Bugün öğrendim ki: Ağaç kesmek, gezegenin karbon depolamasına bileşik negatif faiz getirir. Ağaçlar, fauna ve mikropların yardımıyla yer altında karbon depolar. Bunlar karbonu toprağa hapseder. Ağaç kesmek sadece karbon salınımını artırmakla kalmaz, aynı zamanda karbonu toprağa hapsetme yeteneğini de ortadan kaldırır.
Toprak organik maddesi, fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerini etkileyen ve insan toplumlarının bağlı olduğu düzgün işleyişine büyük katkıda bulunan toprağın temel bir bileşenidir. Toprak organik maddesinin (TOM) faydaları; su ve besin maddelerinin tutulumunun artması yoluyla toprak kalitesinin iyileştirilmesini, doğal ortamlarda ve tarımsal alanlarda bitki verimliliğinin artmasını içerir. TOM, toprak yapısını iyileştirir ve erozyonu azaltarak yeraltı ve yüzey sularında su kalitesinin iyileşmesine ve nihayetinde gıda güvenliğinin artmasına ve ekosistemlere olumsuz etkilerin azalmasına yol açar. Kayıtlı tarihin başlangıcından beri toplumlar, insan faaliyetlerinin toprak verimliliğini ve gıda üretme kapasitesini azaltabileceğini anlamıştır (McNeill ve Winiwarter 2004). Sadece yakın tarihte toprak verimliliğinin anlaşılması TOM seviyelerine bağlanmıştır; TOM stoklarındaki azalmanın genellikle tüm ekosistemler ve gezegen üzerinde büyük ölçekli etkiler yaratmasıyla sonuçlanmıştır. Örneğin, karasal ekosistemlerde depolanan karbonun önemli bir miktarını içeren yağmur ormanlarının tahrip edilmesi, iklim değişikliğiyle bağlantılı olarak artan atmosferik karbondioksit (CO2) seviyelerine önemli ölçüde katkıda bulunurken, madencilikten kaynaklanan toprak bozulmasından kaynaklanan TOM seviyelerindeki düşüşler, yağış sızmasını ve sel hafifletmesi için önemli olan toprak neminin depolanmasını etkileyebilir. Toprak bozulması ayrıca artmış erozyona ve topraklardan besin sızıntısına yol açar; bu da iç sularda ve kıyı ekosistemlerinde ötrofikasyona ve buna bağlı alg patlamalarına yol açarak nihayetinde okyanusta ölü bölgeler oluşmasına neden olur (Şekil 1). Topraktaki organik madde seviyelerinin restorasyonu, TOM depolama için önemli olan ekolojik süreçlerin anlaşılmasını gerektirir. Uygun restorasyon teknikleri, karasal ekosistem fonksiyonlarının restore edilmesine yardımcı olabilir.
Toprak Organik Karbonun Temelleri
Toprak organik maddesi, bakteri ve mantarlar da dahil olmak üzere toprak mikroplarından, bitki ve hayvan dokuları gibi bir zamanlar yaşayan organizmalardan gelen çürüyen maddelerden, dışkı maddesinden ve bunların ayrışmasından oluşan ürünlerden oluşur. TOM, taze bitki kalıntılarından humus olarak bilinen oldukça ayrışmış maddeye kadar çeşitli ayrışma aşamalarında değişen heterojen bir madde karışımıdır. TOM, karbondan oldukça zengin organik bileşiklerden oluşur. Toprak organik karbon (TOK) seviyeleri, toprakta bulunan organik madde miktarıyla doğrudan ilişkilidir ve TOK genellikle topraklarda organik maddenin ölçülme biçimidir.
