Важны поры: пространственное распределение пор помогает определить, где углерод накапливается в почве

Почвы хранят больше углерода, чем вся растительность на поверхности Земли. Однако до сих пор остается много вопросов о том, какие именно процессы способствуют его накоплению в почве. Под руководством Центра исследований окружающей среды имени Гельмгольца (UFZ) группа почвоведов разработала новый метод, позволяющий показать, где и при каких условиях углерод хранится в почве. Как сообщается в журнале Nature Communications, ключевую роль контролирует именно сеть почвенных пор.

В долгосрочном хранении углерода важны два аспекта: сколько атмосферного углерода попадает в почву через корни, перемешивание и просачивание растворенных органических соединений, и насколько существующий углерод стабилизируется или разлагается бактериями и грибами. Эффективность этих процессов в первую очередь определяется структурой почвы, особенно размером сети пор.

"Углерод, хранящийся в растительных остатках и гумусе, не разлагается, если бактерии или гифы грибов больше пор, где он находится", — поясняет доктор Штеффен Шлютер, почвенный физик из UFZ и ведущий автор исследования. Кроме того, если поры постоянно заполнены водой и лишены доступа кислорода, бактериям сложнее использовать углерод. Ранее изучить распределение органического углерода внутри пор размером в миллиметры и микрометры было невозможно.

Ученым UFZ удалось решить эту задачу с помощью нового метода, основанного на окрашивании органических соединений тетроксидом осмия с последующей визуализацией с помощью рентгеновской компьютерной томографии (КТ). Сканируя образец почвы до и после окрашивания, исследователи могут определить распределение углерода по различиям в изображениях. Этот подход более доступен, чем ранее использовавшиеся сложные методы синхротронной томографии.

В качестве примера метод был опробован на трех участках с разными типами почв и режимами увлажнения: чернозем в Бад-Лаухштедте, мелкозернистый лувисоль у подножия Альп и постоянно влажный глейзоль близ Гиссена. Результат показал, что в непосредственной близости от пор (в пределах 50–100 микрометров) концентрация углерода ниже, чем в остальной почве, из-за более высокой микробной активности. "Близость к поровой системе способствует разложению органического вещества, а удаленность от пор — стабилизации углерода в пахотном слое", — говорит Шлютер.

В то же время были обнаружены различия в распределении углерода вокруг растительных остатков в зависимости от влажности. В сухом черноземе содержание углерода уменьшалось с удалением от остатков, а во влажном глейзоле такого обогащения не наблюдалось, вероятно, из-за лучшей транспортировки растворенных продуктов разложения.

Новый метод открывает интересные перспективы для исследований, например, распределения углерода в более глубоких слоях почвы (до одного метра), на которое меньше влияет обработка. "Из-за изменения климата и учащающихся засух в поверхностном слое значение подпочвы для роста растений возрастает", — отмечает профессор Ганс-Йорг Фогель, руководитель отдела науки о почвенных системах в UFZ. Метод также поможет лучше понять различия в углеродном балансе при разных формах землепользования.