Мокрые узоры на уровне пор и предшествующая влажность почвы изменяют динамику углерода на всех масштабах

Почвы — крупнейший наземный резервуар углерода на Земле. Важно понимать, как углерод в них хранится («сток») и как высвобождается в атмосферу («источник»). Это требует изучения почвенных микроорганизмов, их местообитания и доступа к углероду. Когда микробы получают доступ к углероду и кислороду, они разлагают его до CO₂ — процесс, называемый минерализацией. Вода, заполняя каналы между порами, соединяет микробы с ресурсами, создавая трёхмерную сеть «водных магистралей».

Однако не весь углерод доступен микробам. Часть защищена в микроскопических порах, чей малый диаметр ограничивает доступ. Будет ли углерод пищей, зависит от гидрологической активности и связности в почве. Новая работа в Nature Communications под руководством А. Пейтон Смит из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и EMSL исследует важность характера увлажнения на уровне пор, предшествующей влажности почвы и других факторов, влияющих на динамику углерода на всех масштабах — от поры до керна и поля.

Авторы утверждают, что модели земных систем должны рассматривать влажность почвы не как единое число, а как трёхмерную структуру, подчеркивающую условия увлажнения, которые формируют гидрологические каналы для диффузии углерода. Это важный шаг к устранению неопределённостей в современных моделях, предсказывающих, станут ли почвы стоком или источником углерода.

Интенсивность, продолжительность и масштабы засух и других экстремальных осадочных событий продолжают расти, что влияет на хранение углерода на уровне экосистем и глобально. Исследования показывают, что почвы, пострадавшие от засухи, выбрасывают импульс CO₂ в атмосферу при повторном увлажнении — «эффект Берча». Чем дольше засуха, тем больше выброс парникового газа. Однако этот эффект редко изучается на разных пространственных и временных масштабах, что ограничивает способность моделей предсказывать влияние циклов высыхания и увлажнения.

В лабораторных условиях исследователи использовали 16 экспериментальных кернов песчаной почвы из Флоридских Эверглейдс, чтобы понять на молекулярном уровне влияние направления увлажнения и предшествующей влажности. Известно, что при увлажнении сверху (осадками) сначала заполняются крупные поры, а снизу (грунтовыми водами) капиллярные силы насыщают сначала мельчайшие поры. Эта динамика создаёт различные условия, влияя на тип доступного для разложения углерода, размер пор, заполненных водой (усиливая гидрологическую связность), и размер пор, заполненных воздухом (обеспечивающим кислород).

«Важна именно связность, а не только размер пор», — отмечает Смит. Работа демонстрирует, что «наследие засухи» и направление увлажнения важнее для хранения углерода, чем текущее содержание влаги. В частности, увлажнение снизу из-за подъёма грунтовых вод приводит к более быстрой потере углерода от масштаба керна до экосистемы, чем осадки сверху. При этом на уровне поля и осадки, и колебания грунтовых вод взаимодействуют, дестабилизируя почвенный углерод. Авторы подчёркивают, что модели, симулирующие углеродные потоки на уровне экосистемы, должны учитывать динамику этих направленных событий увлажнения как трёхмерную структуру, а не единое число.