TOK seviyeleri, fotosentez, solunum ve ayrışmanın anahtar olduğu birkaç ekosistem sürecinin etkileşimlerinden kaynaklanır. Fotosentez, atmosferik CO2'nin bitki biyokütlesine bağlanmasıdır. TOK giriş oranları öncelikle bir bitkinin kök biyokütlesi tarafından belirlenir, ancak bitki sürgünlerinden bırakılan atıkları da içerir. Toprak C hem doğrudan bitki köklerinin büyümesi ve ölümü hem de dolaylı olarak köklerden toprak mikroplarına karbon açısından zengin bileşiklerin transferinden kaynaklanır. Örneğin, birçok bitki kökleri ve toprakta mikoriza olarak bilinen özel mantarlar arasında simbiyotik ilişkiler oluşturur; kökler mantarlara karbon şeklinde enerji sağlar, mantarlar ise bitkiye fosfor gibi sıklıkla sınırlı besin maddeleri sağlar. Toprak mikropları tarafından biyokütle ayrışması, mikrobiyal solunum nedeniyle topraktan CO2 olarak karbon kaybıyla sonuçlanırken, orijinal karbonun küçük bir kısmı humus oluşumu yoluyla toprakta tutulur; bu ürün, genellikle karbon bakımından zengin topraklara karakteristik koyu rengini verir (Şekil 2). TOK'un bu çeşitli biçimleri, dirençlilikleri veya ayrışmaya karşı dirençlerinde farklılık gösterir. Humus oldukça dirençlidir ve bu ayrışmaya karşı direnç, toprakta uzun bir kalış süresine yol açar. Bitki artıkları daha az dirençlidir ve bu da toprakta çok daha kısa bir kalış süresiyle sonuçlanır. Karbon kaybına yol açabilecek diğer ekosistem süreçleri arasında toprak erozyonu ve çözünmüş karbonun yeraltı suyuna sızması bulunur. Karbon girişleri ve çıkışları birbirleriyle dengede olduğunda, TOK seviyelerinde net bir değişiklik olmaz. Fotosentezden gelen karbon girişleri C kayıplarını aştığında, TOK seviyeleri zamanla artar.
Fotosentez, ayrışma ve solunum oranları kısmen iklimsel faktörler, en önemlisi toprak sıcaklığı ve nem seviyeleri tarafından belirlenir. Örneğin, kuzey enlemlerindeki soğuk ve ıslak iklimlerde, fotosentez oranları ayrışmayı aşarak yüksek TOK seviyelerine yol açar (Şekil 3). Kurak bölgelerde, çoğunlukla düşük birincil üretimden dolayı düşük TOK seviyeleri bulunurken, tropik bölgelerde sıcak sıcaklıklar ve bol yağışlardan kaynaklanan yüksek birincil verimlilik ve ayrışma oranlarından dolayı genellikle orta TOK seviyeleri bulunur. Ilıman ekosistemler, sıcaklık ve nem seviyelerinin en yüksek olduğu yaz aylarında yüksek birincil verimliliğe sahip olabilir, yılın geri kalanındaki serin sıcaklıklar ayrışma oranlarını yavaşlatır, böylece organik madde zamanla yavaşça birikir (Şekil 4). İklim koşulları büyük ölçüde küresel toprak karbon modellerini oluştururken, daha küçük uzamsal ölçeklerde değişen diğer faktörler, TOK seviyelerini belirlemek için iklimle etkileşime girer. Örneğin, toprak dokusu - belirli bir toprağı oluşturan kum, silt ve kil parçacıklarının göreceli oranları - veya bu toprak parçacıklarının mineralojisi, toprak karbon stokları üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Ek olarak, erozyon ve birikim süreçleri, toprak karbonunu manzaranın topografyasına göre yeniden dağıtır, alçak alanlar örneğin taşkın yataklarında, yamaç üstü konumlara göre genellikle daha yüksek TOK bulunur.
