Licenta Mihaela 17iunie Ec [302964]
UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI
FACULTATEA DE BIOLOGIE
LUCRARE DE LICENȚĂ
Capacitatea de stocare a carbonului în solurile din pajiștile montane și alpine din Parcul Natural Bucegi
Coordonator științific Absolvent: [anonimizat]. Univ. Dr. CARMEN POSTOLACHE MIHAELA IOANA CEAUREANU
Îndrumător științific
Drd. [anonimizat]
2016
INTRODUCERE
Carbonul este unul din cele mai importante elemente din punct de vedere biologic și ecologic deoarece este atât parte componentă a [anonimizat] a compartimentelor unităților hidrogeomorfologice (Hirsch, 2010), [anonimizat] (Lal, 2004).
[anonimizat] a [anonimizat] a [anonimizat] o mare presiune asupra capitalului natural(Siegenthaler, 1993), ducând astfel la modificări ale fluxurilor în cadrul tuturor componentelor ecosferei. Dezvoltarea capitalului social a distorsionat în mare măsură circuitul biogeochimic al carbonului prin redirecționarea fluxurilor de carbon din ecosistemele terestre și prin realocarea carbonului între compartimentele de stocare ale ciclului.
Suntem martorii unei creșteri dramatice a dioxidului de carbon în atmosferă și începem să conștientizăm potențialul impact pe care îl are această creștere asupra ecosferei. Ceea ce a început ca fiind o speculație printre oamenii de știință, a ajuns astăzi să fie tema principală a rapoartelor guvernamentale, a întâlnirilor internaționale și a [anonimizat]. Numeroși oameni de știință au formulat diverse întrebări cu privire la problema circuitului carbonului (Janzen, 2004; Andres și colab., 2012; Bousquet și colab., 2000; Hedges, 1991), [anonimizat], cât și sub aspectul implementării măsurilor de reducere a emisiilor.
[anonimizat] a carbonului (Janzen, 2004). [anonimizat] – [anonimizat] – emiterea aerosolilor și a [anonimizat] (Heimann și Reichstein, 2008). [anonimizat] 25% din totalul suprafeței uscatului (Lemaire și colab., 2011), [anonimizat] (Gibson, 2009). [anonimizat], considerate a [anonimizat] (Lemaire și colab., 2011), însă suprafața terestră ocupată de pajiști a scăzut în multe zone datorită expansiunii terenurilor agricole și a așezărilor umane (Kemp și Michalk, 2011).
EUNIS (the European Nature Information System) definește pajiștile ca fiind zone necostiere uscate sau ocazional umede (cu nivelul apei deasupra sau la nivelul solului pentru mai puțin de jumătate de an), cu o vegetație ce se întinde pe mai mult de 30% din suprafața totală de uscat. Vegetația este dominată de specii aparținând familiilor Gramineae, Cyperaceae și Juncaceae.
Datorită faptului că aproximativ 32% din totalul vegetației globale se întâlnește la nivelul pajiștilor din zonele temperate (Adams și colab., 1990), acestea ocupând circa 20% din întinderea Europei (Soussana și colab., 2004), pajiștile reprezintă un subiect important în analiza ciclului carbonului. De asemenea, un alt aspect ce face ca pajiștile să fie un subiect important în analiza ciclului carbonului sunt procesele ce se desfășoară în soluri. Procesele care sunt controlate sau sunt direct influențate de rădăcinile plantelor și au loc în imediata vecinătate a acestora se numesc procesele rizosferei (Cheng și Kuzyakov, 2005). Acestea cuprind transformările suferite de rădăcini, procesul prin care rădăcinile plantelor eliberează componente organice în apropierea lor, procesul de respirație al rădăcinilor și procesul de respirație al microorganismelor, și au un rol foarte important pentru solurile din ecosistemele de pajiște (Rumpel, 2011), având capacitatea de a stabiliza sau destabiliza carbonul din soluri (Cheng și Kuzyakov, 2005). Astfel, procesele rizosferei au un rol esențial în circuitul global al carbonului. Totodată, conținutul mare de materie organică al solurilor din pajiști și larga distribuție a acestora pe glob face ca orice modificare suferită în procesul de stocare a carbonului să aibă un impact major în circuitul global al acestuia (Jones și colab., 2006).
În România, studiile referitoare la stocarea carbonului și la circuitul biogeochimic al acestuia sunt în număr mic, atingându-se însă anumite subiecte de interes general la nivel global: impactul creșterii demografice asupra mediului (Bălăceanu, 2013), procesul de respirație al solului (Sandor, 2010), sechestrarea carbonului în soluri (Moraru, Rusu și Sopterean, 2010) sau supraîncălzirea și evoluția climei (Martalog și Popescu, 2010).
Lucrarea de față își propune determinarea capacității de stocare a carbonului în solurile din pajiștile montane și alpine din Parcul Natural Bucegi, luând în vedere trei tipuri de habitate caracteristice zonelor montane și alpine: pajiști montane de Nardus stricta, pajiști alpine și boreale pe substraturi silicatice și pajiști alpine și subalpine pe substraturi calcaroase. În vederea atingerii scopului propus, am luat în considerare ca obiective principale determinarea experimentală a cantității totale de carbon din sol și evaluarea distribuției stocurilor la nivelul celor trei tipuri de habitate alese pentru studiu.
CAPITOLUL 1. ANALIZA CRITICĂ A CUNOAȘTERII
1.1. Aspecte generale referitoare la carbon
Constituind baza formării tuturor moleculelor și macromoleculelor, carbonul este esențial pentru viață (Hirsch, 2010), întâlnindu-se în tot compartimentul biotic și abiotic. Carbonul este considerat a fi un element unic datorită capacității lui de a forma lanțuri lungi a căror structură internă este constituit exclusiv din atomi de carbon (Delgado, Herranz și Martin, 2008), fiind totodată capabil să formeze legături cu aproape toate elementele în moduri nelimitate (Hirsch, 2010).
Rezervele de carbon din soluri se găsesc sub formă de hidrocarburi (Achten și Hofmann, 2009). Acestea, extrase în formă naturală de combustibili fosili (cărbune, petrol și gaze naturale), sunt utilizate în general pe post de combustibili (Post, 1990).
Carbonul are patru forme alotrope (forme ale elementelor chimice în care atomii sunt așezați diferit în funcție de legăturile chimice). Diamantul (Figura 1.1) și grafitul (Figura 1.2) sunt polimeri formați doar din atomi de carbon, fiind considerați, în mod tradițional, principalele forme alotropice ale elementului (Falcao și Wudl, 2007). Ambele forme prezintă proprietăți fizice unice, cum sunt rezistența, conductivitatea termică sau conductivitatea electrică (Hirsch, 2010). Diamantul și grafitul au fost singurele forme alotropice cunoscute ale carbonului pentru o lungă perioadă de timp, până cand, în anul 1985, a fost descoperită fulerena (Figura 1.3) de către Kroto și colaboratorii. Aceasta, cu o așezare simetrică distinctivă a carbonului, are o importanță deosebită datorită reactivității ei și a utilității în biomedicină și în știința materialelor (Delgado, Herranz și Martin, 2008). Nanotubulii de carbon (Figura 1.4), o altă formă alotropică artificială, au fost sintetizați în anul 1991, având importante proprietăți metalice și electrice. Aceștia dețin titlul de cel mai puternic material din punct de vedere mecanic, realizându-se astfel reintroducerea polimerilor în compoziția diferitelor materiale (Hirsch, 2010).
Figura 1.1 – Diamant (preluat după Mihaiu, Figura 1.2 – Grafit (preluat după
2012); Mihaiu, 2012);
Figura 1.3 – Fulerenă (preluat după Hirsch, Figura 1.4 – Nanotubuli (preluat după Hirsch, 2010); 2010).
1.2 Circuitul biogeochimic al carbonului
Circuitele biogeochimice sunt reprezentate de totalitatea proceselor de transfer, transformare, acumulare și concentrare a compușilor chimici (Vădineanu, 1999).
Procesele elementelor chimice în ecosferă au un caracter ciclic, fiind caracterizate de trecerea elementelor din compartimentul abiotic în cel biotic și invers. Distribuția elementelor chimice în scoarța terestră și realizarea proceselor de schimb care au loc între biosferă și toposferă suferă variații considerabile în timp.
Circuitul carbonului este un circuit gazos, închis. Este, de asemenea, considerat un circuit perfect datorită faptului că densitățile fluxurilor de schimb dintre troposferă, rezervorul principal, și compartimentul de ciclare sunt pe termen lung relativ echilibrate (Vădineanu, 1999). Carbonul este transferat de la un rezervor la altul prin intermediul proceselor biologice și interacțiunilor cu procesele fizico-chimice (Post, 1990).
“Compartimentul de reciclare reprezentat de structura trofică a sistemelor biologice care intră în componența sistemelor ecologice (biocenoze -> biosferă) este strâns interconectat cu compartimentele majore și cele mai dinamice ale unităților hidrogeomorfologice (sol/litosferă/sediment și masa de apă) respectiv troposfera, la rândul lor interconectate prin mecanisme și fenomene fizico-chimice, constituind împreună suportul pentru circuitele biogeochimice locale, regionale și globale” (Vădineanu, 1999).
Circuitele biogeochimice globale sunt caracterizate în principal de procesele prin care substanțele sunt interschimbate și stocate la nivelul diferitelor rezervoare (Hedges, 1992).
1.2.1. Compartimente de stocare ale carbonului
La nivel global există cinci compartimente de stocare a carbonului (rezervoare), în care elementul se distribuie în diferite cantități și în diferite forme (Lal, 2004):
Rezervorul oceanic – este cel mai mare rezervor de carbon, conținând 38.000 Pg carbon(1 Pg= pentagram = 109 tone);
Rezervorul geologic – conține 5000 Pg carbon, din care 4000 Pg reprezentate sub formă de cărbune și 1000 Pg reprezentate de petrol și gaze;
Rezervorul pedologic – conține 2500 Pg carbon aflat sub două forme, carbon organic și carbon anorganic;
Rezervorul atmosferic – conține 760 Pg carbon;
Rezervorul biotic – conține 560 Pg carbon.
Toate compartimentele sunt interconectate, între ele realizându-se permanent schimburi de materie, energie și informație (Figura 1.5).
Odată cu intensificarea activităților antropice și cu introducerea unei cantități din ce în ce mai mari de carbon în atmosferă, în special prin arderea combustibililor fosili, la nivelul circuitului carbonului au intervenit schimbări în fluxurile care leagă compartimentele (Post, 1990).
Figura 1.5 – Reprezentare schematică a compartimentelor de stocare a carbonului la nivel global (după Lal, 2004)
1.2.2. Compartimente de ciclare ale carbonului
Compartimentele de ciclare sunt reprezentate de populațiile interconectate în cadrul rețelelor trofice (Figura 1.6), având loc intrări și ieșiri atât la nivelul populațiilor, prin emigrări și imigrări, cât și la nivelul rezervorului, prin transportul de sedimente și exploatarea mineralelor (Vădineanu, 1999).
Fiecare populație funcționează ca acumulator, transportor și mineralizator de substanță. Ponderea acestor procese se modifică în timp pentru aceeași populație și variază în funcție de specie, odată cu variația ciclului de viață și a limitelor de toleranță (Rîșnoveanu, 2010 ).
Fig. 1.6 – Reprezentarea schematică a interdependenței dintre compartimentul biotic și cel abiotic în circuitul carbonului (Rîșnoveanu, 2010)
1.2.3. Caracterizarea fluxurilor
Analiza fluxurilor se poate face la scări spațio-temporale diferite, schimburile dintre compartimente fiind foarte dinamice. Principalele schimburi se desfășoară între atmosferă și sistemele terestre și între atmosferă și ocean (Post, 1990).
