Баланс углерода в почве

Накопление углерода в почве является жизненно важной экосистемной функцией, возникающей в результате взаимодействия экологических процессов. Деятельность человека, влияющая на эти процессы, может привести к потере углерода или, наоборот, его накоплению.

Органическое вещество является ключевым компонентом почвы, влияющим на ее физические, химические и биологические свойства, способствуя ее нормальному функционированию, от которого зависит выживание человечества. Выгоды от большего содержания почвенного органического вещества (ПОВ) включают улучшение качества почвы за счет увеличения удержания воды и питательных веществ, что приводит к большей продуктивности растений в естественных условиях и на полях фермеров.

ПОВ улучшает структуру почвы и уменьшает эрозию, что приводит к улучшению качества воды в подземных и поверхностных водах и в конечном счете к повышению продовольственной безопасности и снижению негативного воздействия на экосистемы. С начала своей истории человечество осознало, что его деятельность может привести к снижению продуктивности почвы и возможности производить продовольствие (McNeill and Winiwarter, 2004).

рис 1.

Только в недавней истории понимание продуктивности почв было привязано к уровню содержания ПОВ, а истощение запасов ПОВ часто приводило к крупномасштабным воздействиям на целые экосистемы и даже на всю планету. Например, уничтожение тропических лесов, в которых находилось значительное количество углерода, хранящегося в наземных экосистемах, вносит значительный вклад в рост уровня содержания углекислого газа в атмосфере. Это приводит к изменению климата, в то время как снижение уровня ПОВ в результате нарушения почвы в процессе её обработки может повлиять на инфильтрацию осадков и хранение почвенной влаги, важной для смягчения последствий засух.

Нарушение почвенного покрова также приводит к усилению эрозии и вымыванию питательных веществ из почв, что вызывает эвтрофикацию и, как следствие, цветение водорослей во внутренних водных и прибрежных экосистемах, что в конечном итоге приводит к образованию мертвых зон в океане (рис. 1). Восстановление уровня органического вещества в почве требует понимания экологических процессов, важных для сохранения ПОВ. Надлежащие методы реставрации могут помочь восстановить функции наземных экосистем.

Основные положения об органическом углероде почвы

Почвенное органическое вещество состоит из почвенных микробов, бактерий и грибов, разлагающегося материала из когда-то живых организмов, таких как растительные и животные ткани, фекальный материал и продукты, образующиеся в результате их разложения. ПОВ представляет собой гетерогенную (разнородную) смесь материалов, которые находятся в стадии разложения от свежих растительных остатков до сильно разложившегося материала, известного как гумус. ПОВ состоит из органических соединений, которые сильно обогащены углеродом. Уровни органического углерода в почве (SOC) напрямую связаны с количеством органического вещества, содержащегося в ней, и SOC часто является способом измерения органического вещества в почве.

Уровни SOC являются результатом взаимодействия нескольких экосистемных процессов, ключевыми из которых считаются фотосинтез, дыхание и разложение. Фотосинтез - фиксация атмосферного CO₂ в биомассу растений.

Скорости поступления SOC в основном определяются корневой биомассой растения, но также включают подстилку, откладываемую из наземной части растений. Почвенный углерод возникает как непосредственно в результате роста и гибели корней растений, так и косвенно, в результате переноса обогащенных углеродом соединений из корней в почвенные микробы. Например, многие растения образуют симбиотические ассоциации между своими корнями и специализированными грибами в почве, известные как микориза; корни обеспечивают грибы энергией в виде углерода, в то время как грибы обеспечивают растение питательными веществами, такими как фосфор.

рис 2.

