Дыхание почв: российские ученые определили связь между засухами и содержанием CO₂ в атмосфере

Российские ученые подвели итоги эксперимента, который длился 24 года в лесах Подмосковья. На протяжении этого времени биологи замеряли интенсивность так называемого дыхания почв (газообмена между атмосферой и землей) в части выделяемого почвенной биотой и корнями растений углекислого газа. Выяснилось, что, хотя при повышении температуры активность микроорганизмов обычно растет, в условиях засухи выделение CO₂ снижается, поскольку биота также нуждается во влаге. При этом в разных типах почвы этот процесс идет неодинаково. По словам ученых, полученные выводы помогут лучше понять, как будет меняться баланс между поглощением и выделением лесами углекислого газа в условиях засух, которых в последние годы становится всё больше на фоне глобального потепления.

Лес смешанный, Приокско-террасный биосферный заповедник. Московская область. Источник: Ирина Курганова

Ученые из Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино) обобщили результаты уникального полевого эксперимента, который продолжался 24 года. Его целью было оценить общее дыхание почв (процесса газообмена между атмосферой и землей) в различные сезоны года и определить, насколько оно чувствительно к повышению температуры. О результатах исследования, опубликованных в журнале Forests, RT сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

По словам специалистов, наземные экосистемы оказывают решающее влияние на природные потоки углекислого газа и его концентрацию в атмосфере. Относительная стабильность последней обеспечивается балансом между поглощением углекислого газа растениями в ходе фотосинтеза и его выделением при разложении органического вещества почвенными микроорганизмами.

«И если все мы слышали выражение, что леса — легкие нашей планеты, то об этих крошечных, невидимых глазу существах, населяющих почву, мы часто забываем. А ведь они активно дышат, выделяя в процессе своей жизнедеятельности в атмосферу углекислый газ, и тем самым напрямую участвуют в круговороте углерода», — рассказала в беседе с RT руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН Ирина Курганова. — Так, в результате дыхания почвы в атмосферу выделяется почти на порядок больше углерода, чем при сжигании ископаемого топлива».

Исследование проводилось в двух экосистемах на юге Подмосковья: в широколиственном и смешанном лесах. С декабря 1997 по ноябрь 2021 года учёные еженедельно и непрерывно измеряли на одних и тех же участках количество углекислого газа, выделяемого почвенными микроорганизмами и корнями растений. Для этого были установлены герметично закрытые камеры, в которых накапливался CO₂. Из них ученые отбирали газовые пробы, которые затем анализировали в лаборатории. По изменению концентрации углекислого газа в пробах авторы работы рассчитывали интенсивность дыхания почвы.

Камеры-накопители. Источник: Ирина Курганова

Выделение углекислого газа происходит в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и дыхания корней растений, и с ростом температуры эти процессы протекают более активно. Однако ученые установили, что чувствительность дыхания почвы к повышению температуры зависит от уровня влажности во время вегетации растений.

В засушливые годы выделение углекислого газа снижалось по сравнению с годами, когда уровень увлажненности был нормальным или повышенным, поскольку количество влаги и доступность питательных веществ в почве для микроорганизмов заметно уменьшались. В результате процессы их жизнедеятельности замедлялись, и они выделяли в атмосферу меньше CO₂.

При этом степень отклика микробиоты на недостаток влаги в почве во время засух неодинакова. Ученые выяснили, что живущие в супесчаных почвах микроорганизмы в засушливые годы значительно снижают активность и переходят в экономный режим. Это связано с тем, что такой грунт обладает низкой водоудерживающей способностью и быстро теряет влагу. Поэтому в супесчаных почвах повышение температуры в условиях засухи не приводит к росту почвенного дыхания.

Несколько иная ситуация наблюдается в суглинистых почвах. Они тоже сокращают выделение углерода в условиях засухи, однако далеко не так сильно, как супеси. Дело в том, что эти почвы способны даже в самые засушливые годы сохранять запасы влаги, необходимой для жизнедеятельности микроорганизмов.

 

В целом отклик дыхания почв на рост температуры в засушливые годы снижается во всех случаях, отмечают авторы работы. И потепление климата в условиях усиления его засушливости может привести к уменьшению концентрации углекислого газа в атмосфере, поскольку его выделение почвой будет меньше, чем поглощение растениями.

«Таким образом, мы показали, что именно влагообеспеченность почв в вегетационный период является основным фактором, контролирующим температурную чувствительность почвенного дыхания в лесных экосистемах. При современной тенденции усиления засушливости климата во многих регионах России и мира можно прогнозировать снижение потока углекислого газа из почв в атмосферу. Эта тенденция будет распространяться на лесные экосистемы таежной зоны, к которым принадлежат и леса Подмосковья, где проводились исследования», — отметила Ирина Курганова.

По словам специалистов, опубликованная работа дает новые знания о глобальном цикле углерода, который напрямую связан с климатическими изменениями, наблюдаемыми сегодня на Земле.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.