Raportul dintre rata cu care cele două rezervoare absorb dioxidul de carbon atmosferic și rata emisiilor determină rata cu care CO2 este schimbat la nivel global (Falkowski, 2000).
Cel mai mare rezervor de carbon din circuitul global, oceanul, are un rol major în determinarea cantității de carbon din atmosferă prin procese fizice (mixarea și circulația), chimice (chimia carbonului și efecte de tamponare) și biologice (formarea și descompunerea materiei organice) (Post, 1990). Procesele biologice sunt cele care mențin stratificarea carbonului în ocean, astfel că în zona abisală se întâlnește o cantitate foarte mare de carbon anorganic dizovat (Janzen, 2004), în timp ce în stratul superior al apei carbonul dizolvat este redus prin fotosinteză. (Post, 1990)
Datorită vânturilor puternice și a curenților de aer de la nivelul oceanului, dioxidul de carbon este schimbat cu foarte mare ușurință la interfața apă-aer (Falkowski, 2000), rezultând un echilibru între presiunile parțiale ale CO2 din atmosferă și a celor din ocean. Dioxidul de carbon din zona de suprafață este apoi transferat zonei abisale a oceanului, scăzând astfel concentrația de CO2 din partea superioară a apei (Post, 1990).
Procesele biologice, de sinteză și de descompunere a materiei organice, reprezintă de asemenea o cale importantă de transport a carbonului (Falkowski, 2000). Prin fotosinteză, organismele preiau carbonul anorganic și îl transformă în materie organică ce are un rol important în rețelele trofice. Majoritatea substanțelor formate prin procesul de producție primară ajung pe fundul oceanului sub formă de fecale sau de organisme moarte (Post, 1990). Aceste substanțe suferă un proces de remineralizare si de descompunere bacteriană, o mică fracție fiind depusă și depozitată pe fundul oceanului (Figura 1.7).
Figura 1.7 – Reprezentarea proceselor biologice la nivelul oceanului (preluat după IPCC, 2014)
Deși oceanul conține cea mai mare cantitate de carbon, analizele realizate de Post în anul 1982 au demonstrat o strânsă corelație între procesele din ecosistemele terestre și schimbările climatice, făcând astfel suprafața uscatului un subiect de mare valoare în analiza circuitului global al carbonului.
Ciclul carbonului la nivel terestru începe cu producția primară, atunci când prin fotosinteză este preluat dioxidul de carbon atmosferic și este transformat în componente organice, ce vor servi ca hrană în lanțurile trofice. Carbonul pătruns în sol se va reîntoarce în atmosferă prin respirație (Rustad și colab., 1999), descompunere și prin arderea diferitelor mase vegetale (Post, 1990).
Dioxidul de carbon (CO2) atmosferic pătrunde în biomasa terestră prin fotosinteză cu o rată de 120 Pg/an, din care 60 Pg sunt eliberate înapoi în atmosferă prin respirația plantelor. Restul de 60 Pg sunt stocate temporar în biomasa vegetală, formând astfel producția primară netă. Această cantitate ajunge în final în sol, prin îmbătrânirea vegetației, urmând ca prin respirația heterotrofă (datorată microorganismelor) să se reîntoarcă în atmosferă, închizând astfel circuitul (Janzen, 2004). Schimburile dintre componenta pedologică și cea oceanică se realizează cu o rată mult mai mare în ambele sensuri. Procesele sunt atât fizice cât și biologice, și se caracterizează prin transportul a aproximativ 90 Pg carbon dinspre sol spre ocean și invers (Figura 1.8) (Falkowski, 2000).
Figura 1.8 – Schimburile de carbon realizate între diferitele componente ale ecosferei (Janzen, 2004)
Olson (1983) a realizat o estimare a carbonului aflat în rezeroarele terestre. Pentru a putea calcula cantitatea netă de carbon preluată de plante, a considerat biomasa vegetală supraterană în trei categorii: vegetația joasă, componentele lemnoase ale copacilor și componentele non-lemnoase ale copacilor. Astfel a ajuns la concluzia că vegetația joasă și părțile lemnoase ale arborilor sunt rezervoare mult mai mari, dar cu o capacitate de ciclare a carbonului mai mică decât componentele non-lemnoase (frunzele). Producția primară netă a vegetației terestre a fost estimată la 62 Gt pe an. Această cantitate se presupune a fi echilibrată, în decursul a câțiva ani, de întoarcerea carbonului în atmosferă prin descompunerea litierei și a materiei organice a solului. Fluxul care se întoarce provine din două rezervoare de materie organică moartă: detritusul/ rezervorul descompunătorilor, format din litieră și descompunătorii de la suprafața solului și rezervorul activ de ciclare a carbonului, format din acea cantitate de carbon din sol și descompunătorii specifici acesteia care intră în procesul activ de tranfer al carbonului în atmosferă.
Solul conține atât rezervoare active de ciclare a carbonului, cat și rezervoare relativ inactive. Aceasta se datorează variației adâncimii, texturii solului, factorilor climatici, proceselor chimice ce implică materia organică și contribuției comunităților microbiene. Cu cât materia organică se află mai aproape de suprafața solului, cu atât va fi descompusă mai rapid și va avea un impact mai mare asupra ciclului anual al dioxidului de carbon (Post, 1990).
Relația dintre procesul de asimilație prin fotosinteză și cel de eliberare de carbon de către materia vie și cea moartă determină magnitudinea schimburilor de carbon dintre atmosferă și sistemele terestre. Pentru perioadele mai mici de 10 ani, echilibrul fluxurilor de carbon ar putea fi dereglat în anumite zone datorită schimbărilor climatice, tulburărilor sporadice și disponibilității nutrienților. Pe perioade lungi, însă, preluările și eliberările de carbon se presupun a fi echilibrate în ecosistemele neafectate, cantitatatea de carbon ajungând astfel la un nivel static. (Post, 1990)
1.3. Impactul antropic asupra circuitului carbonului
În ultimele decenii circuitul carbonului a fost grav afectat de activitățile antropice care sunt din ce în ce mai intense. Principalele presiuni exercitate de populația umană asupra circuitului biogeochimic al carbonului sunt procesele de subtituire a diferitelor tipuri de ecosisteme și procesele de ardere a combustibililor fosili (Janzen, 2004). În urma acestora s-a produs o creștere îngrijorătoare a concentrațiilor diferitelor gaze cu efect de seră în atmosferă, care au condus la modificări la nivelul climei, cunoscute sub numele de încălzire globală.
În urmă cu un secol, principalul mod prin care oamenii interveneau în circuitul carbonului era subtituirea ecosistemelor, însă acest lucru s-a schimbat odată cu dezvoltarea diferitelor ramuri ale industriei, locul întâi fiind ocupat acum de arderea combustibililor fosili (Lal, 2004). Rezervorul oceanic a stocat o cantitate de 155±30 Pg C, iar biomasa vegetală și solurile neafectate de transformările tipurilor de ecosisteme au stocat o cantitate de 160±90 Pg C (IPCC, 2001).
1.3.1. Transformarea tipurilor de ecosisteme
Creșterea exponențială a populației umane are ca rezultat creșterea nevoilor acesteia, implicând nevoia de hrană și de spațiu pentru dezvoltarea diferitelor activități. Astfel a apărut procesul de substituire a ecosistemelor naturale, de transformare a acestora astfel încât să poată fi utilizate în scopuri antropice (Siegenthaler și Sarmiento, 1993), nefiind luate în considerare posibilele urmări negative asupra întregii ecosfere și deci și asupra populațiilor umane. S-a produs o creștere a emisiilor de CO2 odată cu intensificarea procesului de transformare a ecosistemelor, creștere reprezentată în Figura 1.9.
Figura 1.9 – Emisiile de CO2 produse în urma transformării ecosistemelor (Houghton și Hackler, 2002)
Aproximativ 40% din potențialul terestru este utilizat în activitățile antropice (Janzen, 2004, citat din Vitousek și colab., 1986), afirmație ce susține observația cu privire la dezvoltarea socio-economică și la impactul pe care acesta îl are asupra ecosferei.
Cea mai mare influență asupra modificărilor climatice o are intensificarea agriculturii (Houghton și colab., 1999), prin eliminarea în atmosferă a unor cantități uriașe de carbon stocat în soluri în urma procesului de fotosinteză. Prin diferitele proceduri asociate procesului de agricultură, stocurile terestre de carbon sunt afectate, marea majoritate a conținutului lor ajungând în atmosferă (Vădineanu, 1998).
S-a arătat că teritoriile asociate pășunilor și zonelor agricole au crescut de la valori neglijabile până la aproximativ 30% din totalul global terestru, în detrimentul pădurilor și a pajiștilor (Janzen, 2004). Acest aspect este reprezentat în Figura 1.10.
Fig. 1.10 – Reprezentarea evoluției în timp a întinderii zonelor agricole din totalul global terestru (IPCC, 2014)
În ecosistemele de pajiște, o mare cantitate de carbon stocat în sol se pierde o dată cu transformarea acestora în terenuri agricole (Janzen și colab., 1998). În cazul ecosistemelor forestiere, spre deosebire de cele de pajiște, se înregistrează o pierdere globală aproximativ dublă a carbonului, datorită faptului că acestea pierd cantități importante de carbon atât de la nivelul solului, cât și de la nivelul biomasei vegetale (Houghton, 1999). Datorită practicării intensive a agriculturii se produce compactarea și eroziunea solului, apărând astfel nevoia unor noi terenuri fertile, obținute prin defrișări. Diferite studii au arătat că tăierea pădurilor poate să crească (Raich și Schlesinger, 1992, preluat din Gordon și colab., 1987; Hendrickson și colab., 1989), să scadă (Raich și Schelsinger, 1992, preluat din Nakane și colab., 1986), sau să nu afecteze (Raich și Schlesinger, 1992, preluat din Edwards și Ross-Todd, 1983; O’Connell, 1987) cantitatea de CO2 eliberată în atmosferă. Practicarea rotației culturilor este modul tradițional de practicare a agriculturii, presupunând cultivarea unui teren pe o anumită perioadă de timp, urmând apoi să fie lăsat necultivat până își recapătă nivelul original de fertilitate. Există însă și cazuri în care pierderea nutrienților este ireversibilă, refacerea terenului fiind imposibilă. (Bouwman, 1990).
Emisiile de CO2 rezultate prin transformarea ecosistemelor au atins valori de 0.9±0.8 Pg C în decursul ultimilor 10 ani, și reprezintă aproximativ 10% din totalul emisiilor de CO2. Există o posibilitate foarte mare ca emisiile de dioxid de carbon să fi scăzut în perioada 2000-2011 față de perioada 1990-1999 (Fifth Assessment Report, 2013).
1.3.2. Arderea combustibililor fosili
Deși există încă neclarități privind emisiile de dioxid de carbon din arderea combustibililor fosili sau alte surse, numeroase studii realizate de-a lungul timpului au caracterizat aceste emisii.
Intensitatea emisiilor de dioxid de carbon obținute din arderea combustibililor fosili a crescut aproape continuu de la prima utilizare a acestora în scopuri antropice (Figura 1.11). În ciuda diferitelor măsuri ale unor țări de a reduce emisiile de CO2, intensitatea acestora a continuat să crească în decursul timpului (Andres și colab., 2012).
