Микробы ослабляют способность почвы поглощать углерод

 (0)

Скорость выделения углекислого газа из почвы растёт быстрее, чем скорость его поглощения наземными растениями. Причина — повышение активности почвенных микроорганизмов, которое, возможно, ослабляет способность суши служить поглотителем углерода.

Нарушение равновесия потоков углерода на поверхности суши. (a) Основными источниками углекислого газа в наземной биосфере служат дыхание, связанное с разложением органического вещества почвенными микроорганизмами, и дыхание самих растений — как их надземных, так и подземных частей. При этом растения поглощают CO₂ в процессе фотосинтеза. В настоящее время общее количество CO₂, поглощаемого растениями, превышает количество, выделяемое при дыхании. Поэтому поверхность суши действует как поглотитель углерода. Ширина стрелок приблизительно соответствует величине потоков CO₂. (b) Бонд-Лэмберти и его коллеги сообщают, что за последние несколько десятилетий скорость образования CO₂ почвенными микроорганизмами увеличивалась быстрее, чем скорость его использования растениями. Это позволяет предположить, что интенсивность дыхания может достичь переломного момента, когда выделение CO₂ начнёт превышать его поглощение растениями. В таком случае поверхность суши превратится в источник атмосферного углекислого газа. Когда именно может наступить этот переломный момент, пока неизвестно.

Поверхность суши играет важнейшую роль в глобальном круговороте углерода, реагируя на изменения концентрации углекислого газа в атмосфере и связанное с ними изменение климата. За последние несколько десятилетий рост концентрации CO₂ в атмосфере и повышение температуры почвы и воздуха во всём мире сопровождались усилением метаболической активности организмов, обитающих на суше. Об этом свидетельствует увеличение как поглощения CO₂ — главным образом растениями в процессе фотосинтеза, — так и его выделения растениями и почвенными микроорганизмами, преимущественно в результате дыхания.

Бонд-Лэмберти и его коллеги сообщают, что скорость увеличения выбросов CO₂ опережает скорость роста его поглощения растениями. Причину такого дисбаланса исследователи видят в повышении активности микроорганизмов, получающих питательные вещества, разлагая органическое вещество почвы или превращая его в минеральные соединения. Если обнаруженная тенденция сохранится, дыхание микроорганизмов может внести существенный вклад в глобальное потепление: при разложении органического вещества в атмосферу будет поступать CO₂, который до этого хранился в почве десятилетиями, а иногда и тысячелетиями.

Обмен углекислым газом между поверхностью суши и атмосферой происходит благодаря множеству процессов. Команда Бонда-Лэмберти сосредоточились на почвенном дыхании — одном из крупнейших потоков CO₂ в глобальном углеродном цикле. Учёные проанализировали ранее опубликованные данные о почвенном дыхании, собранные на многочисленных участках по всему миру и охватывающие широкий спектр экосистем, включая сельскохозяйственные угодья, умеренные леса и пустыни. На основе этих данных они оценили годовую интенсивность почвенного дыхания в разных местах и проследили изменения этого показателя в период с 1990 по 2014 год.

Затем учёные сопоставили динамику почвенного дыхания, сопровождающегося выделением CO₂, с динамикой продуктивности растений, связанной с его поглощением. Для оценки продуктивности использовались различные источники данных, в том числе спутниковые наблюдения. Исследователи обнаружили, что в целом за рассматриваемый период отношение интенсивности почвенного дыхания к продуктивности растений увеличивалось. В большинстве случаев это отношение оставалось ниже единицы и лишь на отдельных участках в определённые годы превышало её. Это указывает на то, что при некоторых условиях почва может выделять больше CO₂, чем поглощают растения.

Полученные результаты заставляют задуматься: может ли среднее глобальное соотношение этих показателей в будущем превысить единицу? И если да, то когда?

Такое событие стало бы переломным моментом, когда суша перестала бы преимущественно выполнять роль поглотителя, помогающего удалять из атмосферы CO₂, образующийся при сжигании ископаемого топлива, и превратилась бы в его источник. Это усилило бы рост концентрации углекислого газа и ускорило изменение климата.

На следующем этапе авторы сосредоточились на исследованиях из своей базы данных, в которых общее почвенное дыхание разделялось на два компонента: дыхание, обусловленное преимущественно разложением органического вещества микроорганизмами, и дыхание, связанное с корнями растений. Анализ первого компонента позволил учёным заключить, что непропорционально быстрое увеличение общего почвенного дыхания объясняется повышением активности почвенных микроорганизмов.

