วงจรธาตุอาหารพืช - วัฏจักรคาร์บอน ( Carbon cycle )

วัฏจักรของคาร์บอน  (อังกฤษ : Carbon cycle) เป็นวัฏจักรชีวธรณีเคมี ซึ่งธาตุคาร์บอนถูกแลกเปลี่ยนระหว่างสิ่งมีชีวิต, พื้นดิน, น้ำ และบรรยากาศของโลกคาร์บอนเป็นธาตุสำคัญธาตุหนึ่งของสิ่งมีชีวิต เป็นองค์ประกอบประมาณ 50%ของเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิต และในรูปคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช



การหมุนเวียนของคาร์บอนในระบบนิเวศแบ่งได้เป็น 3 แบบ ตามระยะเวลาที่ใช้ในการหมุนเวียนให้ครบรอบคือ ระยะสั้น ระยะกลางและระยะยาว

การหมุนเวียนระยะสั้น

เป็นการหมุนเวียนของคาร์บอนในรูปคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจ เริ่มจากพืชตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมาสังเคราะห์เป็นสารอินทรีย์ คาร์บอนจากบรรยากาศจึงเคลื่อนย้ายเข้าสู่พืช เกิดขึ้นได้ทั้งบนบกและในน้ำ ดังสมการ

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

ในการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจะเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี บางส่วนถูกใช้ไป บางส่วนถูกเก็บสะสมในรูปคาร์โบไฮเดรต ซึ่งจะถ่ายทอดไปตามห่วงโซ่อาหาร คาร์บอนเหล่านี้จะกลับสู่บรรยากาศโดยการหายใจ และการย่อยสลายหลังจากสิ่งมีชีวิตตายลงไป การย่อยสลายนี้อาจจะได้คาร์บอนในรูปคาร์บอนไดออกไซด์หรือก๊าซมีเทน กลับคืนสู่บรรยากาศ

การย่อยสลายของจุลินทรีย์เกิดขึ้นได้สองสภาวะคือ สภาวะที่มีและไม่มีออกซิเจน ในสภาวะที่มีออกซิเจน คาร์บอนในสารอินทรีย์จะถูกปล่อยออกมาในรูปคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนในสภาวะไม่มีออกซิเจน คาร์บอนถูกปล่อยออกมาในรูปก๊าซมีเทน โดยการทำงานของแบคทีเรียกลุ่ม Methanogen ก๊าซมีเทนจะถูกเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ โดยแบคทีเรียกลุ่ม Methylotroph เช่น Methylomonas

คาร์บอนมอนอกไซด์ยังเป็นรูปหนึ่งของคาร์บอนที่เกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีแสงของมีเทน หรือจากการเผาไหม้ (combusion) ของมวลชีวภาพ โดยปกติคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นสารพิษต่อสิ่งมีชีวิต แต่ก็มีสิ่งมีชีวิตบางกลุ่มใช้คาร์บอนมอนอกไซด์เป็นแหล่งพลังงานได้ เช่น Pseudomonas carboxidoflava และ Pseudomonas carboxydohydrogena ซึ่งจะเปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในสภาวะที่มีออกซิเจน ส่วนในสภาวะไม่มีออกซิเจน Methanosarcina barkeri จะเปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นก๊าซมีเทน และ Clostridium thermoaceticum เปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์เป็นกรดน้ำส้ม

การหมุนเวียนระยะยาว

เป็นการหมุนเวียนของคาร์บอนผ่านระบบโครงสร้างของโลกทั้งในแผ่นดิน มหาสมุทรและหินปูน องค์ประกอบสำคัญของหินปูนคือแคลเซียมคาร์บอเนต หินปูนเป็นแหล่งสะสมคาร์บอนที่สำคัญของพื้นโลก การเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศและการกัดเซาะจะชะแคลเซียม ซิลิกา และคาร์บอนออกจากหินปูนดังสมการ

CaCO₃ + CO₂ → Ca²⁺ + 2HCO₃^-

CaSiO₃ + 2CO₂ + H₂O → 2HCO₃^- + SiO₂

สิ่งที่ได้จากการกัดเซาะจะลงสู่แม่น้ำและไปยังมหาสมุทร Ca²⁺ และ HCO₃^- บางส่วนจะถูกไปใช้ในการสร้างโครงสร้างของสิ่งมีชิวิตที่มีแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นองค์ประกอบ เช่นเปลือกหอย บางส่วนกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์กลับสู่บรรยากาศ เมื่อสิ่งมีชีวิตตาย จะถูกย่อยสลายได้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำลึก ซึ่งจะกลับสู่บรรยากาศเมื่อน้ำในบริเวณนั้นม้วนตัวขึ้นมา