Figura 1.11 – Emisiile de CO2 produse în urma arderii combustibililor fosili și a producerii de ciment (sursa: IPCC, 2013)
Una dintre concluziile celui de-al cincilea raport al IPCC a fost faptul că emisiile de CO2 rezultate prin arderea combustibililor fosili au crescut cu o rată mult mai mare în perioada 2000-2011 decât în perioada 1990-1999, acestea ajungând în anul 2011 la o valoare de 9.5±0.8 Pg C/an, valoare care o întrece pe cea din anul 1990 cu aproximativ 50%.
1.3.3. Consecințele perturbării circuitului carbonului
Modificarea la nivel global a climei este cea mai evidentă schimbare apărută în urma perturbării circuitului biogeochimic al carbonului, modificare care ulterior influențează un spectru larg de procese. Schimbările climatice se datorează în principal creșterii cantității de carbon atmosferic, întâlnit sub forma gazelor cu efect de seră (IPCC, 2007).
Efectul de seră apare datorită absorbției selective de către moleculele gazelor cu efect de seră a radiației termice emise de Pământ, și reemisia ei izotropă, atât în spațiul extraatmosferic, cât și spre Pământ (Soussana, 2007).
Efectele schimbărilor climatice sunt reprezentate de scăderea resursele de apă utilizabilă la nivel global, modificări la nivelul mărilor și oceanelor, afectarea resurselor de hrană și a sistemelor de producție, scăderea biodiversității și nu în ultimul rând creșterea temperaturilor anuale, toate acestea fiind abordate în cadrul celui de-al cincilea raport al IPCC, Fifth Assessment Report “Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability”.
Scăderea resurselor de apă reprezintă o problemă în special în zonele subtropicale, având ca rezultat intensificarea competiției dintre diferitele sectoare economice (agricultură, așezări umane, industrie, producerea energiei etc.), concretizată în scăderea ofertei de hrană și servicii oferite de sisteme. Modificările climatice afectează calitatea apei potabile, făcând imposibilă utilizarea acesteia chiar și în urma tratării corespunzătoare, sursele de risc fiind creșterea temperaturilor, creșterea cantității de sediment, nutrienți și poluanți rezultați în urma ploilor acide sau reducerea diluării poluanților în urma secetelor.
Schimbările climatice afectează în mare măsură efectivele de specii vegetale și animale la nivel global, astfel că s-au observat modificări în ceea ce privește abundența, habitatul specific și activitățile sezoniere în cazul a numeroase specii. Multe dintre acestea sunt amenințate de extincție, mai ales datorită faptului că asupra lor nu acționează doar modificările climatice, ci și alte presiuni antropice, cum ar fi fragmentarea habitatelor, supraexploatarea, poluarea și introducerea speciilor invazive.
Toate aspectele legate de asigurarea hranei sunt afectate de modificările climatice, cele mai importante fiind accesul la hrană, modul de utilizare al acesteia și stabilizarea prețurilor. Creșterea temperaturilor globale, alături de cerința tot mai mare de hrană reprezintă un mare risc pentru capacitatea asigurării necesarului de hrană necesar la nivel global și regional.
Societatea umană este dependentă de serviciile ecosistemelor marine, care sunt foarte vulnerabile la schimbările climatice. Printre cele mai importante se regăsesc producția de hrană și alte resurse, ciclarea nutrienților, reglarea climei la nivel global, incluzând producția de oxigen și eliminarea dioxidului de carbon atmosferic, protecția împotriva evenimentelor meteorologice extreme, cât și serviciile cultural-estetice. Încălzirea gobală induce modificări ale abundenței, ale distribuției geografice și ale activităților sezoniere ale diferitelor specii marine, având ca rezultat modificări la nivelul relațiilor dintre specii, cum sunt competiția sau relația pradă-prădător. Modificările întâlnite la nivel oceanic sunt reprezentate în Figura 1.12.
Fig. 1.12 – Estimări ale fluxurilor de carbon ca urmare a schimbărilor climatice (sursa: IPCC, 2014)
În cadrul celui de-al patrulea raport publicat de IPCC este abordată problema creșterii temperaturilor, ajungându-se la concluzia că temperatura la nivelul Europei a crescut cu aproape un grad Celsius, mai mult decât rata globală de încălzire de 0,74°C, ceea ce a dus la scăderea grosimii și a extinderii ghețarilor din zona artică (cu 40% în ultimii 30 de ani), existând posibilitatea dispariției complete a acestora pânǎ în anul 2100 și la retragerea ghețarilor din zone montane și alpine (Munții Alpi, Himalaya, Anzi), cu posibilitatea dispariției a peste 70% din ghețarii continentali. Ca urmare, se preconizează că până în anul 2100, temperatura globală va crește cu 1 până la 6,3 grade Celsius, iar nivelul oceanului planetar va crește cu 19 până la 58 cm.
1.4. Stocarea carbonului în ecosistemele de pajiște din zonele temperate
Pajiștile din zonele temperate ocupă o suprafață de circa 20% din totalul uscatului din Europa (Soussana și colab., 2004). Majoritatea pajiștilor, în condițiile actuale de management, sunt considerate rezervoare de carbon (Jones și Donnelly, 2004), existând studii ce susțin faptul că aceste ecosisteme au tendința de a reține o mare cantitate de carbon (Kim și colab., 1992; Frank și colab., 2000).
Stocarea carbonului este o metodă foarte bună nu doar pentru diminuarea cantității de dioxid de carbon din atmosferă, ci și pentru asigurarea securității mâncării prin îmbunătățirea calității solului (Lal, 2004).
Acumulările de carbon din ecosistemele de pajiște se întâlnesc în marea lor majoritate în subteran (Soussana și colab., 2004; Hungate și colab., 1997), în rădăcini și sol (Jones și Donnelly, 2004), având o rată de circulație mult mai mică decât stocurile de carbon din vegetația supraterană (Schlesinger, 1977). Estimările globale ale cantității de carbon din diferite specii vegetale întâlnite în pajiști sugerează faptul că aceste tipuri de ecosisteme contribuie cu aproximativ 10% la stocul total de carbon al biosferei (Eswaran și colab., 1993; Nosberger și colab., 2000).
Producția primară netă a unui ecosistem de pajiște temperată are o valoare cuprinsă între 1 și 6 tone C/ha/an (IPCC, 1996), având un rol important în determinarea cantității de carbon stocată în solurile din pajiști. Aceasta este diferența dintre producția primară netă pe de o parte și respirația heterotrofă, incendiile și modificările din cadrul stocurilor de carbon pe de altă parte (Jones și Donnelly, 2004). Cantitatea crescută de materie organică din solurile pajiștilor temperate asigură calitatea acestora, influențând astfel și productivitatea ecosistemului (Shukla, Lal și Ebinger, 2006). Principalele surse de materie organică din ecosistemele de pajiște sunt frunzele plantelor care nu prezintă interes pentru ierbivore, frunzele plantelor care rămân neconsumate, rădăcinile plantelor, excrețiile animalelor și resturile rămase în urma incendiilor (Rumpel, 2011). Datorită dimensiunilor mici ale rădăcinilor plantelor specifice ecosistemelor de pajiște, cea mai are cantitate de materie organică se află în primii 20 cm ai solului (Jobbagy și Jackson, 2000).
Temperatura și disponibilitatea apei influențează circuitul carbonului în ecosistemele de pajiște prin afectarea activității microbiene din sol și a productivității plantelor (Jones și colab., 2006), fiind mai apoi afectate multe alte procese ce se realizează în sol. Rata de respirație a solului crește o dată cu creșterea temperaturii datorită intensificării procesului de descompunere a materiei organice de către comunitățile microbiene (Jones și colab., 2006, preluat din Fang și Moncrieff, 2001). De asemenea, umiditatea solului influențează schimburile de CO2 prin modificarea disponibilității oxigenului, cantitatea optimă de apă din sol pentru realizarea activității microbiene având valori între 55-60% (Doran, 1988). Temperatura și umiditatea influențează și procesul de creștere al plantelor, având astfel efect și asupra cantității de carbon ce ajunge în sol din biomasa vegetală (Jones și colab., 2006).
O cantitate semnificativă de carbon este protejată de descompunere datorită mineralelor argiloase, în timp ce o alta formează un rezervor ce are o rezistență în timp intermediară, 10-15 ani, dar care se descompune rapid la perturbări (Jones și Donnelly, 2004). Jastrow (1996) a demonstrat că timpul de transformare a carbonului este mai mare în macroagregate (>212 µm) decât este în microagregate (53-212 µm), lucru ce arată că microagregatele sunt mult mai vulnerabile atât din punct de vedere fizic cât și biochimic. Micro și macroagregatele solului sunt formate în jurul fracțiunilor ușoare ale acestuia printr-un proces chimic și microbian de legare a carbonului la particulele minerale din sol, formând fracțiuni grele de carbon organic (Post și Kwon, 2000).
În ceea ce privește stocurile de carbon supraterane reprezentate de biomasa vegetală, aproximativ 60% din totalul lor este ingerat de animalele domestice în urma pășunatului, din care circa 75% este asimilabil, fiind respirat la scurt timp după preluare (Parsons și colab., 2011), iar restul de 25% este eliminat prin excreții (Soussana, 2004). Astfel, o mare cantitate din carbonul care intră în sol este eliberat în atmosferă în urma procesului de respirație și a activității microbiene (Jones și Donnelly, 2004).
Pajiștile sunt ecosisteme ce oferă o importantă cantitate de biomasă vegetală, întâlnindu-se atât sub formă naturală (pajiști alpine, subalpine, stepice), cât și sub formă transformată în urma utilizării lor pentru pășunat. Ele dețin o fracțiune a biodiversității României ce nu mai este întâlnită într-un alt ecosistem de aceleași dimensiuni (Dengler și colab., 2013).
Ecosistemele de pajiște din zonele temperate au fost atât de afectate de activitățile umane (în special prin pășunat, prin procesul de arat și transformarea agriculturii sau prin creșterea frecvenței incendiilor), încât puține dintre ele funcționează încă în regim natural (Woodward, 2008).
1.4.1. Importanța ecosistemelor de pajiște montane și alpine
Ecosistemele de pajiște au o importanță deosebită atât în realizarea activităților economice, agronomice și sociale de exploatare a resurselor de către ierbivorele domestice pentru producerea de mâncare și fibre, cât și în dinamica atmosferei, hidrosferei și a interacțiunilor suprafețelor continentale (Lemaire și colab., 2011).
Serviciile ecosistemice oferite de pajiști acoperă toate cele patru categorii de servicii întâlnite la nivel global – de producție, de reglare, culturale și de suport (Lemaire și colab., 2011). În ceea ce privește serviciul de producție oferit de ecosistemele de pajiște, acesta se referă la oferta de hrană pe care pajiștile o pun la dispoziția animalelor domestice și sălbatice (Fischlin și Midgley, 2007; Kemp și Michalk, 2011). Funcția de reglare cuprinde capacitatea de stocare a carbonului în special în soluri, dar și în biomasa vegetală (Jones și colab., 2006), pajiștile participând la reglarea climei prin absorbția și sechestrarea dioxidului de carbon atmosferic (Lal, 2004; Decaens și Lavelle, 2011 ). Ecosistemele de pajiște oferă suport pentru procesele de formare a solului (Illius și colab., 2011), pentru realizarea ciclurilor biogeochimice ale diferitelor elemente (Lemaire și colab., 2011) și are un rol important în menținerea stabiliății solului (Fischlin și Midgley, 2007). Serviciile culturale se concretizează în asigurarea unor zone de recreere, estetice, unde se pot desfășura activități educaționale.
