مفاهيم بيوفيزيك جريان كربن در ديم‌كاريها

مقدمه:
فرآيندهاي جريان كربن در خاكها قسمتي از چرخه كربن جهان را تشكيل مي‌دهد. جابجايي كربن ميان خاك و محيط روي زمين، دو جهتي و به طور متوالي ذخيره كربن در خاك به تعادل ميان فرآيندهاي مخالف هم (تجمع و كاهش) بستگي دارد. اين ذخيره كربن خاك در واقع فعال است و نه تنها كربن به طور دائمي به خاك وارد و خارج مي‌شود كربن خاك ميان گروههاي مختلف و دسته‌هاي مختلف گسترده مغناطيسي شده تقسيم مي‌شود. همچنين كربن خاك درماده آلي زنده

خاك به عنوان يك ذخيره ساكن و بخشي از آن در پديده ديگري بعنوان چرخه تجزيه و پخش گازها نقش بازي مي‌كند. كميت كربن ذخيره شده در خاك‌ها به طور عمده مشخص است. خاكها شامل سه برابر كربن نسبت به قبل از رويش و دو برابر مقداري كه در اتمسفر است،‌ مي‌باشند.

در اينجا حقيقتي كه فاكتورهاي محيطي مي‌تواند به طور مشخص به درجه‌بندي كه اندازه گروههاي كربن خاك را كنترل مي‌كنند، اثر كنند. كميت كربن درون خاك تا حدي به وسيله يك رابطه توازن ساده شرح داده‌شده است:
كربن خالص تجمعي = كربن خروجي – كربن ورودي

بسياري از فاكتورهاي تعيين ورود و خروج كربن از خاك به طور عمده و غير عمده بوسيله عمليات مديريتي زمين تاثير پذيرفته‌اند. بنابراين بسياري از فرآيندهاي آگرواكولوژي براي تاثير كربن ورودي و خروجي وجود دارد. به منظور ايجاد جريان كربن فعاليت انساني به ماكسيمم كربن ورودي و مينيمم كربن خروجي نياز دارد. در صورتي كه جريان كربن در خاكها براي جبران پخش گاز CO2 مورد استفاده قرار مي گيرد. محيط‌هاي ديم كاري بوسيله يك سري از ويژگي‌هاي خاص ديم‌كاري

مختص شده اند و اينها نكاتي روي جنبه هاي جزئي جريان كربن خواهند بود. براي مثال عدم وجود آب يك جنبه كليسدي است و اين جنبه در بسياري از مناطق خشك بوسيله وجود حرارتهاي بالا در بعضي از زمانها همراه شده است. نقصان آب در ديم‌كاريها به طور شديدي توليدات گياهي كه منبع نهايي كرين خاك را تشكيل مي‌دهند در فشار مي‌گذارد. بعلاوه اندازه گروههاي ماده آلي خاك در اكوسيستمهاي طبيعي به طور تصاعدي همراه با حرارت كاهش مي‌يابد و به طور

متوالي بايد خاكهاي ديم‌كاري كمتر از يك درصد و غالباً كمتر از ۵ درصد كربن را شامل شوند. بنابراين اگر چه عمليات كشاورزي كربن خاك را كاهش داده است بطور كلي مراحل محوطه سازي ديم‌كاري بطور عملي براي كاهش و رها سازي آن مستعد است. بنابراين كميت كربن در خاكهاي ديم‌كاري از يك پايه اوليه

كاهش يافته است. اگر چه جنبه‌هاي مثبتي در ارتباط با ذخاير كربني در خاكهاي ديم‌كاري وجود دارد در خاكهاي خشك به طور عمده كاهش كربن احتمال كمتري دارد و بطور متوالي جريان كربن درخاكهاي ديم‌كاري نسبت به خاكهاي جنگلي بسيار طولاني‌تر است.

خود ماده آلي در فرآيندهاي عمل روي آب براي هر تفاوتي در خشكي در منطقه گرم مقايسه شده با مناطق حرارتي جايي كه مراحل كربن به طور عمومي بيشتر و جايي كه تحقيقات بيشتر بايد صورت گيرد، مورد قبول نمي‌باشد. علي الخصوص محتواي پايين كربن در خاكهاي ديم‌كاري عمدتاً در ديم‌كاريها تقريباً ۴۰ درصد نواحي زمينهاي جهان را تشكيل مي‌دهد. (Fao 2000) با واقعيتي كه اين خاكها آلوده شده‌اند معني مي‌دهد كه ديم‌كاريها ممكن است بالاترين پتانسيل براي كربن به منظور تثبيت كنندگي كربن را داشته باشد.

