Почвы Земли содержат колоссальное количество углерода – даже больше, чем биомасса всех растений на планете. Новое исследование, проведенное почвоведами, показало, что основная масса этого жизненно важного элемента аккумулируется в почвенных микропорах.
Почва представляет собой сложную и постоянно меняющуюся смесь, состоящую из минеральных веществ, живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Её развитие подчиняется специфическим принципам, а сама она играет ключевую роль в поддержании жизни на Земле и влияет на климатические изменения. Зачастую вклад почв в глобальное потепление недооценивается.
А ведь почва — это значительный запас углерода, который, во-первых, является химическим элементом, служащим основой для всей жизни, а во-вторых, входит в состав парникового газа — углекислоты. Этот неглубокий, редко превышающий один-два метра в толщине, слой почвы содержит больше углерода, чем вся растительность, населяющая биосферу.
При анализе долгосрочных изменений в газообмене, связанном с почвой, следует учитывать, что поведение этого резервуара углерода будет достаточно сложным. На него воздействуют факторы, такие как объем углерода, поступающего из атмосферы и обусловленного ростом корней, а также различные процессы перемешивания – включая распашку и деятельность дождевых червей, а также просачивание органических растворов.
Образование баланса углерода обусловлено деятельностью почвенных бактерий и грибов, которые либо стабилизируют органику, либо способствуют ее разложению. Преобладание процессов накопления углерода или, наоборот, его высвобождения определяется главным образом микроструктурой почвы. А она, в свою очередь, зависит от размера пор, формирующих множество взаимосвязанных каналов с огромной общей площадью поверхности. Благодаря этим «запутанным коридорам» по почве распределяются воздух, вода и растворенные в ней питательные вещества.
«Углерод, накопленный в растительных остатках и гумусе, становится недоступным, если бактерии или грибные гифы превышают размеры почвенных пор, где он удерживается», — утверждает доктор Стеффен Шлютер (Steffen Schlüter), почвенный физик из Центра экологических исследований имени Гельмгольца (Германия). Именно он возглавил коллектив авторов новой статьи в журнале Nature Communications.
При постоянном нахождении этих пор в воде и, соответственно, отсутствии доступа кислорода (например, в естественных торфяных почвах), бактериям будет затруднительно использовать содержащийся в них углерод.
«По словам Шлютера, пространственное распределение пор является одним из ключевых факторов, определяющих, где именно будет накапливаться углерод в почве.
Ранее почвоведам не была доступна возможность непосредственно изучать распределение углерода в почвенных порах, размеры которых составляют миллиметры и микрометры. Тем не менее, Шлютер и его соавторы использовали новую методологию.
Они применяют специальный краситель в своей работе — тетраоксида осмия, этот метод позволяет отслеживать пути органических соединений в почве. Он основан на реакции данного вещества с двойными связями между атомами углерода, после чего распределение этого соединения отображается с помощью рентгеновской компьютерной томографии. Сравнивая изображения, полученные до и после окрашивания тетраоксидом осмия, исследователи могут непосредственно определить распределение органики в образце почвы.
Для демонстрации эффективности разработанного подхода авторы провели испытания на образцах почв разных типов. В качестве таковых были выбраны черноземы с ограниченным количеством осадков, лювисоль с тонкой структурой и содержащая горизонт накопления активной глины, подверженную сезонному заболачиванию, и глеезем с постоянной влажностью.
В непосредственной близости от пор (в пределах от 50 до 10 микрометров) концентрация углерода значительно ниже, чем в остальной части почвы. Это объясняется тем, что даже на небольшом удалении от пор снижается активность микроорганизмов.