1.4.2. Potențialul de stocare în pajiștile montane și alpine
Zonele montane ce se întâlnesc la latitudini medii sau joase au cel mai mare potențial de stocare a carbonului (Garcia-Pausas, 2007, preluat din Jones și colab., 2003). Solurile din ecosistemele de pajiște trec prin lungi perioade de timp în care stochează, acumulează și mențin imense cantități de carbon în subteran (Parsons și colab., 2011, preluat din Goudriaan, 1992), aceste tipuri de ecosisteme având un aport însemnat de carbon în rezervorul global al acestui element (Jones și Donnelly, 2004). Deși există numeroase dovezi cu privire la faptul că solurile din pajiștile alpine și montane au o capacitate mare de stocare a carbonului, nu se cunoaște încă pentru cât timp acest proces mai poate continua sau dacă există o limită maximă la care solul devine saturat în carbon (Jones și Donnelly, 2004, preluat din Franck, 2002).
Potențialul de stocare a carbonului în solurile din ecosistemele montane și alpine este crescut, în special datorită faptului că resturile rezultate în urma descompunerii rădăcinilor au o remanență mare în soluri (Rasse și colab., 2005). În mod normal, pierderile de CO2 din soluri au loc în timpul nopții, prin procesul de respirație a ecosistemului, iar acumulările de CO2 se realizează în timpul zilei (Buchmann, 2011). În absența animalelor, procesul de preluare a dioxidului de carbon atmosferic de către solurile din ecosistemele de pajiște are o intensitate mai mare decât atunci când acestea sunt prezente, datorită faptului că ierbivorele consumă frunzele plantelor, reducând astfel capacitatea acestora de a realiza procesul de fotosinteză (Parsons și colab., 2011).
În pajiștile montane și alpine, producția supraterană (Garcia-Pausas, 2007) și activitatea microbiană (Leifeld și Fuhrer, 2005) sunt strict dependente de altitudine, între cele două existând o relație invers proporțională. Astfel, odată cu creșterea altitudinii, scade intensitatea cu care procesele se desfășoară. Prin scăderea producției primare se reduce cantitatea de materie organică introdusă în sol (Garcia-Pausas, 2007, preluat din Hitz și colab., 2001), în timp ce prin diminuarea activității microbiene materia organică este descompusă într-o perioadă mai lungă de timp. Condițiile aspre asociate zonelor alpine și montane au o influență și asupra fluxurilor ce se realizează între atmosferă și sol, limitând astfel cantitatea de carbon eliberat în atmosferă (Garcia-Pausas, 2007, preluat din Rodeghiero și Cescatti, 2005).
Proprietățile solurilor din zonele alpine și montane depind de materialul parental, de adâncimea profilului și de conținutul rocilor, acestea fiind factori limitanți pentru procesul de stocare a carbonului (Leifeld și colab., 2004).
CAPITOLUL 2. Studiu de caz – Parcul Natural Bucegi
2.1. Scopul și obiectivele studiului
Scopul acestei lucrări constă în determinarea capacității de stocare a carbonului în pajiști alpine și montane din Parcul Natural Bucegi, reprezentate de habitatele ce au atribuite codurile 6230*, 6150 și 6170 conform clasificării Natura 2000.
Obiectivele au vizat estimarea cantității totale de carbon stocat în ecosistemele de pajiște alpine și montane din Parcul Natural Bucegi și distribuția stocurilor în aceste tipuri de ecosisteme. Activitățile necesare atingerii obiectivelor stabilite sunt menționate în Figura 2.1.
Figura 2.1 – Scopul, obiectivele și activitățile lucrării
Ipoteze de cercetare
Ipoteza 1
Capacitatea de stocare a carbonului în solurile din pajiștile montane este mai ridicată decât capacitatea de stocare a carbonului în solurile din pajiștile alpine datorită productivității primare mai ridicate și a distribuției pe verticală a carbonului pe un profil mai complex al solului.
Ipoteza 2
Stocurile de carbon din sol variază în funcție de altitudine, crescând o dată cu altitudinea datorită condițiilor climatice (temperatură și umiditate) care favorizează procesele de imobilizare ale carbonului în sol.
2.2. Organizarea progamului de cercetare
2.2.1. Selectarea zonei de studiu
Parcul Natural Bucegi este situat în partea estică a Carpaților Meridionali, pe teritoriul administrativ a trei județe: Dâmbovița, Prahova, Brașov, și cuprinde integral masivul Bucegi. Înălțimea maximă de 2505 m este atinsă în parc de vârful Omu (Planul de Management PNB, 2008), însă se întâlnesc și culmi mai joase spre culoarele depresionare ale Branului.
Datorită poziției sale, Parcul Natural Bucegi este caracterizat de climatul montan-forestier și de climatul alpin, suportând influențele circulației generale a atmosferei și caracteristicile climatice specifice altitudinilor ce variază de la 800 la 2500 m. Astfel, temperatura medie anuală a aerului din Parcul Natural Bucegi este de 4.9o C.
Pentru studiul stocurilor de carbon, în prezenta lucrare s-au luat în vedere trei tipuri de habitate care să surprindă zonele caracteristice Munților Bucegi, și anume zonele alpină (caracterizată de altitudini cuprinse între 1500 și 2500 m, temperaturi de -10.8 până la +5.6o C și precipitații ce ating 1450 mm) și montană (caracterizată de altitudini cuprinse între 800 și 2070 m, temperaturi de la -5.2 până la +15.7o C și o cantitate de precipitații ce poate atinge 1400 mm). Au fost astfel alese habitate de pajiști alpine și boreale pe substraturi silicatice, cărora le este atribuit codul 6150 în clasificarea Natura 2000, habitate de pajiști alpine și subalpine pe substraturi calcaroase, având codul 6170 conform Natura 2000 și habitate de pajiști de Nardus sp., care au atribuit codul 6230* în clasificarea Natura 2000. Acestea din urmă sunt habitate prioritare în conformitate cu Anexa 1 a Directivei Habitate 92/43/EEC.
2.2.1.1. Pajiști de Nardus stricta (cod Natura 2000: 6230* )
Pajiștile de Nardus de pe substrate silicate din zone montane sunt caracteristice altitudinilor cuprinse între 800 și 2070 m, prezentând astfel influențe climatice specifice acestor altitudini. Odată cu altitudinea crește și umezeala relativă a aerului, ajungându-se până la circa 84% înspre limita superioară a etajului montan. Temperaturile variază de la -3.9oC, -5.2oC în lunile de iarnă, la 14.4oC, 15.7oC în cele de vară, existând o durată posibilă de îngheț cuprinsă între 285 și 310 zile.
În ceea ce privește vânturile, dominante sunt cele din sud-vest, vest și nord-vest, având viteze medii anuale de peste 6 metri/secundă. Direcția dominantă a vânturilor se suprapune cu direcția de circulație a atmosferei în România, deplasarea maselor de aer realizându-se de la vest la est. Există o diferențiere netă între versanții supuși acțiunii vânturilor și cei care, prin așezarea lor, sunt evitați de acestea. În timp ce versanții estici sunt adăpostiți de acțiunea vânturilor, pe versanții vestici și nord-vestici este întâlnit în mare măsură procesul de îndepărtare și transportare a materialului rezultat în urma eroziunii, denumit, pe scurt, proces de deflație.
Relieful influențează în mare măsură cantitatea de precipitații care ajunge pe versanți, însă frecvența cea mai mare a acestora este întâlnită în luna mai, ploile fiind cel mai des întâlnite în lunile de vară, precipitațiile solide, sub formă de zăpadă, făcându-și apariția în restul anului, când temperaturile sunt negative. Cantitatea de precipitații medie anuală din pajiștile de Nardus se încadrează în intervalul 900 – 1400 mm.
Ceața apare în urma ascensiunii unei mase de aer de-a lungul versantului, producându-se scăderea temperaturii acesteia odată cu scăderea presiunii atmosferice. În regiunile montane ceața este foarte densă, însă deloc uniformă datorită denivelărilor pantelor și a variațiilor de intensitate ale vântului, apărând ca fragmente discontinue.
Din punct de vedere pedologic, pajiștile de Nardus sunt caracterizate de spodisoluri cu profil scurt, sărace în baze (5–10%), slab aerate și acide, cu un pH de aproximativ 3,6–4,5 (Donițã și colab., 2005). Acest tip de habitat este cel mai des întâlnit pe soluri sărace în nutrienți, ce au ca rocă parentală diferite tipuri de roci silicioase (The European Commission, 2008).
Pajiștile de Nardus sunt habitate oligotrofe, xerofile, fiind adaptate la climat arid, și acidofile, dezvoltate pe soluri cu aciditate mare. Acestea ocupă suprafețe însemnate, continue, pe coastele slab înclinate din porțiunea inferioară și mijlocie a platoului: pe platourile munților Dichiu, Oboarele, Nucet, Blana, Lăptici, Piatra Arsă și Cocora (Planul de Management PNB, 2008). Aceste habitate se deosebesc printr-o bogăție specifică ridicată (Sârbu și colab., 2008), situațiile variind de la cazul în care Nardus stricta are o acoperire de 50% din totalul vegetației (Gafta și Mountford, 2008), până la cazul în care această specie ocupă până la 95% din habitat, devenind astfel monodominantă și făcând ca numărul celorlalte specii din compoziția floristică să scadă foarte mult (Donițã și colab., 2005).
Deși stratul arbustiv este scăzut, în pajiști pot pătrunde diverse specii de arbuști, dintre care menționez două, care sunt întâlnite mai des: afinul (Vaccinium myrtillus L.) și merișorul (Vaccinium vitis-idaea L.). Diversitatea speciilor de mușchi este redusă, straturile întâlnite având în componență mușchiul de pământ (Polytrichum commune Hedw., Polytrichum juniperinum Hedw.), dicranul paniculiform (Dicranum scoparium Hedw.), mușchiul de piatră (Pleurozium schreberi Mitt., Hylocomium splendens Hedw.). Spre deosebire de mușchi și arbuști, vegetația ierboasă este mult mai diversificată, clasificându-se în specii edificatoare: trei frați pătați (Viola declinata Waldst. & Kit.) și țăpoșica (Nardus stricta L.), specii caracteristice: luceafărul (Scorzonera rosea Waldst. & Kit) și firuța (Poa media L.); și specii importante: rusulița (Hieracium aurantiacum L.), anghinarea oilor (Hypochoeris uniflora Vill.), iarba neagră (Calluna vulgaris (L.) Hull), mărțișorul (Geum montanum L.), mărarul-ursului (Ligusticum mutellina L.), sclipeți de munte (Potentilla ternata L.), clopoței (Campanula abietina Griseb., Campanula serrata Kit. & Schult), orhidee (Leucorchis albida (L.) E. Mey.), grozama (Genista sagittalis L.), păiuș (Festuca nigrescens L.), parpianul (Antennaria dioica (L.) Gaertn.), mălaiul cucului (Luzula campestris (L.) DC.), rogoz (Carex ovalis Gooden.), amăreala (Polygala vulgaris L.), silurul (Euphrasia stricta J.P.Wolff & J.F.Lehm.), vulturica (Hieracium pilosella L.), opintic (Hieracium lactucella Wallr.), sclipetul (Potentilla erecta Uspenski & Ledeb.), credei de munte (Luzula sudetica (Willd.) DC.), alchemila (Alchemilla glaucescens Wallr.), (Alchemilla flabellate Buser), sunătoare (Hypericum maculatum Crantz), arnica (Arnica montana L.).
2.2.1.2. Pajiști alpine și boreale pe substraturi silicatice (cod Natura 2000: 6150)
Altitudinile caracteristice acestor tipuri de pajiști sunt cuprinse în intervalul 1800-2500 m, făcând ca aceste habitate să fie încadrate în etajul alpin. Astfel, pajiștile boreale și alpine pe substraturi silicatice sunt caracterizate de variații mari de temperatură între iarnă și vară, în ianuarie, luna cea mai rece din an, înregistrându-se -10.8o C, în timp ce în iulie se ajunge până la +5.6o C.
