Минералы и землепользование определяют накопление углерода в почвах

Накопление углерода в почвах может способствовать смягчению изменения климата, а органическое вещество почвы, связанное с минералами, обладает наибольшей способностью хранить углерод. Команда исследователей, включая ученых из Института биогеохимии Макса Планка и Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг, оценила факторы, контролирующие минерал-ассоциированное органическое вещество (МАОМ).

Их исследование, опубликованное в Global Change Biology, показывает, что, хотя количество и скорость его образования в первую очередь контролируются минеральным составом, землепользование и интенсивность хозяйственной деятельности также влияют на МАОМ в краткосрочной перспективе.

Почвенный органический углерод важен не только для плодородия почв и производства продуктов питания, но и играет ключевую роль в климате Земли, поскольку около 7% атмосферного CO₂ ежегодно проходит через почвы. С начала развития сельского хозяйства почвы потеряли значительное количество углерода в атмосферу. Чтобы смягчить изменение климата, необходимо понимать, как предотвратить дополнительные потери углерода и восстановить его запасы в почве.

Когда углерод связан с минералами, время его пребывания в почве и устойчивость к нарушениям увеличиваются. Таким образом, образование МАОМ является ключевым процессом в глобальном цикле углерода. Однако, несмотря на десятилетия исследований, оставалось неясным, как минеральный состав и интенсивность землепользования влияют на его образование.

Чтобы восполнить этот пробел, более 3500 проницаемых контейнеров, заполненных свободным от углерода гётитом (представителем оксидов железа в почве) или иллитом (представителем силикатных глинистых минералов), были закопаны на 150 лесных и 150 луговых участках. Участки расположены в трех немецких регионах исследования в рамках инфраструктурной программы «Биоразнообразие».

После пяти лет инкубации в почве команда ученых под руководством Де Шорна Брамбла из Института биогеохимии Макса Планка и Сюзанны Ульрих из Университета Мартина Лютера Галле-Виттенберг проанализировала содержимое контейнеров. Они обнаружили, что независимо от типа землепользования и интенсивности хозяйственной деятельности, гётит накопил в четыре раза больше органического углерода, чем иллит. Этот результат подчеркивает, что минеральный состав является ключевым фактором, контролирующим скорость и количество образования МАОМ в почвах.

«Большая часть наших знаний о роли оксидов и силикатных глин в хранении почвенного углерода получена из лабораторных исследований. Поскольку эти две группы минералов взаимодействуют в естественных почвах, прямое разграничение их индивидуальных ролей в образовании МАОМ невозможно», — объясняет Сюзанна Ульрих, аспирант MLU. — «Наша экспериментальная установка позволила впервые напрямую сравнить потенциал хранения углерода этих двух групп минералов в полевых условиях. Наши результаты показывают, что не площадь поверхности минерала, а ее свойства определяют образование МАОМ, причем оксиды имеют гораздо больший потенциал для хранения углерода, чем силикатные глинистые минералы».

Из-за длительного времени пребывания углерода на минералах считалось, что образование МАОМ относительно нечувствительно к землепользованию и управлению в масштабах менее десятилетий. Однако в своем исследовании ученые наблюдали, что образование МАОМ в лесах снижалось с увеличением интенсивности рубок и изменялось в зависимости от выбора пород деревьев. На лугах продуктивность растений, а также их разнообразие увеличивали образование МАОМ. На оба этих фактора влияло удобрение: оно повышало продуктивность растений, но снижало их разнообразие.

«Мы наблюдали значительное влияние землепользования и управления на образование МАОМ всего после пяти лет воздействия естественных почвенных условий на свободные от углерода минералы, — поясняет Де Шорн Брамбл, аспирант MPI-BGC. — Эти изменения, вероятно, также происходят в естественных почвах, но их может быть трудно обнаружить с помощью обычных подходов к измерениям. Таким образом, наши выводы и экспериментальный подход могут быть важны для прогнозирования реакции МАОМ на деятельность человека».

Он отмечает, что хотя минеральный состав определяет потенциал для хранения углерода в почве, землепользование влияет на то, насколько этот потенциал реализуется. Поэтому важно продолжать изучать, как продуктивность растений, качество органического материала и сообщество разлагателей взаимодействуют в образовании МАОМ в почвах при разном управлении.