - در طی زمان را نشان میدهد. هرچند این عوامل اثرات مستقل خود را دارا میباشند، لیکن به نظر میرسد نتیجه مشترک عملکرد همه این عوامل تولید زیتوده - Biomass - ورودی به خاک است که خصوصیات فیزیکی، شمیایی، بیولوژیکی خاک را مشخص مینماید و علاوه بر آن انرژی لازم برای بسیاری از فرایندهای بیوژئوشیمیایی خاک را فراهم مینماید.
کل زیتوده موجود - اعم از گیاهی، جانوری و میکروبی - ، از تثبیت CO2 در طی فرایند فتوسنتز حاصل میشودکه به ازای هر مول 114 CO2 کیلوکالری انرژی در توده بیومس گیاهی ذخیره میشود . - FAO, 1997 - تقریبا دو سوم از محصولات فتوسنتز در جهان در خشکیها تولید میشود. کارآیی نهایی فتوسنتز در تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی بین 3 تا 6 درصد است و بین 94 تا 97 درصد از انرژی خورشید به اشکال دیگر تبدیل میشود.
در کنار کربن آلی خاک، بسیاری از خاکها دارای شکل متفاوتی از کربن تحت عنوان کربن غیرآلی نیز هستند. این نوع کربن حدود یک سوم از منابع کربن را به خود اختصاص داده است - Hirmas et al, 2010 - اما در ارتباط با عوامل موثر بر آن و پویایی آن اطلاعات بسیار اندکی وجود دارد
کربن غیرآلی نقش مهمی در ذخیره درازمدت کربن در خاک دارد . - Aranda and Oyonarte, 2005 - از سوی دیگر در مناطق خشک و نیمهخشک، ذخایر کربن غیرآلی 2 تا 10 برابر بیشتر از ذخیره کربن آلی میباشد و علاوه بر این سرعت تشکیل و تجمع کربن غیرآلی بسیار بیشتر از کربن آلی است
نتایج اغلب بررسیها حاکی است که مراتع جهان بهطور فعال در حال ذخیرهکردن کربن و تعدیل و کاهش غلظت دی-اکسیدکربن اتمسفر هستند و مقدار آن در آینده ممکن است بهطور فزایندهای افزایش یابد و بر طبق مطالعات گذشته مراتع 30- 10 درصد کربن آلی اکوسیستمهای جهان را ذخیره میکنند به همین دلیل سازمان-های بینالمللی مانند FAO و UNDP مناطق خشک و نیمه خشک دارای پوشش مرتعی را برای اجرای برنامههای توقیف کربن به منظور کاهش گازهای گلخانهای معرفی نمودند . - Lal, 2008 - البته میزان ظرفیت ذخیره اشکال کربن به نوع مرتع، اقلیم، مدیریت و خصوصیات خاک بستگی دارد
بیشتر مطالعات انجام شده درباره تغییرات کربن خاک در مناطق مرطوب و نیمهمرطوب جهان بوده است و اطلاعات در رابطه با میزان و چگونگی ذخیره کربن در زیستبومهای خشک و نیمهخشک به طور قابل ملاحظهای کم است.
مواد و روشها
این مقاله مروری بر مطالعات انجام شده در بررسی کربن آلی، کربن غیر آلی و اهمیت آنها در تحول خاک میباشد.
نتایج و بحث
مقایسه خاک با میانگین پوسته قارهای نشان میدهد که خاکها: -i به ویژه از عناصر قلیایی و قلیایی خاکی - خصوصا منیزیم، سدیم، کلسیم، پتاسیم و بریلیم - و برخی از هالیدها تخلیه شدهاند؛ -ii به مقدار کمتر از سیلیسیم، آهن و آلومینیم تخلیه شدهاند؛ ولی -iii از نظر کربن، نیتروژن و گوگرد غنی شدهاند - شکل . - 1
شکل -1 لگاریتم نسبت جرمی عناصر خاک - نسبت به - Zr به مقادیر آنها در پوسته زمین - نسبت به . - Zr
شکل 1 نشان میدهد که یکی از عناصر اصلی افزوده شده به خاک توسط گیاهان کربن است. در مقیاس جهانی، تولید خالص اولیه2 - تفاضل مقدار تثبیت ناخالص کربن فتوسنتزی و تنفس گیاه - تقریبا 60 گیگاتن C در سال است، سرعت جریان بسیار بزرگی از کربن که تقریبا معادل میزان تبادل کربن بین اقیانوس و اتمسفر است - ساندکویست، . - 1993 علاوه بر این برای غنیسازی خاک از کربن، نوع ملکولهای آلی تولید شده در طی چرخه این مواد آلی، همراه با CO2 تولید شده در خاک در اثر تجزیه ترکیبات آلی توسط موجودات زنده هتروتروف، به مقدار زیادی سرعت هوازدگی شیمیایی را افزایش میدهد.
در نتیجه، کربن آلی نه تنها مسئول غنیشدگی کربن در خاک است، بلکه موجب افزایش سرعت هوازدگی شیمیایی هم میشوند. خلاصه این بحث کوتاه آن است که کاهشهای ناشی از هوازدگی باضافه افزایشهایی که توسط گیاهان صورت میگیرد نحوه پیدایش خاک را بیان میکنند. در بسیاری از موارد، همبستگی مثبتی بین جرم ورودی کربن به خاک - OC - و انبساط خاک وجود دارد.
در ثانی، علاوه بر افزایش جرم کربن نسبت به مواد مادری، ریشههای گیاهان - و سایر موجودات زنده زیر خاکی - موجب انبساط خاک، ایجاد تخلخل و به طور کلی اختلاط و انبساط خاک میشوند. فشار ناشی از رشد ریشهها میتواند به 15 بار افزایش یابد، که نیروی مناسبی برای افزایش حجم مواد خاکی است. تجمع کربن خاک با زمان میتواند با استفاده از مدل تجزیه مرتبه اول زیر توضیح داده شود
که در آن I ورودی کربن گیاهی - kg m-2 yr-1 - ، C ذخیره کربن خاک - kg m-2 - ، و k ثابت تجزیه - yr-1 - است. مقادیر اندازه-گیری شده و برآورد شده k برای کربن آلی خاک نشان میدهد که برای بسیاری از خاکها حالت پایدار در محدوده زمانی 100 تا 1000 سال حاصل میشود.
چادویک و همکاران - 1990 - بیان داشتند که آنالیزهای تعادل جرم با در نظر گرفتن عمق، مطالعه تشکیل خاک را از یک "جعبه سیاه" به "جعبه خاکستری" تبدیل میکند. میزان خاکستری بودن روش تعادل جرم بستگی به این حقیقت دارد که این روش مستقیما به مکانیسمهای انتقال جرم توجه نمیکند، و انتقال گرما، آب و گازها را مورد بحث قرار نمیدهد.
مدل-سازی مکانیستیک و کمّیکردن این جریانها در شرایط صحرایی در واقع در مراحل ابتدایی خود است، اما برخی اصول کلی در راستای برخی از موفقیتهای قابل توجه به دست آمده موجب تقویت بیشتر مدلسازی مکانیستیک تشکیل خاک شده است. فرایندهای کربن در خاک، به دلیل اهمیت آن در کشاورزی - در شکل ماده آلی - و اثرات واضح قابل رویت آن در پروفیل خاک، مدتهاست که مورد توجه واقع شده است. یک نمای شماتیک از جریان کربن در درون خاک در شکل 2 ارائه شده است.
شکل -2 مسیر جریان کربن در اکوسیستمهای خشکی