Datorită predominanței temperaturilor negative chiar și în lunile de vară, în etajul alpin înghețul se poate produce pe tot parcursul anului, ajungându-se la o durată a intervalului posibil de îngheț de 310-345 zile, cu o perioadă de îngheț cuprinsă în intervalul 230-265 zile.
Ca și în pajiștile de Nardus sp., vânturile dominante sunt cele din sud-vest, vest și nord-vest, cu viteze medii anuale de peste 6 metri/secundă. Precipitațiile înregistrează valori cuprinse între 1300-1450 mm, având valori tot mai crescute odată ce înaintăm înspe zona alpină superioară. În perioada de vară, caracteristice sunt precipitațiile sub formă de ploi și burniță, în timp ce în restul anului, datorită temperaturilor negative, zăpada este cel mai des întâlnită. Datorită cantităților însemnate de precipitații (Planul de Management PNB, 2008) și a așezării lor pe versanți înclinați, cu expoziție variată, însă întotdeauna expuși vânturilor (Doniță și colab., 2005), pajiștile boreale și alpine pe substraturi silicatice sunt supuse fenomenelor de eroziune torențială, activitatea maximă pluviotorențială fiind caracteristică altitudinii de aproximativ 2300 m (Planul de Management PNB, 2008).
Pajiștile alpine pe substraturi silicioase se întâlnesc pe humosiosoluri acide cu un pH cuprins între 4.2 și 4.5 și cu o cantitate redusă de elemente nutritive. Acest lucru, împreună cu toate caracteristicile climatice, oferă acestor habitate caracter xerofil-oligoterm (Donită și colab., 2005).
În ceea ce privește diversitatea specifică caracteristică acestui tip de habitat, speciile edificatoare pentru pajiștile alpine pe substraturi silicatice sunt, în primul rând, părul porcului (Juncus trifidus L.), și târsa mică (Oreochloa disticha Wulfen), care este sporadică. Pe lângă acestea se întâlnesc mușchi, dintre care menționez mușchiul alpin (Polytrichum alpinum (Hedw.) G.L.Sm), mușchiul de pământ (Polytrichum juniperinum Hedw.) și dicranul paniculiform (Dicranum scoparium Hedw.) și licheni de piatră (Cetraria islandica (L), Ach., Thamnolia vermicularis (Sw.) Schaer.). Din categoria vegetației ierboase se remarcă anumite specii, printre care sclipeți de munte (Potentilla ternata L.), azalea alpină (Loiseleuria procumbens L.), vuietoarea (Empetrum nigrum L.), merișorul (Vaccinium vitis-idaea L.), afinul (Vaccinium myrtillus L.), clopoței de munte (Campanula alpina Jacq.), părușca (Festuca supina Schur), ochiul găinii (Primula minima L.), iarba stâncilor (Agrostis rupestris All.), bănica (Phyteuma confusum L.), stuf (Luzula spicata (L.) DC.), coada iepurelui (Sesleria coerulans (L.) Ard.), cruciulița de munte (Senecio carpaticus L.), vulturica de munte (Hieracium alpinum L.), dediței de munte (Pulsatilla alba L.), mierluța pitică (Minuartia sedoides L.).
2.2.1.3. Pajiști alpine și subalpine pe substraturi calcaroase (Cod Natura 2000: 6170)
După clasificarea Natura 2000, sunt trei tipuri de pajiști cărora le-a fost atribuit același cod 6170, acestea fiind pajiști sud-est carpatice de păiuș cu colți (Festuca versicolor) și Sesleria rigida ssp. Haynaldiana, pajiști sud-est carpatice de păiuș de stânci (Festuca saxatilis) și pajiști sud-est carpatice de Festuca amethystina și Dianthus tenuifolius.
Aceste tipuri de habitate se întâlnesc la altitudini cuprinse între 1500 și 2500 m, pe versanți calcaroși, însoriți, pe pante stâncoase cu înclinație redusă. Temperaturile înregistrate se încadrează între -2.5 – +4o C, iar precipitațiile ating valori cuprinse între 1100-1450 mm, atât temperaturile, cât și precipitațiile fiind dependente de altitudinea la care pajiștea este întâlnită.
Din punct de vedere pedologic, acest tip de pajiști se dezvoltă pe rendzine slab dezvoltate, bogate în humus, ce au un pH slab acid spre neutru (5.8 – 6.8), uneori chiar slab bazic (7 – 7.5). Sunt habitate primare, xerofile, fiind adaptate la perioade lipsite de umiditate.
Pe lângă speciile edificatoare pentru acest tip de habitat, diferitele specii de păiuș (Festuca versicolor L., Festuca rupicola ssp. Saxatilis L.), coada iepurelui (Sesleria rigida ssp. Haynaldiana Schur), festuca curcubeu (Festuca amethystina L.) și garofița de munte (Dianthus tenuifolius Schur.), se mai întâlnesc numeroase specii vegetale, dintre care argințica (Dryas octopetala L.), gențiana de zăpadă (Gentiana nivalis L.), gențiana de câmp (Gentiana campestris L.), crețișoara (Alchemilla hoppeana (H.G.L.Reichenbach) Dalla Torre, A. conjuncta Bab., A. flabellata Buser), iarba rănii (Anthyllis vulneraria L.), chituluș (Astragalus alpinus L.), ochiul boului (Aster alpinus L.), flămânzica (Draba aizoides L.), iarba osului (Helianthemum nummularium subsp. grandiflorum (L.) Mill. , H. oelandicum subsp. alpestre (L.) Mill.), dediței de munte (Pulsatilla alpina subsp. alpina (L.) Delarbre), spinuța (Phyteuma orbiculare L.), ștevia de munte (Astrantia major L.) sau șopârlița (Polygala alpestris Rchb.).
2.2.2. Stabilirea punctelor de prelevare
A. De unde s-a prelevat?
Pentru studiul stocurilor de carbon din solurile alpine și montane din Parcul Natural Bucegi s-au prelevat probe din trei tipuri de habitate, având codurile 6230*, 6150, respectiv 6170, conform clasificării Natura 2000. Au fost prelevate probe din Dichiu (CiLj, CiMj și CiOj) (Figura 2.2.), Jepii mici (JMi) (Figura 2.2., 2.3.), Abruptul Prahovean (APi) (Figura 2.4.), Colții Barbeș (CBi) (Figura 2.2., 2.3., 2.5.)și Brâna Caraiman (BCi) (Figura 2.2.), astfel încât să fie surprinse toate cele trei tipuri de habitate de pajiști.
Pajiștile montane și alpine au fost selectate pentru a fi analizate din punct de vedere al capacității de stocare al carbonului deoarece: a) reprezintă, la nivelul României, o suprafață extinsă care poate asimila cantități importante de dioxid de carbon; b) sunt arealele cu cea mai ridicată diversitatea specifică dintre habitatele terestre, motiv pentru care cercetarea lor s-a axat doar pe aspectul bogăției de specii, fără a se indica interconexiunea cu alte servicii ecosistemice.
Prelevarea s-a făcut din primii 5 cm de sol, aceasta fiind zona cea mai activă din puct de vedere biologic, prelevându-se câte o singură probă din fiecare subplot.
Figura 2.2 – Reprezentarea punctelor de prelevare a probelor din zona Dichiu (C2M2, C2M1, C2M5, C2M4), a Cabanei Jepilor Mici (JM22, JM24) și a Colților Barbeș (CB1, CB2, CB4, CB5, CB6) realizată în Google earth
Figura 2.3 – Reprezentarea punctelor de prelevare a probelor din zona Brânei Caraiman (BC1), a Cabanei Jepii Mici (JM22, JM23 și JM24), a Colților Barbeș ( CB3, CB5, CB6, CB14) și a Jepilor Mici (JM3) realizată în Google Earth.
Figura 2.4 – Reprezentarea punctelor de prelevare a probelor din zona Abruptului Prahovean (AP1, AP2, AP3, AP4, AP6, AP8, AP10, AP11, AP12, AP14) și a Cabanei Naturaliștilor (CN1, CN2, CN4, CN5) realizată în Google Earth.
Figura 2.5 – Reprezentarea punctelor de prelevare a probelor din zona Colților Barbeș (CB1, CB2, CB5, CB6, CB9, CB10, CB11, CB12, CB14, CB15) realizată în Google Earth.
B. Când s-a prelevat?
Probele au fost prelevate în anul 2015 la două momente de timp, și anume la începutul lunii iulie, în perioada 7-12, respectiv la începutul lunii septembrie, în perioada 1-5 pentru a surprinde perioadele de vegetație ale tuturor speciilor. De asemenea, în perioada iunie-septembrie activitatea biologică își atinge potențialul maxim.
C. Cum s-a prelevat?
Metoda de prelevare a fost simplu randomizată, alegerea aleatoare a punctelor de prelevare fiind asigurată de ArcGIS. S-a folosit un quadrat cu latura de 5 m, plotul având suprafața de 25 m2, care a fost împărțit în subploturi de suprafață 0.25 m2, această valoare fiind standard pentru prelevarea în pajiști cu diversitate mare.
2.2.3. Metode de analiză utilizate
Etapa fazei de laborator cuprinde pregătirea probelor de sol și efectuarea propriu-zisă a diferitelor proceduri în scopul determinării concentrației totale de carbon din probele de sol prelevate.
Uscarea probelor
Ulterior procesului de prelevare a probelor de sol urmează uscarea acestora, procedură ce se întinde pe o perioadă de 24-48 h, la o temperatură de 105o C.
Procedura de uscare a probelor este necesară în scopul stocării probelor pentru o anumită perioadă de timp, rolul acesteia fiind aceea de a reduce la minimum realizarea diferitelor reacții chimice și biochimice (Tan, 2005). Procesul de uscare nu afectează cantitatea de carbon organic din sol, sau concentrația de azot a acestuia
Măcinarea probelor
Procedura se realizează utilizând Pulverisette 7 – Planetary Micro Mill (Figura 2.6), un aparat folosit la măcinarea probelor organice sau anorganice ce urmează a fi analizate.
Figura 2.6 – Pulverisette 7 – Planetary Micro Mill (preluat din Manualul de utilizare Pulverisette 7 classic line, 2014)
Proba de sol este introdusă în recipientul aparatului alături de bilele pentru măcinare. Forțele centrifuge apărute în urma rotației recipientelor cu probele de sol în jurul propriilor axe și în urma rotației discului de susținere a recipientelor, produc mișcarea bilelor din interiorul acestora. Datorită faptului că recipientele și discul de susținere a acestora au sensuri de rotație opuse (Figura 2.7), efectul mișcării bilelor este intensificat atât de impactul acestora cu pereții recipientelor, cât și de impactul dintre ele, rezultatul final fiind măcinarea probelor de sol.
Figura 2.7 – Sensul de rotație al recipientelor și al discului de susținere (preluat din Manualul de utilizare Pulverisette 7 classic line, 2014)
Anterior introducerii probelor în recipiente, se setează timpul de rotație (Figura 2.8) și viteza de rotație (Figura 2.9), care vor rămâne aceleași pentru toate probele. Astfel, pentru măcinarea probelor de sol din Parcul Natural Bucegi am setat o viteză de rotație de 800 rpm, timp de 3 minute.
Figura 2.8 – Panoul de control al timpului de rotație (preluat din Manualul de utilizare Pulverisette 7 classic line, 2014)
Figura 2.9 – Panoul de control al vitezei de rotație (preluat din Manualul de utilizare Pulverisette 7 classic line, 2014)
Cântărirea probelor
Cântărirea se realizează cu o balanță cu precizie de 6 zecimale, numită Mettler Toledo Excellence Plus XP Micro (Figura 2.10), din fiecare probă fiind cântărite câte aproximativ 4 mg de sol.