ประเด็นเรื่อง biochar

ในแง่ของการรักษาสิ่งแวดล้อม มีแนวคิดว่าถ้าเราชะลอการส่งคาร์บอนกลับไปในอากาศในรูปแบบของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ หรือคาร์บอนมอนน๊อกไซด์ ได้ก็น่าจะทำให้มีอ๊อกซิเจนในอากาศมากขึ้น โดยใช้เหตุผลว่าถ้าเราปล่อยให้ต้นไม้ผุพังไปเอง เดี๋ยวขบวนการย่อยสลายก็จะทำให้เกิดก๊าซที่มีองค์ประกอบของคาร์บอน จึงเกิดข้ออ้างว่าการนำไม้มาเผาให้การเป็นถ่านแล้วฝังดินน่าจะช่วยชะลอการปล่อยก๊าซคาร์บอนเข้าไปในชั้นบรรยากาศ  แต่เหตุผลเหล่านี้ไม่ค่อยจะถูกต้องนักเนื่องจากในต้นไม้มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบประมาณ 45% ซึ่งหมายความความหากเราไม่ตัดต้นไม้มาเผาถ่านตั้งแต่ต้น แต่ปล่อยให้ต้นไม้เติบโตไปเรื่อยๆ เราจะช่วยตรึงคาร์บอนไว้บนดินมากกว่าการเผาให้เป็นถ่านซะอีกหลายเท่าตัว  นอกจากนั้นหากเราพิจารณามิติของเวลาเราจะเห็นว่าขบวนการย่อยสลายไม้เกิดขึ้นช้ามากๆ แต่ขบวนการเผาถ่านกลับทำให้คาร์บอนกลายเป็นก๊าซจำนวนมากในขั้นตอนการเผาถ่าน สุดท้ายได้ผลลัพธ์เป็นจำนวนน้อยมากเทียบกับปริมาณก๊าซคาร์บอนที่เราปลดปล่อยเป็นก๊าซก่อนเวลาอันควร

ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าข้ออ้างที่บอกว่าการเผาไม้เป็นถ่านเป็นการรักษาสิ่งแวดล้อมจึงไม่เป็นความจริง อย่างไรก็ตามการนำถ่านไม้ที่เผาแล้วนำไปผสมกับดินนั้นย่อมช่วยในการปรับปรุงคุณภาพของดินได้จริง  ซึ่งจะดีกว่าไม่ใส่ถ่านไม้ลงไปในดิน แต่ยังเป็นที่น่าสงสัยว่าจริงๆ แล้วการฝังไม้ลงในดินโดยไม่เผา แล้วให้ไม้ค่อยๆ ย่อยสลายไปอย่างช้าๆ ช่วยในการปรับปรุงดินมากกว่าหรือไม่ แนวคิดในการฝังไม้ลงในดินเพื่อปรับปรุงดินเรียกว่า "Hugelkultur" ซึ่งเป็นเทคนิคที่นิยมกันในกลุ่มเพอร์มาคัลเจอร์ทางโซนยุโรบ

ประเด็นเรื่องโลกร้อน

โดนปกติในอากาศจะประกอบด้วยก๊าซไนโตรเจน 78% ออกซิเจน 21% ที่เหลือจะเป็นไอน้ำ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซอาร์กอน และก๊าซอื่นๆ ถึงแม้นว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะคิดเป็นสัดส่วนน้อยมากในอากาศ แต่คาร์บอนไดออกไซด์มีคุณสมบัติในดูดพลังจากช่วง Wave Length ที่อยู่ในช่วงของรังสีอินฟราเรดซึ่งเป็นคลื่นความร้อน (ตามภาพด้านล่าง) นั่นหมายความว่าถ้าเรามีปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศเพิ่มขึ้น อากาศก็จะดูดความร้อนไว้ได้มากยิ่งขึ้น
โดยปกติโลกจะได้รับความร้อนจากแสงของดวงอาทิตย์ โดยจะมีความร้อนส่วนหนึ่งเก็บไว้ในอากาศ แต่ก็จะแผ่รังสีความร้อนส่วนที่เหลือกลับออกไปในห้วงอวกาศ การมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศมากขึ้นก็จะเพิ่มความจุความร้อนของอากาศ ทำให้ความร้อนที่เดิมจะแผ่ออกไปในอวกาศลดลง ทำให้อากาศในโลกร้อนมากยิ่งขึ้นกลายเป็นสภาวะโลกร้อนที่เรากำลังได้ยิน



