02/06/2021
0- Миллиарды лет назад первые почвы служили колыбелью для земной жизни. Сегодня земля у нас под ногами служит основой мировой сельскохозяйственной промышленности стоимостью в несколько триллионов долларов и обеспечивает едой почти 8 миллиардов людей, а также бесчисленное множество диких и домашних животных. Но почвы переживают глобальный кризис.
- Сейчас мы живем в «опасной зоне» четырех из девяти планетарных границ: изменение климата, биоразнообразие, изменение землепользования и биогеохимические потоки. Все четыре неразрывно связаны со здоровьем почвы. Почвы содержат 80% всего углерода, хранящегося на земле.
- Ухудшение здоровья почвы уже серьезно сказывается на жизни и средствах к существованию. Деградация земель в результате деятельности человека обходится примерно в 10% мирового валового продукта. В сочетании с последствиями изменения климата деградация почвы может снизить урожайность сельскохозяйственных культур на 10% во всем мире к 2050 году.
- Существует неизбежная задержка между осознанием глобальных проблем и принятием решений, а также видением того, как в результате этого улучшатся экосистемные услуги. Вот почему мы должны действовать сейчас, если мы хотим использовать почвенные экосистемы в борьбе с катастрофическим глобальным изменением окружающей среды.
Когда мы говорим о решениях текущего климатического и глобального экологического кризиса, часто упускается из виду один жизненно важный компонент: почвы.
Миллиарды лет назад первые почвы проложили путь к жизни на суше . Теперь эта непритязательная материя у нас под ногами служит опорой для мировой сельскохозяйственной промышленности стоимостью в несколько триллионов долларов и обеспечивает едой миллиарды людей, а также бесчисленное количество диких и домашних животных.
Почва занимает центральное место в наших отношениях с землей и играет жизненно важную роль почти во всех ключевых процессах системы Земли, отвечающих за поддержание стабильности условий на нашей планете. Выживание цивилизации, человечества и другой земной жизнь зависят от хорошего, постоянного здоровья почвы.
Здоровые почвы – это горячие точки биоразнообразия, являющиеся домом для разнообразных сообществ бактерий, грибов и беспозвоночных, многие из которых полезны и даже жизненно важны для растений. Почвы содержат 80% всего углерода, хранящегося на суше, что делает их ключевыми для достижения глобальных целей по выбросам парниковых газов. И они важны для круговорота пресной воды, хранения воды и фильтрации загрязняющих веществ.
Но почвы переживают глобальный кризис. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), ежегодно теряется около 75 миллиардов метрических тонн почвы из-за эрозии пахотных земель. При этом выделяются большие количества парниковых газов, и сокращаются жизненно важные экосистемные услуги.
Структура планетарных границ, впервые предложенная Йоханом Рокстремом в 2009 году, показывает, насколько мы можем приблизиться к экологическим порогам, которые могут подтолкнуть Землю к новому и гораздо менее пригодному для жизни состоянию . Согласно последнему обновленному анализу, проведенному в 2015 году, сейчас мы живем в «опасной зоне» для четырех из девяти планетарных границ : мы рискуем катастрофическим превышением предлагаемых пределов для изменения климата, биоразнообразия, изменения землепользования и биогеохимических потоков ( круговорот азота и фосфора планеты).
Все четыре тесно связаны со здоровьем почвы, которое, в свою очередь, зависит от климата и геологии, а также от экологических сообществ, которые живут в почве и на ней. Скажем прямо: будущее человечества во многом зависит от здоровья почвы.
К природному биоразнообразию ризосферы
Растения, питаемые солнечным светом, водой и углекислым газом, также зависят от таких питательных веществ, как азот и фосфор, которые поступают через их корни. Тонкая зона почвы вокруг корней растений, известная как ризосфера, является центром постоянной химической и микробной активности, жизненно важной для здоровья почвы.
«Вы можете видеть огромное количество углерода, которое хранится в растениях [над землей], и действие листьев, улавливающих энергию солнца, и все это обусловлено тем, что [невидимо и] происходит под землей через корневую систему», – объясняет Пол Халлетт, физик-почвенный специалист из Абердинского университета в Великобритании.