Figura 2.10 – Balanța Mettler Toledo Excellence Plus XP Micro (preluat din Manualul de utilizare Mettler Toledo Partea I, 2010)
După pornirea balanței, prin apăsarea butonului On/Off, pe ecranul acesteia apare valoarea de 0.0000 mg (Figura 2.11), semnificând faptul că balanța nu înregistrează nici-o valoare.
Pentru probele de sol se folosesc recipiente de aluminiu (Figura 2.12) în care se adaugă cantitatea de sol ce trebuie cântărită.
După adăugarea recipientului de aluminiu în balanță (Figura 2.13) se setează tara (Figura 2.14), în urma acestei acțiuni balanța luând greutatea recipientului ca fiind o greutate nulă, cântărirea ulterioară a probei începând de la valoarea 0. Astfel, nu este luată în considerare greutatea recipentelor, fiind importantă doar greutatea solului luat pentru a fi cântărit. După adăugarea a aproximativ 4 mg de sol, recipientul de împacheteză și se pune în tavă (Figura 2.15).
Figura 2.11 – Ecranul balanței înaintea începerii cântăririi (preluat din Manualul de utilizare Mettler Toledo Partea I, 2010)
Figura 2.12 – Recipiente din aluminiu (imagine proprie)
Figura 2.13 – Adăugarea recipientului de aluminiu în balanță pentru începerea procesului de cântărire (imagine proprie)
Figura 2.14 – Setarea tarei (preluat din (preluat din Manualul de utilizare Mettler Toledo Partea I, 2010)
Figura 2.15 – Tava de păstrare a probelor (imagine proprie)
Analiza elementală CNS
Analiza propriu-zisă a concentrației de carbon total din probele de sol o realizează aparatul numit Vario PYRO cube (Figura 2.16). Analizorul elemental este un instrument ce poate oferi automat informații cantitative cu privire la următoarele elemente – C, H, N, S și O – din probă.
Figura 2.16 – Vario PYRO cube (preluată din Manualul de utilizare vario PYRO cube, 2010 )
La pornirea aparatului, pentru a putea începe analiza probelor, primul pas îl reprezintă setarea temperaturilor tuburilor de combustie, respectiv reducție. Pentru analiza de tip CNS, temperaturile necesare pentru fiecare dintre cele două tuburi sunt listate în Tabelul 2.1.
Tabel 2.1 – Temperaturile tuburilor (Manual de utilizare vario PYRO cube, 2010)
Pe partea superioară a aparatului este situat un carusel, reprezentând partea mecanică a sistemului. Acesta este responsabil cu pătrunderea probelor de sol în aparat, modul de funcționare fiind rotirea caruselului în sensul acelor de ceasornic în așa fel încât proba ce urmează să fie analizată să ajungă în dreptul orificiului care face legătura cu aparatul, proba fiind eliberată în supapa din respectivul orificiu. Supapa are rolul de a reține proba curentă, izolând-o de aerul atmosferic și permițând sistemului să înlocuiască orice cantitate de aer atmosferic rămasă, cu heliu. Supapa trimite apoi proba de sol în tubul de combustie. Acesta se află, împreună cu tubul de reducție, în furnal, acesta din urmă având rolul de a menține temperaturile setate anterior la aproximativ aceleași valori ca cele inițiale, făcând astfel posibilă realizarea unui număr mai mare de analize elementale. În cazul analizelor de tip CNS, între tubul de combustie și tubul de reducție mai este introdus un tub, și anume tubul de absorbție, umplut cu Pentaoxid de fosfor (Sicapent). Acest compus are rolul de a absorbi umiditatea la trecerea gazelor de-a lungul tubului de absorbție. Aerul aflat în tubul de combustie este bogat în oxigen, ceea ce facilitează formarea următoarelor gaze, prin reacția elementelor C, N, S și H cu oxigenul – CO2, H2O, N2, NOx, SO2 și SO3. Produșii rezultați în tubul de combustie sunt transferați apoi prin tubul de absobție, unde este reținută apa, ajungând în final în tubul de reducție. Aici urmează reducerea oxizilor de azot (NOx) și a trioxidului de sulf (SO3) la azot (N2), respectiv dioxid de sulf (SO2). După separarea compușilor în coloana de adsorbție, aceștia sunt transportați de către gazul transportor (He) către detectorul de conductivitate termică, care, fiind sensibil la existența unor gaze străine, cum sunt cele de interes pentru analiză, reacționează prin producerea unui semnal electric ce este înregistrat și integrat de către software. Aparatul nu măsoară conținutul absolut al elementelor din probe, ci doar schimbările identificate în conductivitatea termică a gazelor, modificările fiind cele care produc semnalul electric. Astfel, pentru a se crea o corelație între semnalul de detecție integrat și conținutul absolut al elementelor din probă, se realizează o serie de măsurători de calibrare cu un compus al cărui conținut în elementele de interes este cunoscut, alegându-se pentru analiza descrisă în prezenta lucrare sulfanilamida. Aceasta era un conținut cunoscut al celor trei elemente de interes pentru analiza CNS, carbonul având o valoare de 41.81%, azotul de 16.26%, iar sulful de 18.62%. Concentrația unui element în probă este exprimată sub formă procentuală, software-ul utilizând următoarea formulă pentru determinarea acesteia:
,
unde: c = concentrația elementului, exprimată în procente (%);
a = cantitatea absolută a elementului, exprimată în miligrame (mg);
f = factorul zilnic;
w = greutatea probei, exprimată în miligrame (mg).
Cantitatea absolută a elementului (a) se calculează în funcție de compusul a căror concentrații se cunosc. Astfel, pentru fiecare element vizat, cantitatea absolută a acestuia este calculată după formula:
,
unde: a = cantitatea absolută a elementului, exprimată în miligrame (mg);
w = greutatea probei ce conține compusul (sulfanilamida), exprimată în miligrame (mg);
c = concentrația elementului, exprimată în procente (%).
Factorul zilnic este determinat în urma analizării probelor standard, fiind calculat după următoarea formulă:
,
unde: f = factorul zilnic;
c theo = concentrația teoretică a elementului;
c act = concentrația actuală (măsurată) a elementului.
Caruselul (Figura 2.17) prezintă 120 de orificii numerotate, care, odată cu rotirea acestuia, ajung în dreptul supapei unde va fi eliberată proba.
Figura 2.17 – Caruselul aflat în partea superioară a aparatului (preluată din Manualul de utilizare vario PYRO cube, 2010)
2.3. Rezultate și discuții
Analiza diferențelor de stocare a carbonului s-a realizat la două nivele de generalitate: o distincție între pajiștile montane și apline și o distincție între tipuri diferite de habitate aparținând pajiștilor montane și alpine. În ambele cazuri s-a observat o diferență semnificativă între stocurile de carbon din sol (Figura 2.18, 2.19).
Cantitatea de carbon stocată în soluri depinde în mare măsură de două procese: intrările de materie organică din materialul vegetal și rata cu care materia organică este descompusă în soluri. Procesul de descompunere se desfășoară în trei faze, caracterizate fiecare de scări temporale diferite. Prima fază se finalizează cu descompunerea a aproximativ o pătrime până la două treimi din materia organică inițial introdusă, proces realizat într-o perioadă de până la 2 ani (Jenkinson și Ladd, 1981). Următoarele două faze sunt caracterizate de rate de descompunere a materiei organice mult mai mici, având o întindere temporală de până la 100 ani, respectiv până la 1000 ani. A doua fază este considerată a fi rezervorul intermediar de carbon, în timp ce faza a treia este responsabilă pentru stocarea pe termen lung a acestui element în soluri (Falloon și Smith, 1999).
O parte din cantitatea de materie organică este inaccesibilă microorganismelor, fiind astfel îngreunată descompunerea acesteia, situație ce conduce la formarea stocurilor de carbon din soluri. Au fost identificate trei cauze majore care explică de ce materia organică poate prezenta rezistență la descompunere, acestea fiind: compoziția chimică a materiei organice (ceea ce explică caracterul recalcitrant al acesteia), accesul scăzut al microorganismelor la materia organică și tăria interacțiilor dintre compușii organici și particulele minerale. Cei trei factori acționează diferit în funcție de textura și conținutul în minerale a solului, sau chiar a orizonturilor aceluiași sol (Lutzow și colab., 2006).
Ipoteza 1
Capacitatea de stocare a carbonului în solurile din pajiștile montane este mai ridicată decât capacitatea de stocare a carbonului în solurile din pajiștile alpine datorită productivității primare mai ridicate și a distribuției pe verticală a carbonului pe un profil mai complex al solului.
Înainte de a analiza pe baza statisticii inferențiale ipotezele de cercetare am realizat o analiză exploratorie a datelor (prin statistică descriptivă). Valorile stocurilor de carbon din pajiștile montane au o valoare medie mai mare decât stocurile de carbon din pajiștile alpine (Tabelul 2.2), însă în ceea ce privește valorile minime și maxime putem remarca faptul că în pajiștile montane varibilitatea valorilor este mult mai restrânsă (Minimum = 43.27 t C ha-1, Maximum = 144.1 t C ha-1) decât în cazul pajiștilor montane (Minimum = 12.28 t C ha-1, Maximum = 172.2 t C ha-1) (Tabelul 2.2).
Tabelul 2.2 Informații statistice descriptive (valore minime, mediana, valoare maximă, media, deviația standard, eroarea standard) ale distribuției stocurilor de C în pajiști montane și alpine. Datele sunt exprimate în t C ha-1.
Pentru a avea o imagine mai detaliată, am realizat o analiză a datelor descriptive și pentru o clasificare mai specifică, unde am diferențiat pajiștile alpine în două tipuri diferite de habitate care se individualizează prin natura diferită a substratului geologic. Astfel, putem remarca că variabiliatea cea mai mare a valorilor stocurilor de carbon este specifică pajiștilor alpine pe substrate calcaroase (H 6170, Tabelul 2.3) cu o medie a valorilor mai mare (50.86 t C ha-1) decât în cazul pajiștilor alpine pe substrate silicate (32.63 t C ha-1, H 6150, Tabelul 2.3).
Tabelul 2.3 Informații statistice descriptive (valore minime, mediana, valore maximă, media, deviația standard, eroarea standard) ale distribuției stocurilor de C în pajiști montane (H 6230) și alpine pe substrate calcaroase (H 6170) și substrate silicate (H 6150). Datele sunt exprimate în t C ha-1.
Pentru a evalua diferența dintre stocurile de carbon din solurile din pajiștile alpine și montane (Ipoteza 1) am aplicat analiza statistică inferențială și am testat prin intermediul testului t dacă stocurile sunt semnificativ diferite la un prag de semnificație α = 95%. Atât analiza statistică descriptivă cât și cea inferențială a fost realizată cu programul GraphPad Prism 5.
Ipoteza inițială a fost aceea că nu există diferențe între stocurile de carbon din pajiștile alpine și cele din pajiștile montane. O valoare a variabilei P de tipul two-tailed semnifică faptul că testul t va verifica atât posibilitatea ca stocurile din pajiștile montane să fie mai mari decât stocurile din pajiștile alpine, cât și posibilitatea ca acestea să fie mai mici. Eroarea standard reprezintă probabilitatea ca ipoteza inițială să fie falsă. Valorile lui P < 0.05 sau P < 0.01 indică diferențe semnificative între mărimile stocurilor din cele două tipuri de pajiști, astfel că ipoteza inițială este respinsă (Tabelul 2.3, 2.4., 2.5) sau în caz contrar pentru valori ale lui P > 0.05 ipoteza este acceptată (Tabelul 2.6, 2.7) și nu există semnificație statistică. Diferențele semnificative la P < 0.05 sunt simbolizate printr-o steluță (*), iar diferențele semnificative la P < 0.01 sunt simbolizate prin două steluțe (**), iar lipsa semnificație statistice prin ‘ns’.