Разложение биомассы почвенными микробами приводит к потере углерода в виде CO₂ из почвы из-за микробного дыхания, в то время как небольшая часть исходного углерода сохраняется посредством образования гумуса - продукта, который часто придает почвам, богатым углеродом, характерный темный цвет (рис. 2). Различные формы SOC отличаются по своей устойчивости к разложению. Гумус обладает высокой степенью устойчивости, и такая устойчивость к разложению приводит к длительному времени его пребывания в почве. Растительный мусор является менее стабильным, что приводит к гораздо более короткому времени пребывания в почве. Другие экосистемные процессы, которые могут привести к потере углерода, включают эрозию почвы и вымывание растворенного углерода в подземные воды. Когда поступление и убыль углерода находятся в равновесии друг с другом, нет чистого изменения уровней SOC. Когда поступление углерода в результате фотосинтеза превышает потери, уровень SOC со временем увеличивается.

рис 3.

Скорости фотосинтеза, разложения и дыхания частично определяются климатическими факторами, наиболее важными из которых являются температура почвы и уровень увлажненности. Например, в холодном влажном климате северных широт скорости фотосинтеза превышают разложение, что приводит к высоким уровням SOC (рис. 3). В засушливых регионах низкий уровень SOC в основном из-за низкой первичной продуктивности, в то время как в тропиках часто есть промежуточные уровни SOC из-за высоких показателей как первичной продуктивности, так и разложения в результате высоких температур и обильных осадков.

рис 4.

Умеренные экосистемы могут иметь высокую первичную продуктивность летом, когда температура и уровень влажности наиболее высоки, а низкие температуры в течение остальной части года замедляют скорость разложения, так что органическое вещество медленно накапливается с течением времени (рис. 4).

В то время как климатические условия в значительной степени генерируют глобальные структуры углерода в почве, другие факторы, которые варьируются в меньших пространственных масштабах, взаимодействуют с климатом для определения уровней SOC. Например, текстура почвы - относительные пропорции частиц песка, ила и глины, которые составляют конкретную почву - или минералогия этих частиц почвы может оказать значительное влияние на запасы углерода в почве.

Кроме того, процессы эрозии и осаждения влияют на перераспределение углерода в почве в соответствии с рельефом ландшафта, при этом на низменных участках, таких как поймы, часто наблюдается увеличение SOC по сравнению с частью поля выше по склону.

Почвенный углерод и глобальный углеродный цикл

Количество углерода (С) в почве представляет собой значительную часть от углерода, обнаруженного в земных экосистемах планеты. Общий C в наземных экосистемах составляет приблизительно 3170 гигатонн (GT; 1 GT = 1 петаграмма = 1 миллиард метрических тонн). Из этого количества около 80% (2500 GT) содержится в почве (Lal, 2008). Углерод в почве может быть органическим (1550 GT) или неорганическим (950 GT). Последний состоит из элементарных углеродных и карбонатных материалов, таких как кальцит, доломит и гипс (Lal, 2004).

Количество углерода, обнаруженного в живых растениях и животных, сравнительно мало по сравнению с содержанием углерода в почве (560 GT). Пул углерода в почве примерно в 3,1 раза больше, чем атмосферный пул в 800 GT (Oelkers&Cole, 2008). Только океан имеет более крупный углеродный пул: около 38 400 GT GT, в основном в неорганических формах (Houghton, 2007).

Почвенный углерод и изменение климата

Появляется все больше данных, подтверждающих гипотезу о том, что климат Земли быстро меняется в ответ на постоянные выбросы CO₂ и других парниковых газов (ПГ) в атмосферу в результате деятельности человека (IPCC, 2007). Хотя существует ряд других парниковых газов (например, NO, CH4₄), CO₂ оказывает наибольшее влияние на глобальный климат в результате огромного роста его поступления в атмосферу с доиндустриальной эпохи до сегодняшнего дня.

рис 5.

Концентрации CO₂ в атмосфере возросли с приблизительно 280 частей на миллион (ppm) в 1850 г. до 381,2 ppm в 2006 г. (ВМО, 2006 г.) с текущим ежегодным увеличением на 0,88 ppm (3,5 GT C/год) (IPCC, 2007). Приблизительно две трети общего увеличения содержания CO₂ в атмосфере является результатом сжигания ископаемого топлива, а остальная часть - в результате потерь SOC из-за интенсивного землепользования (Lal, 2004): вырубка лесов и обработка земли для производства продуктов питания (рис. 5).