Растения выделяют кислоты, попадающие в почву, которые затем выделяют азот и фосфор для их поглощения. Перефразируя земледельца 18-го века Jethro Tull, Хэллет описывает ризосферу , как « в основном кишки растенийспрятанные в почве.» «Растение выделяет кислоты так же, как и ваш желудок», – говорит он.
В ризосфере растения, грибы, археи и бактерии встречаются, чтобы обмениваться питательными веществами или конкурировать за них. Каждый грамм почвы содержит ошеломляющий микроскопический океан разнообразия , включающий до 50 000 различных видов микроорганизмов, что делает почвы одной из самых биоразнообразных экосистем на Земле.
Бактерии играют здесь важную роль, разрушая органические вещества, высвобождая питательные вещества из твердых пород и захватывая азот из воздуха. Кроме того, некоторые грибы образуют взаимовыгодные ассоциации с корнями растений, называемые микоризой, через которые они обмениваются углеродом и минералами.
«В некоторой степени растение добывает из почвы свои питательные вещества», – говорит Халлетт, но «в то же время углерод, который захватывается [растением] из атмосферы, высвобождается через корни, взаимодействуя с частицами почвы. и с почвенными организмами, а затем они работают, чтобы агрегировать почву, улавливать углерод и стабилизировать структуру [почвы] ». До одной пятой углерода, захваченного растениями во время фотосинтеза, попадает в почву через их корни и микоризы.
Здоровые почвы: огромный запас углерода
Огромное количество органического вещества в почве обеспечивает большой потенциал для хранения углерода, что делает почвы важным союзником в наших усилиях по сдерживанию изменения климата. Но это палка о двух концах: почвы, поскольку они действительно хранят огромные количества углерода, также могут стать огромным источником выбросов парниковых газов, если с ними не справиться.
«Где-то в масштабе 3 000 миллиардов тонн углерода содержится в почвах по всему миру, при этом не менее 1 500 миллиардов тонн находится в верхнем слое почвы», – говорит Джонатан Сандерман, ученый по почвенному углероду из Исследовательского центра климата Вудвелла в Массачусетсе,США. Ещё до 600 миллиардов тонн углерода, содержится в растительности суши. Оценивая эти цифры вы понимаете важность почв для стабильного климата.
Как и растения, почвенные микробы выделяют часть потребляемого ими углерода в атмосферу в качестве побочного продукта клеточного дыхания (это основной источник выбросов углерода в почве), а остальная часть возвращается в почву, когда микробы умирают. Новые поступления органических веществ, разлагающихся в почве, имеют тенденцию переходить от микроба к микробу до тех пор, пока почти весь углерод не будет выделен в виде CO 2 .
Если углерод должен удерживаться в почвах на десятилетия или дольше, чтобы сдержать глобальное потепление, он не должен потребляться почвенными микробами. Это может произойти, если углерод становится химически связанным с частицами почвы, или если голодные по углероду почвенные микробы отсутствуют или неактивны. Например, заболоченные почвы лишены кислорода – это токсичное состояние для многих микробов, поэтому эта ультра-влажная земля имеет тенденцию удерживать углерод намного дольше. Кислые, соленые и мерзлые почвы также имеют тенденцию задерживать углерод в течение более длительных периодов времени.
За последние два десятилетия исследователи проследили динамическое путешествие углерода через живые и неживые компоненты почвы – путешествие, которое может длиться от нескольких часов до столетий.
«Давние гипотезы о стабильности почвенного углерода были отброшены», – говорит Сандерман. Сейчас преобладает мнение, что «доступ микробов к органическому веществу является основным фактором, влияющим на долгосрочную судьбу углерода, попадающего в почву».
Микробы могут оставаться в состоянии покоя в почве в течение десятилетий, даже столетий и повышать метаболическую активность только при подходящих условиях. Но человеческая деятельность меняет состояние почвы, рискуя пробудить спящие микробы, которые, возможно, начинают перекусывать буфетом из древнего накопленного в почве углерода, который, будучи выпущенным, попадает в атмосферу во вред человечеству.