ความพยายามในการแกปัญหาโลกร้อนหนทางหนึ่งคือ แนวคิดในการสะกดรอยตามเส้นทางของคาร์บอน (carbon footprint) ในการใช้ผลิตภัณฑ์และการทำกิจกรรมต่างๆ (หมายความว่ายิ่งค่า Carbon footprint ยิ่งน้อยยิ่งดี) รวมทั้ง การศึกษาวัฏจักรการไหลเวียนของคาร์บอน ในธรรมชาติ กระบวนการที่ทำให้เกิดการแปรรูปหมุนเวียน ได้แก่ การสังเคราะห์แสง ในพืช การหายใจ การเผาไหม้ การเน่าเปื่อยสลายตัวของซากพืชซากสัตว์ การไหลเวียนแปรรูปของคาร์บอนเหล่านี้มีทั้งการปล่อยและการดูดซับ การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการดูดซับดึงกลับคาร์บอนจากปริมาณที่ปล่อยออกมามากเกินไป คือ แนวคิดที่อาจจะแก้ปัญหาโลกร้อนของเราได้ นอกเหนือจากการพยายาม ลดการปล่อยก๊าซที่องค์กรนานาประเทศเรียกร้อง ปัจจุบันมีรายงานการวิจัยที่น่าสนใจอยู่สองสามแนวคิด ดังนี้

1.ลดการทำลายแหล่งกักเก็บคาร์บอน

ปกติเราก็ตระหนักกันอยู่แล้วว่า ป่าไม้เป็นแหล่งดูดซับคาร์บอนที่สำคัญที่สุด แต่กระนั้น เราก็ยังคงรักษาป่าไม้ไว้ไม่ได้ ด้วยสาเหตุหลายประการ นับตั้งแต่จำนวนประชากรเพิ่มขึ้น ความต้องการทางเกษตรกรรมก็เพิ่มขึ้น ความต้องการที่ดินในการพัฒนาถนน เมือง เขื่อนผลิตไฟฟ้า และอะไรๆ อีกหลายอย่าง รวมทั้งการสร้างรีสอร์ต ทำสนามกอล์ฟ และแสวงหาผลประโยชน์ส่วนตัว ประเทศที่กำลังพัฒนาทั้งหลายรวมทั้งประเทศไทยจึงไม่เคยที่จะหยุดยั้งการตัดไม้ทำลายป่าได้เลย การทำเกษตรกรรมเชิงเดี่ยวก็เป็นอีกสาเหตุหนึ่งในการก่อให้เกิดปัญหาเมื่อเทียบกับพืชที่เติบโตหลายชั้นในป่า หรือวนเกษตร (ซึ่งจะทำให้มีจำนวนพืชต่อพื้นที่สูงกว่า) ในกรณีที่เราเลี่ยงการขยายตัวของเมืองไม่ได้ แต่เราจะชะลอการทำลายแหล่งดูดซับคาร์บอนได้อย่างไร แทนที่จะใช้วิธีการบุกรุกพื้นที่ป่าเราอาจจะต้องกลับมาพิจารณาวิธีการใช้พื้นที่ดินที่ถูกจัดสรรแล้วให้เหมาะสม

2.ลดการปลดปล่อยคาร์บอนที่ถูกกักเก็บไว้ใต้ดิน

ในความเป็นจริง การเกิดขึ้นของเชื้อเพลิงฟอสซิลต่างๆ เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติในทะเล ก็เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันนี้คือจากการสะสมทับถมของซากพืชซากสัตว์ในทะเลเป็นเวลาหลายล้านปี นับได้ว่าแหล่งน้ำมันใต้ดินเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนที่ใหญ่ที่สุดในโลกก็ว่าได้ และการที่เราขุดมันขึ้นมาใช้ก็เป็นการปลดปล่อยคาร์บอนออกไปในสัดส่วนที่มากที่สุด ปัจจัยที่ควบคุมการปลดปล่อยไว้ไม่ได้คือการเติบโตทางเศรษฐกิจนั่นเอง


การที่ธรรมชาติจะนำคาร์บอนกลับไปเก็บในชั้นใต้ดินลึกๆ แบบนี้อีกต้องใช้เวลาหลายล้านปีซึ่งอาจจะไม่ทันการ การที่มนุษย์ดำเนินนโยบายที่ไปผูกการขยายตัวทางเศรษฐกิจเข้ากับการใช้พลังงานฟอสซิสเหล่านี้ จึงเร่งการปลดปล่อยคาร์บอนใต้ดินออกมามากเช่นนี้ จึงไม่รู้ว่าจะเป็นประโยชน์หรือเป็นมหันตโทษต่อมนุษยชาติกันแน่! การค้นหาวิธีใช้พลังงาน Renewable Energy อื่น หรือ ลดกิจกรรมที่ต้องใช้พลังงานฟอสซิสลงน่าจะช่วยลดภาวะโลกร้อนลง

