Η βιολογική προέλευση των αερίων του θερμοκηπίου και οι φυσικοί παράγοντες που καθορίζουν τις εκπομπές τους από το έδαφος Σταμάτης Σταματιάδης Εργαστήριο Εδαφικής Οικολογίας Μουσείο Γουλανδρή Φυσικής Ιστορίας E-mail: stam@gnhm.gr
Περιεχόμενα Αέρια του θερμοκηπίου και μονάδες μέτρησης εκπομπών Ρυθμοί και ποσότητες εκπομπών Οι μικροβιακές διεργασίες προέλευσης των αερίων Αποικοδόμηση οργανικής ουσίας και εκπομπές CO 2 Παραγωγή N 2 O κατά τη νιτροποίηση και απονιτροποίηση Μεθανογένεση Φυσικοί παράγοντες που αυξάνουν τους ρυθμούς εκπομπής Θερμοκρασία Καιρικές συνθήκες Περιεκτικότητα νερού Αερισμός και οξυγόνο Άνθρακας και οργανική ουσία Μηχανική σύσταση Κατεργασία Συμπίεση Καλλιέργειες
Αέρια του θερμοκηπίου Διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) Υποξείδιο του αζώτου (N 2 O) Μεθάνιο (CH 4 )
Συνεισφορά των αερίων του θερμοκηπίου στην υπερθέρμανση του πλανήτη Μονάδες μέτρησης Ποσότητες άνθρακα εκατομμύρια μετρικοί τόνοι άνθρακα (MMTC) MMTC = 1 Tg = 10 6 Mg Global warming potential (GWP) [Ακτινοβολία / kg αερίου] / [Ακτινοβολία / kg CO 2 ] GWP CO2 =1, GWP CH4 =21, GWP N2O =310 CH 4 είναι 21x πιο αποτελεσματικό ως αέριο του θερμοκηπίου Ισοδύναμο MMTC (MMTCE) MMTCE = (MMT αερίου) x (GWP αερίου) MMTC=MMTCE για το CO 2 Radiative forcing Αύξηση στη μέση ακτινοβολία στο άνω μέρος της τροπόσφαιρας MMTCE=αλλαγή [(CO 2 x GWP CO2 ) +(CH 4 xgwp CH4 ) +(N 2 OxGWP N2O )]
Επίδραση της αποξήρανσης ενός τυρφώνα στην παγκόσμια θέρμανση Υποθετικό παράδειγμα Αποξήρανση Μείωση εκπομπών CH 4 μείωση παγκόσμιας θέρμανσης Αύξηση εκπομπών CO 2 αύξηση παγκόσμιας θέρμανσης CH 4 είναι 21x πιο αποτελεσματικό από το CO 2 Το CO 2 πρέπει να αυξηθεί 21x περισσότερο από όσο θα μειωθεί το CH 4 για να επέλθει ισοζύγιο μεταξύ των δύο αερίων Είναι ένα απίθανο σενάριο Συμπέρασμα Η αποξήρανση ενός τυρφώνα μάλλον θα μειώσει την παγκόσμια θέρμανση
Συνεισφορά της γεωργίας και των χρήσεων γης στην ετήσια αύξηση της ακτινοβολίας Επί της εκατό (%) 80 60 40 20 CO2 CH4 N2O 20% Global radiation forcing 14% 66% Γεωργία Μηρυκαστικά Κατεργασία εδάφους Ορυζώνες Λίπανση Κοπριές Υποβάθμιση υγροτόπων Χρήσεις γης Εκδασώσεις Καύση βιομάζας Άλλα 0 Γεωργία Χρήσεις γης Αλλα Άλλα Ορυκτά καύσιμα Μεταφορές
Βιολογική προέλευση του CO 2 Αναπνοή Υδατάνθρακες + O 2 Έδαφος Οργανικά + O 2 CO 2 + H 2 O CO 2 + H 2 O + χούμος
Βιολογική προέλευση του CO 2 Αποικοδόμηση φυτικών υπολειμμάτων και οργανικής ουσίας Απλοί υδατάνθρακες και κυτταρίνη Ασπόνδυλα (γαιοσκώληκες, μικροαρθρόποδα) Βακτήρια Pseudomonas, Bacillus, Clostridum, Streptomyces, Cytophaga Μύκητες Trichoderma, Chaetomium, Penicillium Λιγνίνη Ασπόνδυλα (αρθρόποδα, μικροαρθρόποδα) Μύκητες Trametes, Polyporus, Pleurotus, Poria, Chaetomium
Παράγοντες που επηρεάζουν τις εκπομπές CO 2 από το έδαφος Φυσικοί παράγοντες Θερμοκρασία Υγρασία Αερισμός Μηχανική σύσταση Καλλιέργειες Κατεργασία Χημικοί παράγοντες ph Αλατότητα Κοπριές Ανόργανα λιπάσματα Αναστολείς νιτροποίησης
