مفاهیم بیوفیزیک جریان کربن در دیم‌کاریها
مقدمه:
فرآیندهای جریان کربن در خاکها قسمتی از چرخه کربن جهان را تشکیل می‌دهد.
جابجایی کربن میان خاک و محیط روی زمین، دو جهتی و به طور متوالی ذخیره کربن در خاک به تعادل میان فرآیندهای مخالف هم (تجمع و کاهش) بستگی دارد.
این ذخیره کربن خاک در واقع فعال است و نه تنها کربن به طور دائمی به خاک وارد و خارج می‌شود کربن خاک میان گروههای مختلف و دسته‌های مختلف گسترده مغناطیسی شده تقسیم می‌شود.
همچنین کربن خاک درماده آلی زنده خاک به عنوان یک ذخیره ساکن و بخشی از آن در پدیده دیگری بعنوان چرخه تجزیه و پخش گازها نقش بازی می‌کند.
کمیت کربن ذخیره شده در خاکها به طور عمده مشخص است.
خاکها شامل سه برابر کربن نسبت به قبل از رویش و دو برابر مقداری که در اتمسفر است، می‌باشند.
در اینجا حقیقتی که فاکتورهای محیطی می‌تواند به طور مشخص به درجه‌بندی که اندازه گروههای کربن خاک را کنترل می‌کنند، اثر کنند.
کمیت کربن درون خاک تا حدی به وسیله یک رابطه توازن ساده شرح داده‌شده است:
کربن خالص تجمعی = کربن خروجی – کربن ورودی
بسیاری از فاکتورهای تعیین ورود و خروج کربن از خاک به طور عمده و غیر عمده بوسیله عملیات مدیریتی زمین تاثیر پذیرفته‌اند.
بنابراین بسیاری از فرآیندهای آگرواکولوژی برای تاثیر کربن ورودی و خروجی وجود دارد.
به منظور ایجاد جریان کربن فعالیت انسانی به ماکسیمم کربن ورودی و مینیمم کربن خروجی نیاز دارد.
در صورتی که جریان کربن در خاکها برای جبران پخش گاز CO2 مورد استفاده قرار می گیرد.
محیط‌های دیم کاری بوسیله یک سری از ویژگیهای خاص دیم‌کاری مختص شده اند و اینها نکاتی روی جنبه های جزئی جریان کربن خواهند بود.
برای مثال عدم وجود آب یک جنبه کلیسدی است و این جنبه در بسیاری از مناطق خشک بوسیله وجود حرارتهای بالا در بعضی از زمانها همراه شده است.
نقصان آب در دیم‌کاریها به طور شدیدی تولیدات گیاهی که منبع نهایی کرین خاک را تشکیل می‌دهند در فشار می‌گذارد.
بعلاوه اندازه گروههای ماده آلی خاک در اکوسیستمهای طبیعی به طور تصاعدی همراه با حرارت کاهش می‌یابد و به طور متوالی باید خاکهای دیم‌کاری کمتر از یک درصد و غالباً کمتر از 5 درصد کربن را شامل شوند.
بنابراین اگر چه عملیات کشاورزی کربن خاک را کاهش داده است بطور کلی مراحل محوطه سازی دیم‌کاری بطور عملی برای کاهش و رها سازی آن مستعد است.
بنابراین کمیت کربن در خاکهای دیم‌کاری از یک پایه اولیه کاهش یافته است.
اگر چه جنبه‌های مثبتی در ارتباط با ذخایر کربنی در خاکهای دیم‌کاری وجود دارد در خاکهای خشک به طور عمده کاهش کربن احتمال کمتری دارد و بطور متوالی جریان کربن درخاکهای دیم‌کاری نسبت به خاکهای جنگلی بسیار طولانی‌تر است.
خود ماده آلی در فرآیندهای عمل روی آب برای هر تفاوتی در خشکی در منطقه گرم مقایسه شده با مناطق حرارتی جایی که مراحل کربن به طور عمومی بیشتر و جایی که تحقیقات بیشتر باید صورت گیرد، مورد قبول نمی‌باشد.
علی الخصوص محتوای پایین کربن در خاکهای دیم‌کاری عمدتاً در دیم‌کاریها تقریباً 40 درصد نواحی زمینهای جهان را تشکیل می‌دهد.
(Fao 2000) با واقعیتی که این خاکها آلوده شده‌اند معنی می‌دهد که دیم‌کاریها ممکن است بالاترین پتانسیل برای کربن به منظور تثبیت کنندگی کربن را داشته باشد.