Потерянный почвенный углерод наносит ущерб
В исследовании 2017 года Сандерман и его коллеги подсчитали, что более 110 миллиардов тонн углерода почвы было потеряно за последние 200 лет в результате сельского хозяйства. «Углерод растительности, который в противном случае стареет и медленно разлагается, экспортируется как собранный продукт», – объясняет он. Проще говоря, мы поедаем, а не восполняем запасы углерода в почве.
Эта обусловленная сельским хозяйством тенденция к выбросу углерода в почву усугубляется изменением климата, особенно потеплением. Одно калифорнийское исследование показало, что повышение температуры почвы на 4 ° по Цельсию (7,2 ° по Фаренгейту) – примерно такое же повышение, которое прогнозируется для этого региона к 2100 году – может привести к увеличению выбросов углерода на 35%, в основном из-за повышенной микробной активности почвы. https://cdn.knightlab.com/libs/juxtapose/latest/embed/index.html?uid=c5880f0c-c2f5-11eb-b7bf-95443c729a29
Запасы углерода неравномерно распределены по земному шару. Текущие оценки показывают, что более 110 миллиардов тонн углерода почвы было потеряно за последние 200 лет в результате неустойчивого сельского хозяйства. В этой визуализации прошлого и настоящего углерода почвы используются данные из Soils Revealed , совместного проекта The Nature Conservancy, Корнельского университета, Международного справочно-информационного центра по почвам (ISRIC) и Центра климатических исследований Вудвелла, цель которого – предоставить более эффективные инструменты для принятия решений. для землеустроителей и политиков. Изображения любезно предоставлены Soils Revealed.https://cdn.knightlab.com/libs/juxtapose/latest/embed/index.html?uid=26bbbdb4-c2f6-11eb-b7bf-95443c729a29
Почва может стать союзником или врагом в миссии человечества по смягчению последствий изменения климата – как показывают эти карты из проекта Soils Revealed. Восстановительные методы управления, такие как посадка покровных культур, использование сидератов и сокращение обработки почвы, могут сохранить большое количество углерода под нашими ногами к 2038 году и не позволить ему попасть в атмосферу; с другой стороны, продолжение использования традиционных методов ведения сельского хозяйства, преобразование большей площади лесных угодий в сельское хозяйство и обеспечение деградации пастбищ может высвободить огромные запасы углерода в почве, усугубив изменение климата.
В более северных широтах изменение климата продвигается быстрее, быстро таяние вечной мерзлоты – почвы, которые были заморожены на протяжении тысячелетий – и пробуждают спящие микробы, чтобы получить доступ и высвободить захваченный почвой углерод.
Общие запасы вечной мерзлоты в Арктике оцениваются в пределах от 1300 до 1600 петаграмм (от 1,4 до 1,75 триллиона тонн), что составляет примерно половину мировых запасов углерода в почве. Эксперты говорят, что от 5 до 15% этого углерода может быть высвобождено в течение следующих 80 лет, что приведет к еще большему потеплению (и увеличит ускорит выброс углерода в почву, образуя порочный круг). Утраченные запасы углерода в почве восстанавливаются очень медленно.
По оценкам, 260 метрических гигатонн (286 миллиардов тонн) этого трудно восстанавливаемого углерода задерживаются в почвах по всему миру, хранятся в торфяниках, болотах, мангровых зарослях, девственных лесах и других богатых углеродом экосистемах.
Если мы не сможем защитить эти древние заповедники, выбросы станут неискоренимой меткой против человечества в системе показателей изменения климата.
Сохранение запасов углерода в почве защищает человечество
Почвы станут союзником человечества, а не врагом в борьбе с изменением климата, только если мы предпримем меры для защиты древних запасов углерода в почве и восстановления деградированных экосистем и сельскохозяйственных угодий. Эксперты говорят, что одни только эти действия, став частью набора жизненно важных природоохранных решений по изменению климата могут нести четверть нагрузки по смягчению последствий изменения климата.
«Нам необходимо гораздо лучше защищать природные экосистемы с высокой плотностью углерода, такие как тропические торфяники, от дальнейшей трансформации, сопровождаемой выбросом углерода», – говорит Сандерман.
К счастью, многие из наиболее богатых углеродом почв, оставшихся на Земле, совпадают с очагами биоразнообразия. Защита этих экосистем может стать беспроигрышным вариантом для климата, биоразнообразия, человечества и нашей потребности оставаться в безопасных планетарных границах.