Φυσικοί παράγοντες θερμοκρασία και υγρασία Θερμοκρασία Εκπομπές CO 2 αυξάνονται εκθετικά (Q 10 =2) Ημερήσιες και εποχιακές διακυμάνσεις Αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 ο C θα οδηγήσει σε: Απώλεια 10% του οργανικού άνθρακα σε βόρειες εύκρατες περιοχές Απώλεια 3% του οργανικού άνθρακα σε πολύ ζεστές περιοχές Περιεκτικότητα νερού Εκπομπές CO 2 αυξάνονται γραμμικά έως 60% σχετικό υδατοκορεσμό Εκπομπές CO 2 αυξάνονται με κύκλους ξήρανσης-ύγρανσης Αλληλεπίδραση με αερισμό και θερμοκρασία
Φυσικοί παράγοντες Μηχανική σύσταση και καλλιέργεια Μηχανική σύσταση Επηρεάζει διήθηση του νερού και διάχυση των αερίων Εκπομπές CO 2 μπορεί να είναι διπλάσιες σε αργιλικά σε σύγκριση με αμμώδη εδάφη Καλλιέργειες Εκπομπές CO 2 διπλασιάζονται ή τριπλασιάζονται σε καλλιεργούμενο έδαφος σε σχέση με γυμνό έδαφος Σημαντικός παράγοντας η αναπνοή των ριζών
Κατεργασία του εδάφους Διασπά τα συσσωματώματα, αυξάνει τον αερισμό Ανάμιξη εδάφους με οργανικά σωματίδια Αύξηση διήθησης και υδατο-ικανότητας Αύξηση της ανοργανοποίησης του C και της εξαέρωσης Απώλεια οργανικού C ήταν διπλάσια κατά την διάρκεια 60 ημερών μετά την κατεργασία
Προσομοίωση των αλλαγών του ολικού άνθρακα στο έδαφος (0-20 εκ.) στις κεντρικές ΗΠΑ τον τελευταίο αιώνα 7500 7000 2.5% Εδαφικός άνθρακας (g m -2 ) 6500 6000 5500 5000 4500 Κατεργασία Μειωμένη κατεργασία 4000 1.4% 3500 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Ετος Η ανάκαμψη μετά το 1970 οφείλεται στη μειωμένη κατεργασία και τις ποικιλίες υψηλότερης απόδοσης με περισσότερα υπολείμματα
Lal et al. 1998. The potential of US cropland to sequester carbon and mitigate the greenhouse effect. Το 1950 ο οργανικός C έπεσε στο 53% του επιπέδου πριν το 1907 Ο οργανικός C είναι 15.600 MMTC στις ΗΠΑ (1 m βάθος της καλλιεργήσιμης γης). Οι απώλειες άνθρακα στην ατμόσφαιρα εκτιμώνται να είναι 5.000 MMTC. MMTC = Εκατομμύρια μετρικοί τόνοι άνθρακα Εδαφικός άνθρακας (g m -2 ) 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 2.5% 1.4% Κατεργασία 3500 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Ετος Μειωμένη κατεργασία
Αιτίες της υποβάθμισης του εδάφους και των εκπομπών διοξειδίου Εκχερσώσεις Αποστράγγιση Εντατική κατεργασία Ετήσιες καλλιέργειες μικρής απόδοσης Αφαίρεση ή καύση υπολειμμάτων Λίπανση Αερισμός και οξείδωση Εκπομπές CO 2 Μειωμένες εισροές C Διάβρωση Απώλειες θρεπτικών
Βιολογικές αντιδράσεις ανοργανοποίησης του αζώτου στο έδαφος Οργανικό κλάσμα N 2 NH + 4 N 2 O N 2 O NO - 2 NO NO - 3 NO 2 - Αερόβιες συνθήκες Αναερόβιες συνθήκες
Αερόβιοι μικροοργανισμοί που παράγουν N 2 O στο έδαφος Νιτροποίηση Οργανικό κλάσμα NH 4 + NO 2 - Αερόβιες συνθήκες N 2 O NO 3 - Αυτότροφα βακτήρια (CO 2 ως πηγή άνθρακα) Χημειότροφα ενέργεια προερχόμενη από χημικές οξειδώσεις (NH 4, NO 2 ) Nitrosomonas Nitrosolobus Nitrosopira
Αναερόβιοι μικροοργανισμοί που παράγουν N 2 O στο έδαφος Απονιτροποίηση NO 2 - N 2 O NO Αναερόβιες συνθήκες N 2 Ετερότροφα βακτήρια (οργανικές ενώσεις ως πηγή άνθρακα και ενέργειας) και νιτρικά ως δέκτες ηλεκτρονίων Pseudomonas Achromobacter Denitrobacillus Αυτότροφα βακτήρια και οξειδώνουν S ή H 2 Thiobacillus Micrococcus