فاکتورهای کنترلی جریان کربن
پتانسیل جریان کربن به ظرفیت حفظ گیاه که با هم حمایت و تجمع ماده آلی را تشکیل می‌دهد بستگی دارد.
کمیت وجود کربن خاک بوسیله فعالیت فرآیندهای پیچیده درونی کنترل شده است که بوسیله کربنهای ورودی و میزان تجزیه تعیین می‌شود.
فاکتورهای کنترلی کمیت ماده آلی در خاک شامل حرارت، رطوبت، اکسیژن، pH مواد غذایی، محتوای رس و مواد معدنی است.
تجمع کربن بوسیله شرایطی که برای تجزیه مساعد نباشد مطلوب شده است، یعنی حرارت پایین مواد مادری، اسیدی بودن خاک و شرایط بی‌هوازی، هیمیز در سال 1998 تخمین زد که این شرایط در 832 کیلوگرم نیتروژن، 200 کیلوگرم پتاس و 143 کیلوگرم گوگرد بواسطه 10 تن کربن در هوموس اتفاق می‌افتد و یک جنبه مهم از تثبیت کربن هنوز در بسیاری از خاکهای دیم‌کاریها امروزه پایین بودن مواد غذایی است.
راس موسن و کارتن در سال 1994 پیشنهاد کردند که مراحل جریان کربن در خاکهای دیم‌کاری میان 10 تا 20 درصد از میزانی که کربن اضافه شده است را به دست می دهد.
منبع اصلی کربن خاک co2 جو است که درست بوسیله گیاهان در فرآیندهای فتوسنتز ساخته می‌شود.
بنابراین تولید اولیه حد بالای را روی مقدار کربنی که می‌تواند در خاک ذخیره شود، می گذارد و از طریق بیوماسی که در تولید خالص اولیه به دست می دهد در دسترس خواهد بود.
موثرترین روش تجمع کربن در خاکها باید بوسیله تجزیه مستقیم مواد گیاهی باشد.
اگر کربن که بوسیله بعضی زنجیره‌های هتروتروف مستقیما‌ً به اتمسفر بعنوان یک co2 زنجیرخه‌ای برگردانده شود فعالیت انگلی و گوارشی و تاثیرات جذبی آنها می‌باشد.
این مراحل در شکل یک نشان داده شده است.
در جایی که مدل کربن خاک مورد استفاده برای تاثیر کود سبز گیاهی و گاوی اضافه شده برای خاک ورتی‌سول در ناحیه نیمه‌خشک آندراپارادش نشان داده شده است.
این سیستم یک موقعیت پایا است.
زمانی که (در سال 1989 ) پنج تن در هکتار درساختار مواد زائد گیاهی یا کود که برای پنج سال پیاپی اضافته شده است.
محتوی کربن آلی خاک عمدتاً در طول دوره کاربرد و پس از آن که به طور متوالی به دست آورده شده و پس از آن روی سالهای متوالی پایین آمده است.
تجمع پنجاه درصدی محتوای کربن مواد گیاهی ده تنی از مواد زائد گیاهی که واقعاً برای تهیه هر پنج تن کاربرد کربن گیاهی مورد نیاز می‌باشد.
برای کاربرد کود اگر تاثیر مواد گوارشی و مواد حیوانی شصت درصد باشد، ده تن از مواد زائد گیاهی از کود را تولید خواهد کرد.
اگر کود گاوی شامل 25 درصد کربن شود فقط در واقع یک تن کربن دردسترس ترکیب خاک خواهد بود.
شکل یک به روشنی کمترین کربن دردسترس برای جریان داخل خاک زمانی که آن را بوسیله زنجیره موجودات هتروتروفی گزارده می‌شود، نشان می‌دهد.
در شکل یک تغییر در کربن آلی خاک برای یک ورتی‌سول در نواحی نیمه‌خشک آندراپارادش هندوستان همراه با مدل کربن خاک نشان داده شده است.
پنج تن مواد زتئد کربن گیاهی و پنج تن کود حیوانی در پنج سال متوالی در سال 1989 بکار برده شده اند.
آزمایشات در بلند مدت نشان داده‌اند که یک رابطه خطی میان کمیت کربن اضافه شده به خاک بعنوان ماده آلی و مقدار کربن تجمع یافته در خاک وجود دارد و عوامل جریان دیگر ثابت باقی می‌‌مانند.