فاكتورهاي كنترلي جريان كربن
پتانسيل جريان كربن به ظرفيت حفظ گياه كه با هم حمايت و تجمع ماده آلي را تشكيل مي‌دهد بستگي دارد. كميت وجود كربن خاك بوسيله فعاليت فرآيندهاي پيچيده دروني كنترل شده است كه بوسيله كربنهاي ورودي و ميزان تجزيه تعيين مي‌شود. فاكتورهاي كنترلي كميت ماده آلي در خاك شامل حرارت، رطوبت، اكسيژن، pH مواد غذايي، محتواي رس و مواد معدني است.

تجمع كربن بوسيله شرايطي كه براي تجزيه مساعد نباشد مطلوب شده است، يعني حرارت پايين مواد مادري، اسيدي بودن خاك و شرايط بي‌هوازي، هيميز در سال ۱۹۹۸ تخمين زد كه اين شرايط در ۸۳۲ كيلوگرم نيتروژن، ۲۰۰ كيلوگرم پتاس و ۱۴۳ كيلوگرم گوگرد بواسطه ۱۰ تن كربن در هوموس اتفاق مي‌افتد و يك جنبه مهم از تثبيت كربن هنوز در بسياري از خاكهاي ديم‌كاريها امروزه پايين بودن مواد غذايي است. راس موسن و كارتن در سال ۱۹۹۴ پيشنهاد كردند كه مراحل

جريان كربن در خاكهاي ديم‌كاري ميان ۱۰ تا ۲۰ درصد از ميزاني كه كربن اضافه شده است را به دست مي دهد. منبع اصلي كربن خاك co2 جو است كه درست بوسيله گياهان در فرآيندهاي فتوسنتز ساخته مي‌شود. بنابراين توليد اوليه حد بالاي را روي مقدار كربني كه مي‌تواند در خاك ذخيره شود، مي گذارد و از طريق بيوماسي كه در توليد خالص اوليه به دست مي دهد در دسترس خواهد بود. موثرترين روش تجمع كربن در خاكها بايد بوسيله تجزيه مستقيم مواد گياهي

باشد. اگر كربن كه بوسيله بعضي زنجيره‌هاي هتروتروف مستقيما‌ً به اتمسفر بعنوان يك co2 زنجيرخه‌اي برگردانده شود فعاليت انگلي و گوارشي و تاثيرات جذبي آنها مي‌باشد. اين مراحل در شكل يك نشان داده شده است. در جايي كه مدل كربن خاك مورد استفاده براي تاثير كود سبز گياهي و گاوي اضافه شده براي خاك ورتي‌سول در ناحيه نيمه‌خشك آندراپارادش نشان داده شده است. اين سيستم يك موقعيت پايا است. زماني كه (در سال ۱۹۸۹ ) پنج تن در هكتار درساختار مواد زائد گياهي يا كود كه براي پنج سال پياپي اضافته شده است. محتوي كربن آلي خاك عمدتاً در طول دوره كاربرد و پس از آن كه به طور متوالي به دست ‌آورده شده و پس از آن روي سالهاي متوالي پايين آمده است. تجمع پنجاه درصدي محتواي كربن مواد گياهي ده تني از مواد زائد گياهي كه واقعاً براي تهيه هر

پنج تن كاربرد كربن گياهي مورد نياز مي‌باشد. براي كاربرد كود اگر تاثير مواد گوارشي و مواد حيواني شصت درصد باشد، ده تن از مواد زائد گياهي از كود را توليد خواهد كرد. اگر كود گاوي شامل ۲۵ درصد كربن شود فقط در واقع يك تن كربن دردسترس تركيب خاك خواهد بود.

شكل يك به روشني كمترين كربن دردسترس براي جريان داخل خاك زماني كه آن را بوسيله زنجيره موجودات هتروتروفي گزارده مي‌شود، نشان مي‌دهد. در شكل يك تغيير در كربن آلي خاك براي يك ورتي‌سول در نواحي نيمه‌خشك آندراپارادش هندوستان همراه با مدل كربن خاك نشان داده شده است. پنج تن مواد زتئد كربن گياهي و پنج تن كود حيواني در پنج سال متوالي در سال ۱۹۸۹ بكار برده شده اند. 