Toprak Karbonu ve Küresel Karbon Döngüsü
Topraktaki C miktarı, gezegenin karasal ekosistemlerinde bulunan karbonun önemli bir bölümünü temsil eder. Karasal ekosistemlerdeki toplam C yaklaşık 3170 gigaton (GT; 1 GT = 1 petagram = 1 milyar metrik ton)'dur. Bu miktarın yaklaşık %80'i (2500 GT) toprakta bulunur (Lal 2008). Toprak karbonu organik (1550 GT) veya inorganik karbon (950 GT) olabilir. İkincisi, element karbon ve kalsit, dolomit ve alçı taşı gibi karbonat malzemelerinden oluşur (Lal 2004). Yaşayan bitki ve hayvanlarda bulunan karbon miktarı, toprakta bulunan karbon miktarına göre nispeten azdır (560 GT). Toprak karbon havuzu, 800 GT olan atmosferik havuzdan yaklaşık 3,1 kat daha büyüktür (Oelkers & Cole 2008). Sadece okyanus, çoğunlukla inorganik formlarda yaklaşık 38.400 GT C ile daha büyük bir karbon havuzuna sahiptir (Houghton 2007).
Toprak Karbonu ve İklim Değişikliği
Dünyanın ikliminin, insan faaliyetlerinden kaynaklanan atmosfere CO2 ve diğer sera gazlarının (GHG'ler) sürekli girişlerine yanıt olarak hızla değiştiği hipotezini destekleyen giderek artan bir kanıt kümesi vardır (IPCC 2007). Bir dizi GHG mevcut olsa da (örneğin, N2O, CH4), CO2, sanayi öncesi dönemden bugüne kadar muazzam artışlar sonucu küresel iklim üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Atmosferik CO2 konsantrasyonları, 1850'den önce yaklaşık 280 ppm'den 2006'da 381,2 ppm'e yükselmiştir (WMO 2006), şu anda yıllık 0,88 ppm (3,5 GT C/yıl) artış vardır (IPCC 2007). Atmosferik CO2'deki toplam artışın yaklaşık üçte ikisi fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanırken, geri kalanı arazi kullanım değişikliğinden kaynaklanan TOK kaybından kaynaklanmaktadır (Lal 2004), örneğin ormanların temizlenmesi ve gıda üretimi için arazi ekimi (Şekil 5).
Ormanların yok edilmesiyle atmosfere salınan karbon, yer üstü bitki biyokütlesinin ayrışmasından kaynaklanan karbonu içerirken, topraktaki karbon seviyeleri de TOM'un ayrışmasından dolayı hızla azalmaktadır. TOM'un ayrışması, orman bitki örtüsünün büyümesinden sürekli karbon girişinin olmaması durumunda mikrobiyal ayrıştırıcı topluluğunun aktivitesinden ve orman örtüsü kaldırıldıktan sonra zeminin ısınmasından kaynaklanan artmış toprak sıcaklıklarından kaynaklanmaktadır. Bu toprak karbon kaybı atmosfere artan CO2 seviyelerine katkıda bulunmuş olsa da, bu aynı zamanda bu karbonun bir kısmını ağaçlandırmadan toprağa depolama fırsatı da sunmaktadır.
Toprak karbon havuzuna göre okyanus karbon havuzunun çok daha büyük olmasına rağmen, atmosfer ve toprak arasındaki değişim oranının atmosfer ve okyanus arasındaki değişim oranından daha yüksek olduğu tahmin edilmektedir. Mevcut tahminler, karasal bitki örtüsü tarafından fotosentez yoluyla karbon girişlerinin, toprak solunumu yoluyla karbon kaybını aştığını ve yaklaşık 3 GT C/yıl'lık bir toprak depolama oranı ile sonuçlandığını göstermektedir. Okyanus karbon akı oranları, okyanusların Dünya yüzeyinin çok daha büyük bir bölümünü kaplamasına rağmen yaklaşık 2 GT karbon/yıl depoladığını göstermektedir. Büyük ölçekli besin ilaveleri yoluyla okyanus karbon depolama oranlarını artırmaya yönelik bir ilgi olsa da, küresel besin döngüleri ve deniz ekosistemleri üzerindeki bilinmeyen sonuçlardan dolayı bu yaklaşıma karşı şüphecilik vardır (Cullen & Boyd 2008). Toprakta karbon depolama miktarının artırılmasının amacı, TOK depolamada yer alan süreçlerin daha iyi anlaşılması, insan faaliyetleri yoluyla bu süreçlerin daha doğrudan kontrolü ve su kalitesi ve artan gıda güvenliği de dahil olmak üzere diğer bilinen ekosistem faydaları nedeniyle çok daha geniş bir kabul görmüştür.