اگر چه حالت دینامیک ماده آلی خاک پیچیده است و فاکتورهای کنترلی منحصراُ در هر موقعیتی بر یکدیگر اثر می‌گذارند، پیش‌بینی هایی که چطور در آینده مدیریت گروههای کربنی باید تغییراتی را تا 20 سال یابند، داده شده است.
این به طور جزئی تا اندازه‌ای تاثیر عملیات مدیریت خاک روی کربن خاک قابل اندازه‌گیری حفظ شده است.
سرانجام اگر شرایط سیستمی که یک حالت پایای جدید را بطور مشترک در پنجاه تا صد سال تحقق می‌دهد.
نکته مهم بررسی از بیین رفتن جریان کربن خاک، طبیعت دینامیکی فرآیندها است.
حتی اگر خاکها فعال باشند تا اندازه یک sink یا مخزن آنها توامانان مقداری کاهش کربن خواهد داشت و بسیاری از فاکتورها می‌تواند در هر زمانی برای تغییر تعادل عمل کند.
همه کربن در خاکها توانایی برای تجزیه کامل را دارند.
از طرف دیگر فرسایش مسیر عمده برای کاهش کربن از خاکها بوسیله پخش co2 که عموماً بعنوان تنفس خاک با حرارت شناخته می‌شود.
این کاهش در محیط های گرمتر زیاد شده، زیرا شروع جریان co2 از فعالیت میکروبی افزوده می‌شود.
اگر چه نسبت، غیر خطی است و بهترین توصیف داده شده بوسیله مدل آرهنیوس است، این یک عامل اولیه است.
عاملی بر ضد جریان کربن در اقلیمهای گرم حرارتی است.
بهرحال اگر چه تجزیه هم نیازمند رطوبت است و دردیم‌کاری‌ها در دسترس نبودن آب عامل محدود کننده است.
عمل متقابل بین حرارت و رطوبت در کنترل تجزیه پیچیده است و به ویژگی های منطقه وابسته است.
برای مثال میلیک و دژاز فهمیدند که پخش co2 از خاک در یک علفزار بلند اساساً به حرارت و ثانیاً به آب بستگی دارد، برعکس در طول فصل رشد یک موقعیت پیچیده‌تر در تگزاس مرکزی بوسیله فرنس لوبرز کشف شد.
آنها کشف کردند که وابستگی روی توالی گیاه زراعی و رژیم های شخم و فصل، بین 65-98 درصد از تفاوت درجریان co2 با یک ترکیب از حرارت و رطوبت و طول سال می‌توان حساب کرد.
پراکندگی‌های فعالیت میکروبی از بارندگی ضمنی، که در دیم کاریها عادی هستند پیروی می کند.
این چنین آب و هوای فصلی می تواند مقداری زمان در بعضی از عملیات مدیریتی زمین بوجود آورد، از قبیل بقایای گیاهی و کاربرد کود.
ویژگی در شرایط تاثیر آنها نه تنها بر حاصلخیزی خاک است، بلکه همچنین برای جریان حداکثر کربن می‌باشد.
کربن جذبی گیاهان برای خاک نهایتاً کربن در خاکها از co2 در اتمسفر بدست می‌آید که بوسیله گیاهان برای بکاربردن در فرآیندهای فتوسنتز جذب شده است.
بطور کلی، تولید قویاً با آب در دسترس ازتباط دارد.
در نتیجه دیم کاریها بوسیله این واقعیت که جریان کربن کمتر است در بسیاری از اکوسیستمها، توسعه نیافته‌اند.
زیرا محدودیت بوسیله کمبود آب را متحمل شده است.
از یک دیدگاه مساله جریان کربن صرفاً در گیاهانی که در دیم‌کاری ها رشد می‌کنند باید روی پایه‌هایی که بهترین ویژگیهای سازگار به این شرایط را دارند انتخاب شود.
رشد گیاهان و روییدنی‌ها روی خاکهای دیم‌کاری بطور بدی یا به طور نامطلوبی مناسب نیست.
برای کشاورزی پایدار که بعنوان یک راهکاری برای افزایش ذخیره کربن خاک پیشنهاد شده است.
در خشک‌ترین نواحی گونه های گزوفیت حقیقی مورد نیاز هستند که قادرند ماده خشک را از صفر یا حداقل نهاده‌ها از طرف انسان تولید کنند.