Точно так же, поскольку так много сельскохозяйственных земель были настолько сильно деградированы, их восстановление может дать прекрасную возможность уменьшить выбросы парниковых газов. Проще говоря: улучшение качества почвы задерживает больше углерода. Гектар хорошо обработанной сельскохозяйственной почвы может улавливать около 0,3 тонны углерода в год. При увеличении масштабов и с учетом доступной площади земли хорошее управление почвами может ежегодно удалять из атмосферы до 3 миллиардов тонн CO 2 , что составляет чуть менее одной десятой текущих глобальных выбросов.
«Именно такой масштаб сокращения выбросов углерода и является причиной такого большого интереса к почвенному углероду [как природному климатическому решению], но существуют огромные препятствия на пути к широкому распространению методов, сохраняющих углерод в почве», – предупреждает Сандерман.
В настоящее время интенсивная практика агробизнеса оказывает огромное негативное воздействие на здоровье почвы и подвергает риску превышения по крайней мере четырех планетарных границ. Тяжелая техника уплотняет почву, разрушая ее внутреннюю структуру и снижая водоудерживающую способность (ударяя по границе пресной воды ). Вспашка разрывает микоризные грибы, высвобождая больше углерода в атмосферу (влияя на границу изменения климата) и увеличивая зависимость от синтетических нефтехимических удобрений. Чрезмерное использование этих удобрений приводит к увеличению выбросов закиси азота, загрязнению водных путей и угрозе водной жизни (влияя на границу биоразнообразия планеты), а также к дестабилизации азотного цикла Земли (четвертая граница планеты).
«Использование сельскохозяйственных удобрений (включая навоз) важно для выращивания продуктов питания… но если всего 5% внесенных удобрений попадет в близлежащие ручьи и реки, это может иметь катастрофические последствия для водных сообществ», – говорит Елена Беннетт, профессор науки об устойчивом развитии. из Университета Макгилла в Канаде, который участвовал в оценке планетарной границы потребления пресной воды в 2015 году.
Если мы хотим восстановить деградировавшие сельскохозяйственные угодья, то должны устранить это множество факторов давления на почвы. В том случае, если мы хотим эффективно противостоять глобальной климатической чрезвычайной ситуации, продолжая обеспечивать продовольственную безопасность для растущего населения, – это является насущной необходимостью.
SOS: Спасите наши почвы
В 1937 году президент США Франклин Рузвельт написал письмо губернаторам штатов, в котором заявил: «Нация, разрушающая свою землю, уничтожает сама себя». Есть важные исторические свидетельства, подтверждающие его. Проанализировав прошлые цивилизации, «многие ученые пришли к выводу, что неправильное обращение с почвами было непосредственной причиной» многих их падений, – говорит Сандерман. Майя Латинской Америки и шумеры Месопотамии – два ярких примера этого.
Ухудшение здоровья почвы уже оказывает пагубное воздействие на жизнь и средства к существованию современного человека. Например, в некоторых из наиболее засушливых регионов мира усиливающаяся засуха, вызванная изменением климата, в сочетании с изменением землепользования и неустойчивыми методами орошения переместила некогда продуктивные экосистемы в пустыню. Ежегодно из-за опустынивания теряются поразительные 12 миллионов гектаров (30 миллионов акров), что сказывается на жизни более 500 миллионов человек .
«Опустынивание из-за изменения климата и управления земельными ресурсами является критически важным моментом для почв в глобальном масштабе», – говорит Сандерман.
По оценкам, деградация земель обходится человечеству в 10% его годового глобального валового продукта. Согласно анализу Межправительственной научно-политической платформы по биоразнообразию и экосистемным услугам ( IPBES ) за 2018 год , в сочетании с изменением климата деградация почвы может снизить урожайность сельскохозяйственных культур во всем мире на 10%, а в некоторых регионах – до 50% к 2050 году .
Хорошая новость: восстановление деградированных земель может принести выгоды, в 10 раз превышающие затраты, говорится в отчете.
К счастью, существует столько же потенциальных почвенных решений, сколько и источников деградации почвы. Некоторые полагаются на новые технологии; другие включают модернизацию промышленного агробизнеса для сохранения большего количества естественных функций экосистемы, тем самым способствуя здоровью почв.