3.การกักเก็บคาร์บอนในดิน

แต่แนวคิดที่น่าสนใจไม่แพ้กันคือ การเพิ่มประสิทธิภาพการกักเก็บคาร์บอนไว้ในดิน ปกติการที่ซากพืชซากสัตว์ล้มตายลงบนดินก็จะถูกย่อยสลายไปในเวลาไม่นาน ปฏิกิริยาการย่อยสลายเกิดจากเชื้อแบคทีเรียและเชื้อราในดินนั่นเอง โดยมีความชื้นและอุณหภูมิที่สูงกว่าบรรยากาศเล็กน้อยเป็นตัวช่วย แล้วทุกอย่างก็สลายกลายเป็นคาร์บอนอยู่ในดิน ช้าหรือเร็วแล้วแต่สภาพภูมิอากาศ สำหรับประเทศไทยที่ภูมิอากาศร้อนชื้นเอื้ออำนวย ทุกอย่างก็สามารถย่อยสลายไปภายในเวลาไม่นาน แนวคิดนี้จะสอดคล้องกับเทคนิค "Hugelkultur" ที่นิยมใช้กันในกลุ่มเพอร์มาคัลเชอร์ทางยุโรบ

เพื่อเพิ่มการดูดซับกักเก็บคาร์บอนให้มากขึ้นเร็วขึ้น นักค้นคว้าวิจัยหาวิธีการต่างๆ ขึ้นมา บ้างก็พัฒนา Microbes หรือ เชื้อจุลินทรีย์แบบใหม่ๆ ขึ้นมาให้ active ขึ้น บ้างค้นหาวัสดุที่ย่อยสลายเป็นคาร์บอนได้เร็ว เช่น ใบไผ่ ใบอ้อย บ้างก็จำลองสภาวะที่ช่วยเกิดปฏิกิริยาให้เร็วขึ้น ทั้งหมดนี้ยังมิได้ดำเนินการจริงจังในเมืองไทย ถ้าเราจะตั้งใจทำกันจริงๆ ก็เพียงแต่ฟื้นฟูดิน พลิกหน้าดิน ใส่ปุ๋ยอินทรีย์ แบบภูมิปัญญาดั้งเดิมของไทยแทนการใช้สารเคมีก็ช่วยได้มากแล้ว

4. การดูดซับคาร์บอนในมหาสมุทร

แนวคิดอีกอย่างหนึ่งคือ การกักเก็บคาร์บอนไว้ในมหาสมุทร ปกติท้องน้ำจะดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไว้ หากความเข้มข้นของก๊าซในบรรยากาศสูงกว่าความเข้มข้นในน้ำ และคาร์บอนที่ละลายอยู่ในน้ำก็จะถูกดึงไปใช้ในกระบวนการชีวภาพ โดยมี phytoplankton หรือแพลงก์ตอนพืชเป็นสำคัญ ซึ่งแพลงก์ตอนพืชก็จะเป็นอาหารของปลาและสัตว์น้ำอื่นๆ สร้างผลผลิตทางชีวภาพในท้องน้ำ เมื่อมีปริมาณคาร์บอนในน้ำเพิ่มขึ้น ผลผลิตก็เพิ่มขึ้นด้วย เพียงเท่านี้ นักค้นคว้าวิจัยคงยังไม่พอใจ จึง มีความพยายามในการพัฒนาแพลงก์ตอน พืชที่ดูดซับคาร์บอนและเสริมสภาวะให้เหมาะสมขึ้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับคาร์บอน

อย่างไรก็ตาม กระบวนการเร่งรัดนี้ก็มีขีดจำกัด เมื่อน้ำทะเลดูดซับคาร์บอนไว้มากก็ทำให้กลายเป็นกรดมากขึ้น ค่าความเป็นกรดที่สูงขึ้นนี้จะลดการละลายของคาร์บอนไดออกไซด์ลง ฉะนั้นนักวิจัยจึงต้องศึกษาปัจจัยของกระบวนการนี้อย่างละเอียดลออ ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถควบคุมกระบวนการได้

ในความพยายามที่จะศึกษา เมื่อไม่กี่ปีมานี้ นักวิจัยกลุ่มหนึ่งได้ทดลองเอาผงเหล็กจำนวนมาก โปรยลงไปในทะเลแปซิฟิกเขตร้อนแห่งหนึ่ง แล้วติดตามผลการเปลี่ยนแปลงในทางเคมีและชีวภาพในทะเล ผลปรากฏว่า เกิดการขยายตัวของแพลงก์ตอนพืชและสัตว์น้ำต่างๆ เพิ่มขึ้นอย่างน่าพอใจ แสดงว่าการกักเก็บคาร์บอน เข้าไปอยู่ในวงจรชีวิตของสัตว์น้ำแทนที่จะละลายอยู่ในน้ำเฉยๆ แต่การกักเก็บมิได้เคลื่อนตัวลงไปยังห้วงน้ำที่ลึกลงไป จึงไม่ได้ประโยชน์เท่าที่ควร ทั้งนี้ เป้าหมายที่แท้ จริงของนักวิจัยคือ การเคลื่อนย้ายคาร์บอน จากบรรยากาศไปกักเก็บไว้ที่พื้นโลกก้นทะเลให้มากที่สุด เพราะต้องการเก็บไว้ในระยะยาว เมื่อเป็นดังนี้ วิธีการนี้จึงให้ผลเป็นเพียงความสำเร็จส่วนหนึ่งเท่านั้น

โดยสรุปเรื่องนี้ยังอยู่ในระหว่างการทดลองแต่สิ่งที่เราพอจะทำกันได้ทุกวันนี้คือลดการปล่อยสารพิษและขยะลงในแหล่งน้ำ เนื่องจากสุดท้ายแล้วก็จะไหลไปลงทะเลซึ่งจะมีผลกับแพลงก์ตอนพืช และพืชในทะเล (เช่น สาหร่าย) การช่วยกันรักษาสิ่งแวดล้อมจึงจะช่วยรักษาพืชที่ทำหน้าที่ดูดซับคาร์บอนในน้ำให้กับเรา

วัฏจักรชีวธรณีเคมี (อังกฤษ: Biogeochemical cycle) คือวงจรหรือแนวกระบวนการที่เกี่ยวกับการที่ธาตุหลักทางเคมีหรือโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมของระบบนิเวศทั้งที่มีชีวิต (ชีวภาพ) และไม่มีชีวิต (ธรณีภาพ) โดยหลักการแล้ว วัฏจักรทุกวัฏจักรย่อมซ้ำกระบวนการเสมอ แม้ว่าในบางวัฏจักร จะใช้เวลาซ้ำกระบวนการนานมาก โดยการเปลี่ยนรูปนี้จะเกิดผ่านทั้งบรรยากาศ น้ำ และบนบก รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากปัจจัยทางกายภาพและชีวภาพ สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีส่วนร่วมในวัฏจักร

วัฎจักรหลักที่เราสนใจศึกษาสำหรับเกษตรธรรมชาติ คือ วัฏจักรของธาตุอาหารหลักของพืช ได้แก่ ไฮโดรเจน(H) ออกซิเจน(O) คาร์บอน(C) ไนโตรเจน(N) ฟอสฟอรัส(P) โพแทสเซียม (P) แคลเซียม(Ca) และกำมะถัน(S) ซึ่งความเข้าใจในวัฏจักรเหล่านี้จะเป็นพื้นฐานในความพยายามที่จะรักษาสมดุลให้มีแร่ธาตุต่างๆ หมุนเวียนในธรรมชาติที่เพียงพอสำหรับพืชที่เราปลูก โดยมนุษย์ไม่ต้องเข้าไปแทรกแซงมากจนเกินไป ผมจึงได้รวบรวมเรื่องราวของวัฏจักรสำคัญๆ ไว้ดังนี้ :

• วัฏจักรของน้ำ
• ฝนเอย..ทำไมจึงตก?
• ต้นไม้สายฝน - บทบาทของต้นไม้กับสายฝน
• แกะรอยน้ำฝน...น้ำฝนหายไปไหนเมื่อตกมาถึงพื้น?
• การระเหยของน้ำ
• ทำไมต้องเก็บน้ำลงใต้ดิน?
• วัฏจักรออกซิเจน (O)
• วัฏจักรไนโตรเจน (N)
• วัฏจักรแคลเซียม (Ca)
• วัฏจักรฟอสฟอรัส (P)
• วัฏจักรโพแทสเซียม (K)
• วัฏจักรกำมะถัน (S)
• วัฏจักรไฮโดรเจน (H)
• Dynamic Accumulator ผู้ช่วยในการหมุนเวียนของวัฏจักร
• เรากำลังคุกคามการอยู่รอดในอนาคตของพวกเราเองหรือไม่?