بهترین گونه های گیاهیی که سازگار شده اند برای مصرف آب محدود از هر دو نوع مکانیسم فتوسنتزی c4 یا CAM بکار می‌برند.
گیاهان CAM قادرند روزنه های خود را در شب هنگام، هنگامی که تبادل آب کمترین است، باز کنند.
آنها CO2 را درون یک اسید چهار کربنه که می‌تواند بعنوان یک گیرنده درونی CO2 برای مصرف فتوسنتز در طول شبانه روز تثبیت می‌شود.
گونه‌های C4 یک مکانیسم متمرکز کننده CO2 دارند.
نتیجه خالص تثبیت کاهش یافتن جریان گازها بدرون و خارج برگها است و در نتیجه تاثیر کاربرد آب (راندمان مصرف آب ) افزایش می‌یابد.
این همراه شده است بوسیله یک راندمان مصرف نیتروژن بالا که نیاز برای کاربرد کوتاه را کاهش می‌دهد.
اینگونه‌ها همچنین فاقد گیرنده‌های نوری، یک نتیجه از حرارت اپتیمم بالا برای فتوسنتز و یگ توانایی برای افزایش جذب CO2 از حداکثر تشعشع در نواحی گرمسیری است.
گیاهان بیابانی برای داشتن میزان آهسته از رشد بررسی شده بودند.
ولی تحقیقات همراه با آگاو نشان داد که بهره‌برداری گونه‌های دام که سازگار شده‌اند با شرایط خشک شدید می‌تواند با میزان خیلی زیاد تولید نشان داده شود.
در حالیکه بیوماس روزمین خاکها را با ماده آلی به تبعیت از افزایش قدمت تهیه می‌کند.
بیوماس زیرزمینی یک منبع مهم کربن است.
نه تنها از میان مرگ ریشه‌ای، بلکه همچنین از مترشحات ریشه است.
به هر حال، محدود کردن تراوش ریشه‌ای یک کار مشکل است.
گیاهان گزوفیت یا گیاهان خشکی‌زی نوعاً سیستم ریشه‌ای عمیق دارند که آنها را برای استفاده آب زیرزمینی قادر می‌سازد.
این سیستم ریشه‌ای عمیق برای گرفتن کربنی که در مناطق عمیق خاک قرار دارد، جایی که برای اکسید شدن آمادگی کمتری دارد، ایده آل است.
فیشر، به اهمیت ریشه‌های عمیق معرفی شده گرامینه‌ها برای افزایش ذخیره کربن در ساوانا آمریکای جنوبی، تاکید کرده بود.
درحالیکه جین فورد سی درصد از مجموع تولید اولیه ذخیره طولانی مدت کربن ورودی را در خاکهای استرالیا از ریشه‌ها برآورد کرد.
گیاهان حتی درخشک‌ترین مناطق یک پتانسیل خوبی برای گرفتن کربنی که در خاک دردحال جریان است را دارند.
نه تنها یک واریته از گونه های گیاهی در دسترس برای رشد در محیط‌های دیم کاری، یک تعدادی از اینها می‌توانند برای تولیدات مفید برداشت شوند.
درو، البته مقدار بقایای گیاهی در دسترس برای ترکیب داخل خاک، کاهش خواهد داد ولی پتانسیل جریان کربن وجود دارد.
گیاهان هالوفید یکی از ویژگیهای مهم بسیاری از خاکهای دیم‌کاری، شوریست.
از میان رخدادهای طبیعی یا بطور افزایشی در نتیجه آبیاری است.
خاکهای نمکی قسمت بزرگ از دیم کاری ها را مورد تاثیر قرار می دهند.
چنین زمینه هایی اغلب فراوان هستند.
ولی گیاهان هالوفید به طور مخصوصی با این شرایط سازگار شده اند و پتانسیل پیشنهادی برای جریان کربن در این محیط مطلوب برآورد شده است که 130 میلیون هکتار برای کشت گیاهان هالوفید مناسب است و اینها می تواند برای کشت مواد غذایی و دانه های روغنی مورد استفاده قرار گیرند.
کلن، تخمین زد که 6/0 الی 2/1 GT/Y کربن می تواند سالانه تجمع یابد، بوسیله گیاهان هالوفیدو کاربرد پیشرفته از آزمایشات تجزیه‌ای که پیشنهاد می شود.
شاید از روی خوش بینی به طور اپتیمم، 50 تا