Одним из примеров является агролесоводство , которое сочетает в себе баланс деревьев, сельскохозяйственных культур и пастбищ для производства разнообразного сочетания злаков, фруктов, орехов, продуктов животного происхождения и даже лекарств. Хотя этот метод, как правило, не так продуктивен в краткосрочной перспективе, как интенсивные промышленные монокультуры, основанные на нефтехимии, он предлагает фермерам большую защиту от неурожая и может восстановить питательные вещества и структуру почвы. В Таджикистане, например, агролесоводство успешно используется для восстановления почв, деградированных в результате десятилетий чрезмерного выпаса скота .
Есть также небольшие вмешательства, которые более комфортно вписываются в наши существующие системы производства продуктов питания. Например, тщательно управляемые севообороты, в которых используются различные растения, способствующие ряду полезных свойств почвы, могут предотвратить снижение урожайности – распространенная проблема, с которой сталкиваются фермеры, которые могут столкнуться с падением урожайности монокультуры до 25% во второй и третий годы сбора урожая. и пересев.
Аналогичным образом некоторые фермеры начали сажать тонкие полосы полезных растений, включая травы и клевер, по краям пахотных земель в надежде, что здоровье почвы, полученное под этими зелеными периметрами, распространится на все поля. И, похоже, это работает: посадка полос прерийных трав рядом с сельскохозяйственными угодьями Айовы снизила эрозию почвы в двадцать раз; полоски травы и клевера, посаженные рядом с посевами в Великобритании, улучшили качество почвы и увеличили количество дождевых червей всего за один год.
Оживление ризосферы
Простое снижение степени физического и химического воздействия на почвы может дать впечатляющие положительные результаты. Пример: тонкие сети микоризных грибов легко разрушаются вспашкой и медленно восстанавливаются, поэтому некоторые фермеры пытаются свести к минимуму это нарушение.
Консервативная обработка почвы (методы земледелия с низкой или нулевой обработкой почвы, которые сводят к минимуму вспашку) «могут улучшить борьбу с эрозией, что затем приведет к повышению урожайности, [что] также снизит количество стока питательных веществ, помогая сохранить хорошее качество воды», – сказал Беннетт. объясняет. «Зная, что такое взаимодействие существует, мы можем попытаться использовать его в своих интересах для достижения важных взаимовыгодных результатов».
Один из способов минимизировать вспашку – высаживать сорта многолетних культур, которые не нуждаются в повторном посеве после каждого сбора урожая. Например, Thinopyrum intermedium , одомашненный многолетний дикий пырей, год за годом может давать урожай без вспашки.
Более долгоживущие пищевые растения также имеют тенденцию создавать более крупные и разветвленные корневые сети, улучшая структуру почвы, защищая от эрозии и повышая устойчивость к засухе. Поддерживая растительный покров на фермах в течение всего года, многолетние растения также помогают улавливать больше углерода и поддерживать важные регулирующие климат процессы, такие как эвапотранспирация.
В настоящее время селекционеры сосредоточены на краткосрочных экономических соображениях, таких как урожайность и эффективность водопользования, но они также могут обратить свое внимание на черты, которые могут способствовать более здоровой ризосфере, говорит Халлетт. Например, селекционеры могут выбирать сорта с более длинными корнями или большим количеством корневых волосков.
Корневые волоски «проникают в очень маленькие поры, и затем они могут захватывать питательные вещества, такие как фосфор, и они могут более эффективно захватывать воду», – объясняет он.
Выбор культур с более длинными корневыми волосками может повысить устойчивость к засухе и сократить использование азотных удобрений – две важные непосредственные выгоды для фермеров – а также сохранить углерод и улучшить структуру почвы.
Капитальный ремонт мировой пищевой промышленности
Все эти решения многообещающи, но масштабное преобразование давно устоявшегося промышленного агробизнеса будет нелегким делом. И не только крупный агробизнес должен кардинально изменить ситуацию. Относительно небольшие семейные фермы составляют 75% сельскохозяйственных земель в мире, а это означает, что участие мелких фермеров критически важно для достижения повсеместного улучшения здоровья почвы.
