Роль почвенного биоразнообразия в глобальном углеродном цикле и климатических обратных связях

Почва как ключевое звено глобального углеродного цикла. Почвы являются критически важным резервуаром в глобальном круговороте углерода, накапливая приблизительно вдвое больше углерода, чем содержится в атмосфере. Ежегодные потоки углерода между почвой и атмосферой исчисляются сотнями гигатонн (Гт), что иллюстрирует схема на рис. 5.19. Прогнозирование климатических обратных связей и разработка стратегий смягчения последствий изменения климата невозможны без понимания этой динамики. Упрощенная модель цикла демонстрирует естественную чистую ежегодную потерю атмосферой около 1,75 Гт углерода. Однако антропогенные выбросы, составляющие около 5,5 Гт C в год, нарушают этот баланс, приводя к чистому приросту атмосферного углерода в размере 3,75 Гт C, что подчеркивает непропорциональное влияние человека на тонко сбалансированную природную систему.

Рис. 5.19: Схема глобального углеродного цикла. Черные цифры обозначают запасы углерода в различных резервуарах в гигатоннах (ГтC), фиолетовые — ежегодные потоки между ними. Данные приблизительно соответствуют 2004 году. Отложения на схеме не включают ~70 млн Гт углерода в карбонатных породах и керогене.

Факторы, определяющие роль почвы как источника или поглотителя углерода. Почвенные организмы напрямую определяют, функционирует ли экосистема как источник или поглотитель углерода. Например, в Великобритании ежегодные потери почвенного органического углерода (SOC) достигают 13 миллионов тонн, что составляет около 8% общенациональных выбросов. Исследования указывают, что эти потери связаны скорее с активностью и разнообразием почвенной биоты, чем со статичными свойствами почвы. Распределение SOC крайне неоднородно, что наглядно показано на карте для Европы (рис. 5.21). Ключевым климатическим фактором, регулирующим динамику SOC, является температура: скорость разложения органического вещества почвы (OM) обычно удваивается при повышении среднегодовой температуры на 8-9°C.

Рис. 5.21: Карта распределения запасов органического углерода в почвах Европы.

Температурная чувствительность разложения и роль биоразнообразия. Такая температурная зависимость предполагает, что глобальное потепление может ускорить разложение SOC и усилить эмиссию CO₂ в атмосферу. Лабораторные эксперименты подтверждают этот тезис, демонстрируя усиление микробного дыхания при устойчивом потеплении. Однако долгосрочные полевые наблюдения в лесных экосистемах часто показывают более стабильные темпы разложения, что указывает на наличие сложных компенсаторных механизмов. Это противоречие подчеркивает необходимость масштабных натурных исследований. Косвенно биоразнообразие почв влияет на запасы углерода, усиливая устойчивость почвы к эрозии благодаря скрепляющему действию грибных гиф и образованию стабильных агрегатов. Интенсивная эрозия может трансформировать почву из поглотителя в источник углерода.

Почвенная биота и потоки парниковых газов: метан и закись азота. Помимо CO₂, почвенные организмы играют центральную роль в образовании и потреблении других мощных парниковых газов. Метан (CH₄), чей потенциал глобального потепления в 21 раз превышает потенциал CO₂ (рис. 5.20б), продуцируется археями-метаногенами в анаэробных условиях (заболоченные земли, рисовые чеки). Противоположный процесс — окисление CH₄ — осуществляют метанотрофные бактерии, что открывает пути для биологического сокращения выбросов. Закись азота (N₂O), с потенциалом потепления в 310 раз выше, чем у CO₂, образуется в результате микробиологических процессов нитрификации и денитрификации в рамках азотного цикла.

Антропогенное воздействие и значение управления почвенными экосистемами. На управляемые агроэкосистемы приходится до 80% выбросов азота и 50% выбросов углерода из почв, что резко контрастирует с природными системами и подчеркивает глубокое влияние сельскохозяйственных практик. Хотя на CO₂ приходится около 83% общих антропогенных выбросов, совокупный вклад CH₄ (~8%) и N₂O (~5%) в радиационное воздействие остается весьма значительным (рис. 5.20б). Таким образом, рациональное управление почвенным биоразнообразием и связанными с ним процессами является критически важным для смягчения последствий изменения климата через сокращение эмиссии как углеродных, так и неуглеродных парниковых газов.

Рис. 5.20б: Сравнительный вклад различных парниковых газов (CO₂, CH₄, N₂O) от природных и антропогенных источников в изменение климата. Потенциал глобального потепления (ПГП) указан относительно CO₂.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante.

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity.

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.