Toprak Karbon Sekestrasyonu
Toprak karbon sekestrasyonu, CO2'nin atmosferden uzaklaştırılıp toprak karbon havuzunda depolanması sürecidir. Bu süreç esas olarak bitkiler tarafından fotosentez yoluyla aracılık edilir ve karbon TOK şeklinde depolanır. Kurak ve yarı kurak iklimlerde, topraktaki havadan CO2'nin ikincil karbonatlar gibi inorganik formlara dönüştürülmesinden toprak karbon sekestrasyonu da meydana gelebilir; ancak inorganik karbon oluşum oranı nispeten düşüktür (Lal 2008).
Sanayi devriminden bu yana, doğal ekosistemlerin tarımsal kullanıma dönüştürülmesi, TOK seviyelerinin azalmasına ve 50 ila 100 GT karbonun topraktan atmosfere salınmasına yol açmıştır (Lal 2009). Bu, toprağa geri dönen bitki kökleri ve kalıntıların miktarındaki azalmanın, toprak işleme kaynaklı artmış ayrışmanın ve artmış toprak erozyonunun birleşik sonucudur (Lemus & Lal 2005). TOK stoklarındaki azalma, çeşitli arazi yönetim yaklaşımlarıyla toprağa karbon depolama fırsatı sunan bir toprak karbon açığı oluşturmuştur. Bununla birlikte, gelecekte olası toprak karbon değişimini iklim kontrolleri, tarihi arazi kullanım kalıpları, mevcut arazi yönetim stratejileri ve topografik heterojenlik de dahil olmak üzere çeşitli faktörler etkiler.
Atmosferik CO2 ve küresel sıcaklıklardaki sürekli artışlar, fotosentez oranları üzerindeki kontroller yoluyla karbon girişleri ve solunum ve ayrışma yoluyla karbon kayıpları üzerinde çeşitli farklı sonuçlara sahip olabilir. Deneysel çalışmalar, yüksek CO2 konsantrasyonlarında yetişen bitkilerin fotosentez yoluyla daha fazla karbon bağladığını ve daha fazla biyokütle ürettiğini göstermiştir (Drake vd. 1997). Bununla birlikte, daha fazla kök biyokütlesinden kaynaklanan artan bitki solunumundan (Hungate vd. 1997) veya artan mikrobiyal aktivite yoluyla TOM'un hızlandırılmış ayrışmasından dolayı karbon kaybı da artabilir (Zak vd. 2000). Benzer şekilde, artan sıcaklıklar, suyun mevcudiyetini sınırlandırarak ve dolayısıyla fotosentez oranlarını azaltarak karbon dengesini etkileyebilir. Alternatif olarak, su sınırlı olmadığında, artan sıcaklıklar bitki verimliliğini artırabilir, bu da karbon dengesini de etkiler (Maracchi vd. 2005). Artan sıcaklıklar ayrıca daha yüksek TOM ayrışma oranlarına yol açabilir, bu da daha fazla CO2 üretebilir ve iklim değişikliği üzerinde olumlu geri bildirimlerle sonuçlanabilir (Pataki vd. 2003).