Tabelul 2.3 – Semnificația testului statistic t (prag de semnificație α = 95%) în evaluarea distribuției stocurilor de carbon în solurile din habitatele montane de Nardus (H 6230) și alpine pe substrate calcaroase și silicate (H 6170, H 6150). Simbolul “*” indică diferențe semnificative la P < 0.05.
Tabelul 2.4 – Semnificația testului statistic t (prag de semnificație α = 95%) în evaluarea distribuției stocurilor de carbon în solurile din habitatele montane de Nardus (H 6230) și alpine pe substrate calcaroase și silicate (H 6170, H 6150). Simbolul “*” indică diferențe semnificative la P < 0.05.
Tabelul 2.5 – Semnificația testului statistic t (prag de semnificație α = 95%) în evaluarea distribuției stocurilor de carbon în solurile din habitatele montane de Nardus (H 6230) și alpine pe substrate silicate (H 6150). Simbolul “**” indică diferențe semnificative la P < 0.01.
Tabelul 2.6 – Semnificația testului statistic t (prag de semnificație α = 95%) în evaluarea distribuției stocurilor de carbon în solurile din habitatele montane de Nardus (H 6230) și alpine pe substrate calcaroase (H 6170). Simbolul “ns” (non-significant) semnifică lipsa semnificației statistice (P > 0.05).
Tabelul 2.7 – Semnificația testului statistic t (prag de semnificație α = 95%) în evaluarea distribuției stocurilor de carbon în solurile din habitatele alpine pe substrate calcaroase (H 6170) și alpine pe substrate silicate (H 6150). Simbolul “ns” (non-significant) semnifică lipsa semnificației statistice (P > 0.05).
Cantitatea de carbon care se stochează în solurile din zonele montane temperate variază de la 4.5 până la 278 t C ha-1, cu o valoare medie de 100 t C ha−1 (Jandl et al. 2011). În pajiștile montane din Parcul Natural Bucegi valorile stocurilor de C (Fig. 2.8) se situează în apropierea valorilor medii ale pajiștilor montane din zone temperate.
Astfel, se observă că valorile conținutului în carbon din solurile din pajiștile montane sunt semnificativ statistic mai mari decât valorile conținutului în carbon din solurile din pajiștile alpine (Figura 2.18). Diferențele înregistrate se pot datora procesului de eroziune care este mult mai intens în pajiștile alpine decât în pajiștile montane, datorită elementelor de topografie (pajiștile alpine sunt situate pe versanți înclinați iar pajiștile montane pe coaste domoale). Prin eroziune sunt antrenate, în primul rând, particulele de sol din stratul superficial, care sunt și cele cu un conținut mai ridicat în materie organică. O altă cauză ar putea fi stratul subțire, superficial de sol din zonele alpine care îngreunează procesul de stocare al carbonului. Datorită condițiilor climatice mai puțin favorabile din zona alpină și datorită faptului că roca parentală este aflată înspre suprafața solului, dezvoltarea pe verticală a acestuia nu este foarte ridicată.
De asemenea, prezența arborilor și a arbuștilor pe marginile pajiștilor montane face ca în solurile acestora să se acumuleze materie organică greu degradabilă datorită conținutului ridicat în substanțe recalcitrante a vegetației lemnoase. Materia organică se acumulează și formează stocurile de carbon. Acest aspect poate reprezenta o altă cauză a diferențelor înregistrate.
Figura 2.18 – Distribuția stocului de carbon în solurile din pajiști montane și alpine. Barele indică valorile medii + eroarea standard (SEM – standard error mean). Valorile cu litere diferite indică diferență statistică semnificativă (P < 0.05).
Datorită faptului că circuitul biogeochimic al azotului este strâns interconectat cu cel al carbonului, diferențele între stocurile de carbon din pajiștile montane și cele alpine pot fi cauzate și pot induce modificări ale fluxurilor de forme disponibile de azot (nitrat și amoniu). Bacteriile libere fixatoare de azot sunt răspândite până la altitudini foarte mari, însă, datorită temperaturilor scăzute ale solurilor, activitatea lor este inhibată (Botnariuc și Vădineanu, 1982).
Figura 2.19 – Distribuția stocului de carbon în solurile din pajiștile montane de Nardus (H 6230 – Cod Natura 2000), din pajiștile boreale și alpine pe subtraturi silicatice (H 6150 – Cod Natura 2000) și din pajiștile alpine și subalpine pe substraturi calcaroase (H 6170 – Cod Natura 2000). Barele indică valorile medii + eroarea standard (SEM – standard error mean). Valorile cu litere diferite indică diferență statistică semnificativă (P < 0.01).
La compararea celor trei tipuri de habitate folosind metoda Oneway ANOVA, au fost identificate diferențe semnificative în ceea ce privește stocurile de carbon (Tabel 2.4.). Valorile de carbon din solurile habitatului de pajiști montane H 6230 sunt semnificativ statistic mai mari decât cele din solurile habitatului alpin pe substrat silicat H 6150 (Tabel 2.5), însă nu s-au identificat diferențe statistice semnificative la compararea valorilor de carbon din solurile habitatului de pajiști montane H 6230 și a celui alpin pe substrat calcaros H 6170 (Tabel 2.6.) sau la compararea celor din solurile habitatelor alpine pe substrat silicat H 6150 și alpin pe substrat calcaros H 6170 (Tabel 2.7).
Diferențele înregistrate în cazul habitatelor montan H 6230 și alpin H 6150 (Figura 2.19) se pot datora pășunatului, care determină creșterea cantității de N-NO3¯ și N-NH4+ (forme disponibile de azot) prin depunerea de fecale. Un surplus al formelor disponibile ale azotului determină creșterea productivității primare și în consecință modifică cantitatea de material vegetal care intră în sol. În plus, pășunatul modifică și sub aspect calitativ tipul de compuși care conțin carbon prin selecția pe care o realizează asupra vegetației (sunt consumate preferențial anumite specii, fiind preferate plantele nelemnoase cu conținut ridicat de azot).
Solul este caracterizat de o organizare pe verticală a materiei organice, existând o scădere a cantității de materie organică odată cu înaintarea înspre orizonturile profunde. În ciuda cantităților mici de materie organică, a fost observată o creștere a cantității de carbon stocat în orizonturile profunde (Batjes, 1996), fapt ce ar putea fi explicat prin scăderea activității biologice în profunzimea solului (Rumpel și Kögel-Knabner, 2010, preluat din Humphreys 1994). De asemenea, luând în considerare faptul că principala sursă de materie organică în orizonturile profunde ale solului este reprezentată de rădăcinile plantelor care conțin substanțe greu degradabile (Rasse și colab., 2005), se poate argumenta faptul că în profunzimea solului se găsește o cantitate mult mai mare de carbon stocat. Astfel, datorită adâncimii reduse a profilului de sol din habitatele de pajiști alpine, nu se poate realiza un proces de stocare la fel de intens ca în solurile din pajiștile montane.
Ipoteza 2
Stocurile de carbon din sol variază în funcție de altitudine, crescând o dată cu altitudinea datorită condițiilor climatice (temperatură și umiditate) care favorizează procesele de imobilizare ale carbonului în sol.
Stocurile de carbon se modifică dependent de altitudine, cu o creștere de aproximativ 3.1 t C ha-1 pentru fiecare 100 m în cazul habitatele de pajiști (Jandl și colab., 2011). Însă relația de creștere a stocurilor de C cu altitudinea devine falsă o dată cu depășirea altitudinilor mai mari de 2000 m, când relația devine inversă deoarece apar solurile stâncoase care susțin o vegetație rarefiată care va conduce la intrări foarte scăzute de compuși care conțin carbon. În solurile din pajiștile montane și alpine din Parcul Natural Bucegi putem remarca că nu există nici o corelație între altitudine și capacitatea de stocare a carbonului (r2 = 0.03; Figura 2.20). Explicațiile pot fi numeroase, de la variabiliatea carbonului datorată substratelor diferite care induc un coeficient de variație mare până la diferența între activitatea microbiană, însă am vrea să subliniem limitele de interpretare ale acestei relații care provin din numărul relativ redus de valori care au fost luate în considerare. Capacitatea de stocare a carbonului este influență de poductivitatea primară netă, atât sub aspect cantitativ cât și calitativ (compoziția specifică), substratul geologic, temperatură și umiditate precum și de activitatea comunităților microbiene. Un alt aspect corelat cu altitudinea vizează structura moleculară a compușilor care intră în sol în forme mai mult sau mai puțin expuse degradării. Astfel, în solurile din zona alpină spre deosebire de cele din zonele montane compușii care conțin C se află preponderent în fracția labilă (Leifeld et al., 2009; Budge et al., 2010).
Figura 2.20 Distribuția stocurilor de carbon în funcție de altitudine (r2 = 0.03, regresie liniară).
2.4. Concluzii
Evaluarea stocurilor de carbon din pajiștile montane și din cele alpine a urmărit identificarea diferențelor în ceea ce privește procesele ce au loc la nivelul solului și modul în care acestea sunt influențate de factorii de mediu, cum sunt altitudinea, temperatura, sau precipitațiile. Comparația s-a făcut la nivelul de pajiște montană și pajiște alpină, procesele caracteristice fiecărei zone fiind reglate de condițiile de mediu.
Astfel, s-a demonstrat că pajiștile montane prezintă o cantitate mai mare de carbon stocat la nivelul solului. Acest lucru se poate datora: a) în principal vegetației lemnoase întâlnite la nivelul acestui tip de habitat; b) complexității pe verticală a solurilor din pajiștile montane, față de cele din pajiștile alpine; c) și nu în ultimul rând, procesului de eroziune, care se desfășoară cu o intensitate mult mai mare în zona alpină, producând transportul stratului superficial de sol, unde este întâlnită cea mai mare cantitate de materie organică.
Circuitul biogeochimic al azotului este strâns interconectat cu circuitul biogeochimic al carbonului, formele disponibile de azot fiind un factor limitativ pentru procesul de stocare al carbonului în soluri. Este necesară o cantitate suficientă de N-NO3¯ și N-NH4+ pentru a exista productivitate primară și în acest fel și inputuri de materie organică în solurile din pajiști.
Pajiștile montane și alpine prezintă o diversitate specifică mare, însă procesul de stocare al carbonului este dependent, pe lângă producția primară, și de alți factori, cum sunt condițiile climatice, compoziția chimică a solului și intervenția umană.
Bibliografie
Achten, C., Hofmann, T., 2009. Native polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in coals – A hardly recognized source of environmental contamination. Science of The Total Environment 407, 2461–2473.
Adams, J.M., Faure, H., Faure-Denard, L., McGlade, J.M., Woodward, F.I., 1990. Increases in terrestrial carbon storage from the Last Glacial Maximum to the present. Nature 348, 711–714.
Andres, R.J., Boden, T.A., Breon, F.-M., Ciais, P., Davis, S., Erickson, D., Gregg, J.S., Jacobson, A., Marland, G., Miller, J., Oda, T., Oliver, J.G.J., Raupach, M.R., Rayner, P., Treanton, K., 2012. A synthesis of carbon dioxide emissions from fossil-fuel combustion. Biogeosciences.