Εκπομπές Ν 2 Ο-Ν από γεωργικά εδάφη αυξάνονται σε υγρές συνθήκες με υψηλή οργανική ουσία ή οργανική λίπανση Μεταβολική οδός Είδος εδάφους Επέμβαση Νιτροποίηση (kg ha -1 day -1 ) Απονιτροποίησ η (kg ha -1 day -1 ) Ανόργανο Χωρίς λίπανση 0.01 0-1 Ανόργανο Ανόργανη λίπανση 0.11 1 Ανόργανο Κοπριά 8 Οργανικό 4
Παράγοντες που αυξάνουν τις εκπομπές N 2 O από το έδαφος Απονιτροποίηση Πότε αυξάνονται οι εκπομπές N 2 O Παρουσία νιτρικών (γραμμική συσχέτιση) Περιεκτικότητα νερού πάνω από τα όρια υδατο-ικανότητας Κύκλοι ξήρανσης-ύγρανσης, πάγου-τήξης Κύκλοι αερόβιων-αναερόβιων συνθηκών Έλλειψη οξυγόνου & βάθος εδάφους ευνοεί τη παραγωγή Ν 2 Δυναμικό οξειδο-αναγωγής (Eh=+250 mv) αυξάνει το N 2 O Διαθέσιμος οργανικός άνθρακας αυξάνει το N 2 O Θερμοκρασία Μηχανική σύσταση Βέλτιστο εύρος ph 7-8
Συσχέτιση της περιεκτικότητας νερού και φαινόμενου ειδικού βάρους στην μικροβιακή δραστηριότητα του εδάφους
Μεθανογένεση Clostridium alderichii Δύο μεταβολικές οδοί αναερόβιας ζύμωσης Αναγωγή του CO 2 με Η 2 ως πηγή ενέργειας Οργ. ενώσεις Μονομερή H 2 CO 2 + H 2 CH 4 Ζύμωση οξικού οξέος Οργ. ενώσεις Μονομερή CH 3 COOH CH 3 COOH CH 4 + CO 2
Μεθανογένεση Clostridium alderichii Αυστηρά αναερόβια διεργασία Υγρότοποι, ορυζώνες, τυρφώνες Παράγοντες Στάθμη του νερού Δυναμικό οξειδο-αναγωγής (Eh<-100 mv) Θερμοκρασία (Q 10 =30-40)
Πηγές ατμοσφαιρικού μεθανίου (Tg C ανά έτος) Ανθρωπογενείς πηγές 100 Βιομηχανία 60 Ορυζώνες 80 Μηρυκαστικά 25 Ζωικές κοπριές 25 Επεξεργασία αποβλήτων 30 ΧΥΤΑ 40 Καύση βιομάζας 360 Σύνολο Φυσικές πηγές 109 Υγρότοποι 20 Τερμίτες 10 Ωκεανοί 5 Γλυκά νερά 5 Αλλα 150 Σύνολο
Σύνοψη Οι φυσικές ιδιότητες του εδάφους έχουν καθοριστικό ρόλο στην μικροβιακή δραστηριότητα και στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου σε φυσικά οικοσυστήματα Οι εκπομπές των αερίων συνήθως αυξάνονται όταν οι φυσικές ιδιότητες μεταβάλλονται από τις διαχειριστικές μεθόδους της συμβατικής γεωργίας
Βιβλιογραφία Freibauer et al. 2004. Importance of agricultural soils for the European GHG budget. In Greenhouse Gas Emissions from Agriculture: Mitigation Options and Strategies. Proc. Intl. Conference, Institute for Energy and Environment, Leipzig, Germany. Lal et al. 1998. The potential of US cropland to sequester carbon and mitigate the greenhouse effect. Sleeping Bear Press, Inc., MI. Rastogi et al. 2002. Emission of carbon dioxide from soil. Current Science 82:510-517. Sahrawat and Keeney. 1986. Nitrous oxide emission from soils. Advances in Soil Science 4:103-148. Sylvia et al. 1999. Principles and applications of soil microbiology. Prentice Hall Inc., NJ.
Παράγοντες που αυξάνουν τις εκπομπές N 2 O από το έδαφος Νιτροποίηση Αλκαλικό ph και ανθρακικό ασβέστιο Υψηλή οργανική ουσία Περιεκτικότητα νερού και οξυγόνου Θερμοκρασία Θρεπτικά συστατικά και διαθέσιμο Ν Μηχανική σύσταση Καιρικές συνθήκες