Bir havza veya tarla ölçeğinde, toprağın karbon sekestrasyon kapasitesi, ekosistem süreçleri üzerindeki yerel kontrollerden etkilenebilir. Yağış sızması, toprak erozyonu ve tortu birikimi ve toprak sıcaklığı gibi süreçler, manzara heterojenliğinden dolayı yerel ölçeklerde değişebilir - bunların tümü karbon giriş ve karbon kayıp oranlarını etkiler (Şekil 6), topografik gradyanlar boyunca TOK içeriklerinde farklılıklar yaratır (Thompson ve Kolka 2005). Örneğin, eğim konumu toprak nemini ve besin seviyelerini etkiler, daha sonra toprak karbonu için sonuçları olabilecek bitkilerin kök büyümesini etkiler (Ehrenfeld vd. 1992). Arazi kullanımı, arazi yönetimi ve manzara düzeyindeki etkilerin karbon giriş ve kayıp oranları üzerindeki birleşik etkileri, manzaralar arasında karbon sekestrasyon kapasitesinde farklılıklara yol açar.
Karbon sekestrasyon potansiyeli, diğer kullanımlara dönüştürülmeden önce doğal bitki örtüsü altında tarihi TOK stoklarının ve bu arazi kullanımlarının karbon kaybı üzerindeki etkilerinin anlaşılmasıyla belirlenebilir. Doğal bitki örtüsüne kıyasla karbon girişlerini azaltan veya kayıpları artıran arazi kullanımları ve yönetimi, zamanla TOK'ta azalmalara yol açar ve daha önce toprakta mevcut olan karbon seviyelerine göre bir toprak karbon açığı oluşturur. Bu açık, arazi kullanımındaki ve yönetimdeki değişikliklerin karbon girişlerini artırması veya kayıplarını azaltması durumunda arazi kullanımı ve yönetimindeki değişikliklerden karbon depolama fırsatı sunmaktadır. Örneğin, eski bir tarla üzerinde ağaçlandırma veya çayırlık restorasyonu, yıllardır süren tarımsal üretimin neden olduğu karbon açığını azaltabilir ve mahsüllere kıyasla daha yüksek kök verimliliği yoluyla karbon sekestrasyonunu sağlayabilir. Benzer şekilde, sulak alanların ve göletlerin oluşturulması, su basmış topraklarda oksijen eksikliğinden dolayı ayrışmanın büyük ölçüde azalması nedeniyle büyük miktarda karbon sekestrasyonu sağlayabilir; bu aslında geçmiş arazi kullanımından kaynaklanan açıkları aşan karbon kazançlarıyla sonuçlanabilir. Mera veya otlakların sulanması gibi diğer yönetim uygulamaları da, yeni yönetim altındaki karbon girişleri doğal koşullar altındaki seviyeleri büyük ölçüde aşarsa, tarihi TOK stoklarının ötesinde karbon seviyelerini artırabilir. Özellikle tarımsal ortamlardaki yönetimin etkileri olmak üzere, arazi yönetiminin TOK seviyeleri üzerindeki etkisi, şu anda birçok araştırmanın konusudur (Tablo 1). Bununla birlikte, bu toprak karbonundaki değişiklikler tipik olarak on yıllar alır ve bu da TOK stoklarındaki değişikliklerin gerçek ölçümlerini zorlaştırır.
Sonuç
TOK, karasal ekosistemlerin işleyişi üzerinde önemli etkileri olan toprağın hayati bir bileşenidir. TOK depolama, fotosentez, ayrışma ve toprak solunumu dinamik ekolojik süreçleri arasındaki etkileşimlerden kaynaklanır. Son 150 yıldır insan faaliyetleri bu süreçlerde değişikliklere ve sonuç olarak TOK'un tükenmesine ve küresel iklim değişikliğinin şiddetlenmesine yol açmıştır. Ancak bu insan faaliyetleri artık karbonu toprağa geri sekestrasyon için bir fırsat sunmaktadır. Gelecekteki ısınma ve yüksek CO2, geçmiş arazi kullanım kalıpları ve arazi yönetim stratejileri ile manzaraların fiziksel heterojenliğinin, toprakta karmaşık TOK kapasitesi kalıpları üretmesi bekleniyor.