آزمايشات در بلند مدت نشان داده‌اند كه يك رابطه خطي ميان كميت كربن اضافه شده به خاك بعنوان ماده آلي و مقدار كربن تجمع يافته در خاك وجود دارد و عوامل جريان ديگر ثابت باقي مي‌‌مانند. اگر چه حالت ديناميك ماده آلي خاك پيچيده است و فاكتورهاي كنترلي منحصراُ در هر موقعيتي بر يكديگر اثر مي‌گذارند، پيش‌بيني هايي كه چطور در آينده مديريت گروههاي كربني بايد تغييراتي را تا ۲۰ سال يابند‌، داده شده است. اين به طور جزئي تا اندازه‌اي تاثير عمليات مديريت خاك روي كربن خاك قابل اندازه‌گيري حفظ شده است. سرانجام اگر شرايط سيستمي كه يك حالت پاياي جديد را بطور مشترك در پنجاه تا صد سال تحقق

مي‌دهد. نكته مهم بررسي از بيين رفتن جريان كربن خاك، طبيعت ديناميكي فرآيندها است. حتي اگر خاكها فعال باشند تا اندازه يك sink يا مخزن آنها توامانان مقداري كاهش كربن خواهد داشت و بسياري از فاكتورها مي‌تواند در هر زماني براي تغيير تعادل عمل كند. همه كربن در خاكها توانايي براي تجزيه كامل را دارند.
از طرف ديگر فرسايش مسير عمده براي كاهش كربن از خاكها بوسيله پخش co2 كه عموماً بعنوان تنفس خاك با حرارت شناخته مي‌شود. اين كاهش در محيط ‌هاي گرمتر زياد شده، زيرا شروع جريان co2 از فعاليت ميكروبي افزوده مي‌شود. اگر چه نسبت، غير خطي است و بهترين توصيف داده شده بوسيله مدل

آرهنيوس است، اين يك عامل اوليه است. عاملي بر ضد جريان كربن در اقليمهاي گرم حرارتي است. بهرحال اگر چه تجزيه هم نيازمند رطوبت است و درديم‌كاري‌ها در دسترس نبودن آب عامل محدود كننده است. عمل متقابل بين حرارت و رطوبت در كنترل تجزيه پيچيده است و به ويژگي هاي منطقه وابسته است. براي مثال ميليك و دژاز فهميدند كه پخش co2 از خاك در يك علفزار بلند اساساً به حرارت و ثانياً به آب بستگي دارد، برعكس در طول فصل رشد يك موقعيت پيچيده‌تر در تگزاس مركزي بوسيله فرنس لوبرز كشف شد. آنها كشف كردند كه وابستگي روي توالي گياه زراعي و رژيم هاي شخم و فصل، بين ۶۵-۹۸ درصد از تفاوت درجريان co2 با يك تركيب از حرارت و رطوبت و طول سال مي‌توان حساب كرد.

پراكندگي‌هاي فعاليت ميكروبي از بارندگي ضمني، كه در ديم كاري‌ها عادي هستند پيروي مي كند. اين چنين آب و هواي فصلي‌ مي تواند مقداري زمان در بعضي از عمليات مديريتي زمين بوجود آورد، از قبيل بقاياي گياهي و كاربرد كود. ويژگي در شرايط تاثير آنها نه تنها بر حاصلخيزي خاك است، بلكه همچنين براي جريان حداكثر كربن مي‌باشد.

كربن جذبي گياهان براي خاك
نهايتاً كربن در خاكها از co2 در اتمسفر بدست مي‌آيد كه بوسيله گياهان براي بكاربردن در فرآيندهاي فتوسنتز جذب شده است. بطور كلي، توليد قوياً با آب در دسترس ازتباط دارد. در نتيجه ديم كاريها بوسيله اين واقعيت كه جريان كربن كمتر است در بسياري از اكوسيستمها، توسعه نيافته‌اند. زيرا محدوديت بوسيله كمبود آب را متحمل شده است. از يك ديدگاه مساله جريان كربن صرفاً در گياهاني كه در ديم‌كاري ها رشد مي‌كنند بايد روي پايه‌هايي كه بهترين ويژگي‌هاي سازگار به اين شرايط را دارند انتخاب شود. رشد گياهان و روييدني‌ها روي خاكهاي ديم‌كاري بطور بدي يا به طور نامطلوبي مناسب نيست.