«Во всем мире в сельское хозяйство вовлечено не менее полумиллиарда человек. Надо предпринять огромные усилия, чтобы заставить такое количество людей изменить способ ведения своего бизнеса», – говорит Сандерман.
В недавнем отчете Общества микробиологов рекомендуются основные правительственные политические стимулы для уделения первоочередного внимания здоровью почвы, включая новый стандарт маркировки пищевых продуктов, идентифицирующий продукты, выращенные на хорошо обработанных почвах. Эксперты считают, что радикальная реформа сельскохозяйственных субсидий, направленная не только на повышение урожайности, но и на использование передовых методов, способствующих развитию экосистемных услуг, может помочь ускорить столь необходимую перестройку мировых продовольственных и сельскохозяйственных систем .
По правде говоря, каждой стране на Земле необходимо пересмотреть свои методы выращивания продуктов питания. Чтобы добиться успеха, любой глобальный толчок к устойчивому управлению почвами должен основываться на хорошо продуманных региональных стратегиях. «Я не думаю, что есть книга рецептов [управления почвами], которая применима везде», – говорит Халлетт.
Халлетт является частью международной междисциплинарной исследовательской группы, работающий в сильно пострадавшим от эрозии регионе Сунцзя (Китай), стремящейся понять, как местная геология, гидрология, метеорология и почвоведение могут объяснить сильную эрозию и выщелачивание питательных веществ, распространенные на красных почвах этого региона. «Очень важно иметь это более целостное понимание того, как эти среды сформировались», – говорит Халлетт.
Исследовательская группа, например, обнаружила , что в красных почвах , до 90% почвенного азота, необходимого для роста культур, находится на глубине более двух метров (6 футов) и поэтому недоступны для большинства растений. Это результат десятилетий чрезмерного использования удобрений.
«Сейчас мы используем эту информацию для создания инструментов поддержки экологических решений, которые приносят пользу как окружающей среде, так и фермерам за счет снижения стоимости удобрений», – говорит Халлетт.
В этом случае, как и в других случаях по всему миру, мы уже знаем многие из необходимых средств, когда речь идет о здоровье почвы. Но знание и действие не одновременны. Между поиском эффективных решений и внедрением новых практик для улучшения экосистемных услуг неизбежен разрыв.
Отсюда возникает безотлагательность: мы должны действовать немедленно и масштабно, если мы хотим использовать почвенные экосистемы в борьбе с катастрофическим глобальным изменением окружающей среды.
Цитаты:
Rockström, J., Steffen, W., Noone, K., Persson, Å., Chapin, F. S., Lambin, E. F., … Foley, J. A. (2009). A safe operating space for humanity. Nature, 461(7263), 472-475. doi:10.1038/461472a
Jansson, J. K., & Hofmockel, K. S. (2020). Soil microbiomes and climate change. Nature Reviews Microbiology, 18(1), 35-46. doi:10.1038/s41579-019-0265-7
Sanderman, J., Hengl, T., & Fiske, G. J. (2017). Soil carbon debt of 12,000 years of human land use. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(36), 9575-9580. doi:10.1073/pnas.1706103114
Pries, C. E. H., Castanha, C., Porras, R., & Torn, M. S. (2017). The whole-soil carbon flux in response to warming. Science, 355(6332), 1420-1423. doi:10.1126/science.aal1319
Schuur, E. A., McGuire, A. D., Schädel, C., Grosse, G., Harden, J. W., Hayes, D. J., … Vonk, J. E. (2015). Climate change and the permafrost carbon feedback. Nature, 520(7546), 171-179. doi:10.1038/nature14338
Sheil, D., Ladd, B., Silva, L.C.R., Laffan, S.W., & Van Heist, M. (2016). How are soil carbon and tropical biodiversity related? Environmental Conservation, 43(3), 231-241. doi:10.1017/S0376892916000011
Hallam, J., Berdeni, D., Grayson, R., Guest, E. J., Holden, J., Lappage, M. G., … Hodson, M. E. (2020). Effect of earthworms on soil physico-hydraulic and chemical properties, herbage production, and wheat growth on arable land converted to ley. Science of the Total Environment, 713, 136491. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.136491