В то время как углерод, выбрасываемый в атмосферу в результате сокращения лесов, включает в себя углерод, выделяемый при разложении надземной растительной биомассы, уровни углерода в почве также быстро истощаются в результате разложения ПОВ. Разложение ПОВ происходит из-за активности сообщества микробных разложителей при одновременном отсутствии поступления углерода в результате роста лесной растительности, а также из-за повышенных температур почвы в результате ее перегрева после удаления полога леса. Потеря углерода из почвы способствовала повышению уровня СО₂ в атмосфере.

Но у нас есть возможность сохранить часть этого углерода в почве при лесовосстановлении.

Несмотря на гораздо больший размер океанического углеродного пула по сравнению с почвенным углеродным пулом, скорость обмена между атмосферой и почвой, по оценкам, выше, чем обмен между атмосферой и океаном. Текущие оценки показывают, что поступление углерода в результате фотосинтеза наземной растительностью фиксирует больше углерода, чем потери углерода в результате дыхания почвы, что приводит к скорости накопления в почве около 3 GT C/год.

Считается, что океаны хранят около 2 GT углерода, несмотря на то что они занимают значительно большую долю поверхности Земли. Существует ряд проектов, направленных на увеличение уровня накопления углерода в океане за счет крупномасштабного добавления питательных веществ. Ряд ученых выражает скептицизм в отношении этого подхода из-за неизвестных последствий для глобальных круговоротов питательных веществ и морских экосистем (Cullen&Boyd, 2008).

Цель увеличения накопления углерода в почве получила гораздо более широкое признание благодаря лучшему пониманию процессов, связанных с хранением SOC, более прямому контролю над этими процессами посредством человеческой деятельности и другим известным преимуществам экосистемы, которые должны быть получены путем увеличения SOC, включая преимущества в увеличении качества воды и повышения продовольственной безопасности.

Связывание почвенного углерода

Связывание почвенного углерода представляет собой процесс, в котором СО₂ забирается из атмосферы и хранится в почвенном углеродном пуле. Этот процесс в первую очередь производится растениями посредством фотосинтеза, при этом углерод сохраняется в форме SOC. В засушливом и полузасушливом климате связывание углерода в почве также может происходить в результате преобразования CO₂ из воздуха, находящегося в почве, в неорганические формы, такие как вторичные карбонаты; тем не менее уровень образования неорганического углерода является сравнительно низким (Lal, 2008).

После промышленной революции преобразование природных экосистем в сельскохозяйственное использование привело к истощению уровней SOC, в результате чего в атмосферу выбрасывается от 50 до 100 GT углерода из почвы (Lal, 2009). Это совокупный результат снижения массы корней и остатков растений, возвращаемых в почву, увеличения разложения при обработке почвы и ее эрозии (Lemus&Lal, 2005).

Истощение запасов SOC привело к дефициту углерода в почве, что заставляет искать пути накопления углерода в почве с помощью различных подходов управления земельными ресурсами. Тем не менее различные факторы будут влиять на потенциальное изменение углерода в почве в будущем, включая климатические ограничения, исторические модели землепользования, текущие стратегии управления земельными ресурсами и топографическую неоднородность.

Продолжающееся увеличение содержания CO₂ в атмосфере и рост температур могут иметь различные последствия для поступления углерода в почву посредством контроля скорости фотосинтеза и потерь углерода в результате дыхания и разложения. Экспериментальная работа показала, что растения, произрастающие в повышенных концентрациях СО, фиксируют больше углерода посредством фотосинтеза, производя большую биомассу (Drake et al., 1997). Тем не менее потеря углерода может также вырасти из-за увеличения дыхания растений за счет большей корневой биомассы (Hungate et al., 1997) или из-за ускоренного разложения ПОВ за счет повышенной микробной активности (Zak et al., 2000).