براي كشاورزي پايدار كه بعنوان يك راهكاري براي افزايش ذخيره كربن خاك پيشنهاد شده است. در خشك‌ترين نواحي گونه هاي گزوفيت حقيقي مورد نياز هستند كه قادرند ماده خشك را از صفر يا حداقل نهاده‌ها از طرف انسان توليد كنند. بهترين گونه هاي گياهيي كه سازگار شده اند براي مصرف آب محدود از هر دو نوع مكانيسم فتوسنتزي c4 يا CAM بكار مي‌برند. گياهان CAM قادرند روزنه هاي خود را در شب هنگام، هنگامي كه تبادل آب كمترين است، باز كنند. آنها

CO2 را درون يك اسيد چهار كربنه كه مي‌تواند بعنوان يك گيرنده دروني CO2 براي مصرف فتوسنتز در طول شبانه روز تثبيت مي‌شود. گونه‌هاي C4 يك مكانيسم متمركز كننده CO2 دارند. نتيجه خالص تثبيت كاهش يافتن جريان گازها بدرون و خارج برگها است و در نتيجه تاثير كاربرد آب (راندمان مصرف آب ) افزايش مي‌يابد.
اين همراه شده است بوسيله يك راندمان مصرف نيتروژن بالا كه نياز براي كاربرد كوتاه را كاهش مي‌دهد. اينگونه‌ها همچنين فاقد گيرنده‌هاي نوري، يك نتيجه از حرارت اپتيمم بالا براي فتوسنتز و يگ توانايي براي افزايش جذب CO2 از حداكثر تشعشع در نواحي گرمسيري است. گياهان بياباني براي داشتن ميزان آهسته از رشد بررسي شده بودند. ولي تحقيقات همراه با آگاو نشان داد كه بهره‌برداري گونه‌هاي دام كه سازگار شده‌اند با شرايط خشك شديد مي‌تواند با ميزان

خيلي زياد توليد نشان داده شود. در حاليكه بيوماس روزمين خاكها را با ماده آلي به تبعيت از افزايش قدمت تهيه مي‌كند. بيوماس زيرزميني يك منبع مهم كربن است. نه تنها از ميان مرگ ريشه‌اي، بلكه همچنين از مترشحات ريشه است. به هر حال، محدود كردن تراوش ريشه‌اي يك كار مشكل است. گياهان گزوفيت يا گياهان خشكي‌زي نوعاً سيستم ريشه‌اي عميق دارند كه آنها را براي استفاده آب زيرزميني قادر مي‌سازد. اين سيستم ريشه‌اي عميق براي گرفتن كربني كه در مناطق عميق خاك قرار دارد، جايي كه براي اكسيد شدن آمادگي كمتري دارد، ايده ‌آل است.

فيشر، به اهميت ريشه‌هاي عميق معرفي شده گرامينه‌ها براي افزايش ذخيره كربن در ساوانا آمريكاي جنوبي، تاكيد كرده بود. درحاليكه جين فورد سي درصد از مجموع توليد اوليه ذخيره طولاني مدت كربن ورودي را در خاكهاي استراليا از ريشه‌ها برآورد كرد. گياهان حتي درخشك‌ترين مناطق يك پتانسيل خوبي براي گرفتن كربني كه در خاك دردحال جريان است را دارند.

نه تنها يك واريته از گونه هاي گياهي در دسترس براي رشد در محيط‌هاي ديم كاري، يك تعدادي از اين‌ها مي‌توانند براي توليدات مفيد برداشت شوند. درو، البته مقدار بقاياي گياهي در دسترس براي تركيب داخل خاك، كاهش خواهد داد ولي پتانسيل جريان كربن وجود دارد.

گياهان هالوفيد
يكي از ويژگيهاي مهم بسياري از خاكهاي ديم‌كاري، شوريست. از ميان رخدادهاي طبيعي يا بطور افزايشي در نتيجه آبياري است. خاكهاي نمكي قسمت بزرگ از ديم كاري ها را مورد تاثير قرار مي دهند. چنين زمينه هايي اغلب فراوان هستند. ولي گياهان هالوفيد به طور مخصوصي با اين شرايط سازگار شده اند و پتانسيل پيشنهادي براي جريان كربن در اين محيط مطلوب برآورد شده است كه ۱۳۰ ميليون هكتار براي كشت گياهان هالوفيد مناسب است و اينها مي تواند براي كشت مواد غذايي و دانه هاي روغني مورد استفاده قرار گيرند.
كلن، تخمين زد كه ۶/۰ الي ۲/۱ GT/Y كربن مي تواند سالانه تجمع يابد، بوسيله گياهان هالوفيدو كاربرد پيشرفته از آزمايشات تجزيه‌اي كه پيشنهاد مي شود.