Batjes, N.H., 1996. Total carbon and nitrogen in the soils of the world. European Journal of Soil Science 47, 151–163.
Botnariuc N., Vădineanu A., 1982. Ecologie. Editura Didactică și Pedagogică, București.
Bousquet, P., Peylin, P., Ciais, P., Quéré, C.L., Friedlingstein, P., Tans, P.P., 2000. Regional Changes in Carbon Dioxide Fluxes of Land and Oceans Since 1980. Science 290, 1342–1346.
Bouwman, A.F., 1990. Land use related sources of greenhouse gases. Land Use Policy 7, 154–164.
Buchmann, N., 2011. Greenhouse Gas Emissions from European Grasslands and Mitigation Options. În: Lemaire, G., Hodgson, J., Chabbi, A. (editori) Grassland Productivity and Ecosystem Services, UK, pp. 92-100.
Decaens, T., Lavelle, P., 2011. Soil Fauna Diversity and Ecosystem Functions in Grasslands. În: Lemaire, G., Hodgson, J., Chabbi, A. (editori) Grassland Productivity and Ecosystem Services, UK, pp. 166-176.
Delgado, J.L., Herranz, M.Á., Martín, N., 2008. The nano-forms of carbon. J. Mater. Chem. 18, 1417–1426.
Dengler, J., Bergmeier, E., Willner, W., Chytrý, M., 2013. Towards a consistent classification of European grasslands. Appl Veg Sci 16, 518–520.
Doran, J.W., Mielke, L.N., Stamatiadis, S., 1988. Microbial activity and N cycling as regulated by soil water-filled pore space. În: Tillage and traffic in crop production – Proceedings International Soil Tillage Research Organisation, Vol. 1, Peniciuk, Midlothian, Scotland, pp. 49–54.
Eswaran, H., Van Den Berg, E., Reich, P., 1993. Organic Carbon in Soils of the World. Soil Science Society of America Journal 57, 192.
Falcao, E.H., Wudl, F., 2007. Carbon allotropes: beyond graphite and diamond. J. Chem. Technol. Biotechnol. 82, 524–531.
Falkowski, P., Scholes, R.J., Boyle, E., Canadell, J., Canfield, D., Elser, J., Gruber, N., Hibbard, K., Högberg, P., Linder, S., Mackenzie, F.T., Iii, B.M., Pedersen, T., Rosenthal, Y., Seitzinger, S., Smetacek, V., Steffen, W., 2000. The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System. Science 290, 291–296.
Fischlin, A., Midgley, G.F., Price, J.T., Leemans, R., Gopal, B., Turley, C., Rounsevell, M.D.A., Dube, O.P., Tarazona, J., Velichko, A.A., 2007. Ecosystems, their properties, goods, and services. În: Parry, M.L., Canziani, O.F., Palutikof, J.P., van der Linden, P.J., Hanson, C.E., Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Editura Cambridge University Press, Cambridge, 211-272.
Follett, R.F., Kimble, J.M., 2000. The Potential of U.S. Grazing Lands to Sequester Carbon and Mitigate the Greenhouse Effect. CRC Press.
Frank, A., B., Sims, P., L., Bradford, J., A., Mielnick, P., C., Dugas, W., A., Mayeux, H., S., 2001. Carbon Dioxide Fluxes over Three Great Plains Grasslands. În: Follett, R., F., Kimble, J., M., Lal, R. (editori) The Potential of U.S. Grazing Lands to Sequester Carbon and to Mitigate Greenhouse Effect, Washington D.C., pp. 167-188.
Garcia-Pausas, J., Casals, P., Camarero, L., Huguet, C., Sebastià, M.-T., Thompson, R., Romanyà, J., 2007. Soil organic carbon storage in mountain grasslands of the Pyrenees: effects of climate and topography. Biogeochemistry 82, 279–289.
Gibson, D.J., 2009. Grasses and grassland ecology. Oxford University Press.
Hedges, J.I., 1992. Global biogeochemical cycles: progress and problems. Marine Chemistry 39, 67–93.
Heimann, M., Reichstein, M., 2008. Terrestrial ecosystem carbon dynamics and climate feedbacks. Nature 451, 289–292.
Hendrickson, O.Q., Chatarpaul, L., Burgess, D., 1989. Nutrient cycling following whole-tree and conventional harvest in northern mixed forest. Can. J. For. Res. 19, 725–735.
Hirsch, A., 2010. The era of carbon allotropes. Nat Mater 9, 868–871.
Houghton, R.A., 2003. Revised estimates of the annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use and land management 1850–2000. Tellus B 55, 378–390.
Houghton, R.A., Hackler, J.L., Lawrence, K.T., 1999. The U.S. Carbon Budget: Contributions from Land-Use Change. Science 285, 574–578.
Hungate, B.A., Holland, E.A., Jackson, R.B., Chapin, F.S., Mooney, H.A., Field, C.B., 1997. The fate of carbon in grasslands under carbon dioxide enrichment. Nature 388, 576–579.
Hurtt, G.C., Pacala, S.W., Moorcroft, P.R., Caspersen, J., Shevliakova, E., Houghton, R.A., Moore, B., 2002. Projecting the future of the U.S. carbon sink. PNAS 99, 1389–1394.
IPCC, 2001. În: Antle, J., Apps, M., Beamish, R., Chapin, T., Cramer, W., Frangi, J., Laine, J., Erda, L., Magnuson, J., Noble, I., Price, J., Prowse, T., Root, T., Schulze, E., Sirotenko, O., Sohngen, B., Soussana, J. (Editori). Climate Change 2001: Working Group II: Impacts, Adaptation and Vulnerability, Editura Cambridge University Press, Cambridge, UK.
IPCC, 2014. În: Field, C.B., Barros, V.R., Dokken, D.J., Mach, K.J., Mastrandrea, M.D., Bilir, T.E., Chatterjee, M., Ebi, K.L., Estrada, Y.O., Genova, R.C., Girma, B., Kissel, E.S., Levy, A.N., MacCracken, S., Mastrandrea, P.R., White, L.L. (Editori). Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability, Editura Cambridge University Press, Cambridge, UK.
Janzen, H.H., 2004. Carbon cycling in earth systems—a soil science perspective. Agriculture, Ecosystems & Environment 104, 399–417.
Jastrow, J.D., Miller, R.M., Boutton, T.W., 1996. Carbon Dynamics of Aggregate-Associated Organic Matter Estimated by Carbon-13 Natural Abundance. Soil Science Society of America Journal 60, 801.
Jenkinson, D.S., Ladd, J.N. 1981. Microbial biomass in soil: measurement and turnover. În:. Paul, E.A., Ladd, J.N. (editori) Soil Biochemistry. Marcel Dekker, New York, pp. 415–471.
Jobbágy, E.G., Jackson, R.B., 2000. The Vertical Distribution of Soil Organic Carbon and Its Relation to Climate and Vegetation. Ecological Applications 10, 423–436.
Jones, M.B., Donnelly, A., 2004. Carbon sequestration in temperate grassland ecosystems and the influence of management, climate and elevated CO2. New Phytologist 164, 423–439.
Jones, S.K., Rees, R.M., Kosmas, D., Ball, B.C., Skiba, U.M., 2006. Carbon sequestration in a temperate grassland; management and climatic controls. Soil Use and Management 22, 132–142.
Kim, J., Verma, S.B., Clement, R.J., 1992. Carbon dioxide budget in a temperate grassland ecosystem. J. Geophys. Res. 97, 6057–6063.
Lal, R., 2004. Soil Carbon Sequestration Impacts on Global Climate Change and Food Security. Science 304, 1623–1627.
Leifeld, J., Bassin, S., Fuhrer, J., 2005. Carbon stocks in Swiss agricultural soils predicted by land-use, soil characteristics, and altitude. Agriculture, Ecosystems & Environment 105, 255–266.
Lemaire, G., 2011. Grassland Productivity and Ecosystem Services. CABI.
Lemaire, G., Hodgson, J., Chabbi, A., 2011. Introduction: Food Security and Environmental Impacts – Challenge for Grassland Sciences. În: Lemaire, G., Hodgson, J., Chabbi, A. (editori) Grassland Productivity and Ecosystem Services, UK, pp. XIII-XVII.
Lützow, M. V., Kögel-Knabner, I., Ekschmitt, K., Matzner, E., Guggenberger, G., Marschner, B., Flessa, H., 2006. Stabilization of organic matter in temperate soils: mechanisms and their relevance under different soil conditions – a review. European Journal of Soil Science 57, 426–445.
Mihaiu, M.I., 2012. Carbonul și alotropia. Materiale pentru electronică
Nosberger, J., Blum, H., Fuhrer, J., 2000. Crop Ecosystem Responses to Climatic Change: Productive Grasslands. În: Reddy, K., R., Hodges, H., F. (editori) Climate Change and Global Crop Productivity, UK, pp. 271-292.
O’connell, A.M., 1987. Litter decomposition, soil respiration and soil chemical and biochemical properties at three contrasting sites in karri (Eucalyptus diversicolor F. Muell.) forests of south-western Australia. Australian Journal of Ecology 12, 31–40.
Olson, J.S., Watts, J.A., Allison, L.J., 1983. Carbon in Live Vegetation of Major World Ecosystems. Oak Ridge National Lab., USA.
Parsons, A., Rowarth,, J., Thornley, J., Newton, P., 2011. Primary Production of Grasslands, Herbage Accumulation and Use, and Impacts of Climate Change. În: Lemaire, G., Hodgson, J., Chabbi, A. (editori) Grassland Productivity and Ecosystem Services, UK, pp. 3-18.
Post, W.M., Kwon, K.C., 2000. Soil carbon sequestration and land-use change: processes and potential. Global Change Biology 6, 317–327.
Post, W.M., Peng, T.-H., Emanuel, W.R., King, A.W., Dale, V.H., DeAngelis, D.L., 1990. The Global Carbon Cycle. American Scientist 78, 310-326.
Raich, J.W., Schlesinger, W.H., 1992. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate. Tellus B 44, 81–99.
Rasse, D.P., Rumpel, C., Dignac, M.-F., 2005. Is soil carbon mostly root carbon? Mechanisms for a specific stabilisation. Plant Soil 269, 341–356.
Rîșnoveanu, G., 2010. Caracterizarea sistemelor biologice. Editura Ars Docendi, București.
Reddy, K.R., Hodges, H.F., 2000. Climate Change and Global Crop Productivity. CABI.
Rumpel, C., Kögel-Knabner, I., 2010. Deep soil organic matter—a key but poorly understood component of terrestrial C cycle. Plant Soil 338, 143–158.
Schlesinger, W.H., 1977. Carbon Balance in Terrestrial Detritus. Annual Review of Ecology and Systematics 8, 51–81.
Shukla, M.K., Lal, R., Ebinger, M., 2006. Determining soil quality indicators by factor analysis. Soil and Tillage Research 87, 194–204.
Siegenthaler, U., Sarmiento, J.L., 1993. Atmospheric carbon dioxide and the ocean. Nature 365, 119-125.
Soussana, J.-F., Loiseau, P., Vuichard, N., Ceschia, E., Balesdent, J., Chevallier, T., Arrouays, D., 2004. Carbon cycling and sequestration opportunities in temperate grasslands. Soil Use and Management 20, 219–230.
Soussana, J.-F., Lüscher, A., 2007. Temperate grasslands and global atmospheric change: a review. Grass and Forage Science 62, 127–134.
Vădineanu, A., 1999. Dezvoltare Durabilă, Vol. 1, Editura Universității din București, București.
Woodward, S.L., 2008. Grassland Biomes, London, pp. 11-66.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Licenta Mihaela 17iunie Ec [302964] (ID: 302964)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.