Аналогичным образом повышенные температуры могут влиять на углеродный баланс, ограничивая доступность воды и, таким образом, снижая скорость фотосинтеза. В качестве альтернативы, когда вода не является дефицитом, повышение температуры может повысить продуктивность растений, что также повлияет на баланс углерода (Maracchi et al., 2005). Повышение температуры также может привести к более высоким скоростям разложения ПОВ, что, в свою очередь, может повлечь за собой образование большего количества СО₂, что приведет к положительным откликам на изменение климата (Pataki et al., 2003).

В масштабе водораздела или поля на способность связывать углерод в почве влияние могут оказывать локальные условия. Такие факторы, как инфильтрация осадков, эрозия почвы и осаждение отложений, а также температура почвы могут варьироваться в локальных масштабах из-за неоднородности ландшафта. Все это влияет на поступление углерода и показатели потерь углерода (рис. 6), что приводит к различиям в содержании SOC (Thompson and Kolka, 2005). Например, положение склона влияет на влажность почвы и уровень питательных веществ с последующим воздействием на рост корней растений, что может иметь последствия для углерода в почве (Ehrenfeld et al., 1992).

Совокупное влияние изменений в процессах поступления и потери углерода в результате землепользования, управления земельными ресурсами и воздействия на уровне ландшафта на коэффициенты поступления и потерь углерода приводит к изменению способности связывать углерод в разных ландшафтах.

Потенциальное удержание углерода может быть определено путем понимания как исторических запасов SOC под естественной растительностью до преобразования в другие виды использования, так и влияния этих видов землепользования на потерю углерода. Землепользование и управление, которые снижают выбросы углерода или увеличивают потери по сравнению с естественной растительностью, со временем приводят к снижению SOC, создавая углеродный дефицит в почве по сравнению с уровнями углерода, которые ранее существовали в почве. Этот дефицит представляет собой возможность накапливать углерод от преобразований в землепользовании и управлении, когда эти изменения приводят либо к увеличению затрат, либо к уменьшению потерь углерода. Например, лесовосстановление или восстановление пастбищ на бывшем поле сельскохозяйственных культур может сократить дефицит углерода в почве, вызванный годами сельскохозяйственного производства, и улавливать углерод за счет более высокой продуктивности корней по сравнению с сельхозкультурами.

Аналогичным образом создание водно-болотных угодий и прудов может изолировать большое количество углерода, потому что разложение в заболоченных почвах значительно уменьшается из-за недостатка кислорода; это может фактически привести к приросту углерода, превышающему дефицит, вызванный прошлым землепользованием. Другие методы управления, такие как ирригация пастбищ или пастбищных угодий, могут также увеличить уровни углерода сверх исторических запасов SOC, если поступления углерода при новом управлении значительно превышают уровни в естественных условиях. Влияние управления земельными ресурсами на уровни SOC, особенно влияние управления в сельскохозяйственных условиях, является предметом многих современных исследований (таблица). Однако эти изменения в почвенном углероде, как правило, происходят в течение многих десятилетий, что затрудняет фактические измерения изменений в запасах SOC.

Выводы

Органический углерод почвы (SOC) является жизненно важным компонентом почвы с серьезными последствиями для функционирования наземных экосистем. Сохранение SOC является результатом взаимодействия между динамическими экологическими процессами фотосинтеза, разложения и дыхания почвы. Деятельность человека в течение последних 150 лет привела к изменениям в этих процессах и, как следствие, истощению SOC и обострению глобального изменения климата. Развитие современных технологий позволяет запустить обратный процесс - накопления углерода в почве.

Ожидается, что будущее потепление и повышенный уровень CO₂, модели прошлого землепользования и новые стратегии управления земельными ресурсами, а также физическая неоднородность ландшафтов приведут к созданию сложных моделей увеличения потенциала SOC в почве.

Тодд А. Онтл и Лиза А. Шульте
(Департамент экологии и управления природными ресурсами, Университет штата Айова). Перевод Д. БЕЛОГО