Однако, чтобы понять, приведёт ли ускорение почвенного дыхания к превращению суши в источник CO₂, необходимо учитывать и временные тенденции изменения дыхательных потерь углерода, связанных с надземной растительной биомассой. Ведь общие потери CO₂ биологического происхождения из наземных экосистем складываются из выбросов, происходящих в почве и за её пределами.

Как признаёт Бонд-Лэмберти, ранее опубликованные результаты многолетних наблюдений с использованием башен с оборудованием для метода вихревой ковариации указывают на иную тенденцию. Такие башни непрерывно измеряют концентрацию CO₂ и его потоки на определённых участках в различных экосистемах. Согласно полученным данным, продуктивность растений увеличивалась быстрее, чем общие потери CO₂ в результате дыхания надземных и подземных частей экосистемы. Необходимы дополнительные данные и анализ, чтобы объяснить, почему эти результаты, по-видимому, противоречат выводам Бонда-Лэмберти.

Если выводы исследователей верны, какие механизмы могли бы объяснить, почему активность почвенных микроорганизмов усиливается значительно быстрее, чем продуктивность и дыхательная активность растений?

Исследования последних лет показали, что растения способны гораздо эффективнее снижать интенсивность дыхания в ответ на длительное повышение температуры, чем почвенные микроорганизмы, продолжительность жизни которых относительно невелика. Авторы предполагают, что усиление активности микроорганизмов, обнаруженное в их исследовании, вероятнее всего, отражает стимулирующее воздействие повышенных температур, связанных с изменением климата.

Впрочем, при попытках сделать глобальные выводы на основании данных, проанализированных командой Бонда-Лэмберти, необходимо учитывать ряд возможных проблем.

Большая часть данных была получена в результате разовых измерений интенсивности почвенного дыхания, выполненных многочисленными исследователями с применением различных методов оценки вклада почвенных микроорганизмов. Различия в методиках могли приводить к неодинаковым выводам о том, насколько важна роль микроорганизмов в почвенном дыхании.

Кроме того, были использованы упрощённые допущения, чтобы на основании отдельных измерений дыхания за час или сутки оценить годовые потоки CO₂. При этом неопределённость таких расчётов не учитывалась. Ограниченность данных проявляется и в продолжительности наблюдений на отдельных участках: повторные измерения имелись лишь для небольшого числа мест. Между тем регулярные наблюдения необходимы, чтобы выявлять долгосрочные тенденции и не допускать, чтобы их маскировали различия между участками, обусловленные другими факторами.

Авторы признают некоторые из этих ограничений и учитывают их в статистическом анализе, однако очевидно, что вопрос требует более строгого изучения. Для этого исследователям необходимо собирать непрерывные временные ряды данных о почвенном дыхании и составляющих его потоках, а также применять точные методы оценки неопределённости и экстраполяции локальных измерений, позволяющие выявлять тенденции на обширных территориях.

Несмотря на существующие ограничения, работа группы Бонда-Лэмберти представляет большую ценность: она помогает лучше понять, насколько долго почва способна накапливать углерод и какие угрозы этому процессу создаёт ускоренное разложение органического вещества почвенными микроорганизмами. Полученные результаты будут иметь важное значение для разработки и проверки моделей глобального углеродного баланса, в котором почвенный углерод занимает центральное место.

Потоки CO₂ в масштабах целых экосистем часто измеряют с помощью башен, оснащённых оборудованием для метода вихревой ковариации. Однако непрерывные измерения почвенного дыхания и разложения органического вещества микроорганизмами пока доступны далеко не для всех участков мира, а имеющиеся наблюдения нередко охватывают лишь непродолжительные периоды.

Создание долгосрочных наблюдательных проектов, таких как Национальная экологическая обсерваторная сеть США (NEON), которая, помимо других экологических показателей, отслеживает потоки почвенного CO₂, откроет новые возможности для систематического изучения временных тенденций и причин изменения интенсивности выделения углекислого газа из почвы.

Такие данные будут чрезвычайно важны для разработки региональных и глобальных моделей углеродного цикла, оценки изменения климата и изучения стратегий, способных смягчить его последствия.

Источник: Киона Огл, журнал Nature, № 7716, 2018 год.

Предыдущая статья:
Крошечная драгоценность с грязного подоконника.