17/08/2021
0Мы знаем, что почва питает растения, но знаем ли мы, как она вообще появилась? Почва формируется в результате взаимодействия пяти факторов: исходного материала (материнской породы), климата, живых существ, топографии земли и времени «приготовления», которое протекает в геологическом или историческом масштабах. Вариации этих 5 факторов делают почвы мира уникальными и чрезвычайно разнообразными.
В глобальном углеродном цикле почва действует как поглотитель, удерживая разложившееся органическое вещество, содержащее углерод. Однако вырубка лесов, различные методы ведения сельского хозяйства и изменение климата выбрасывают его обратно в атмосферу и океаны в виде углекислого газа, что приводит к нарушениям в глобальных углеродных балансах.
Тропические почвы и вечная мерзлота содержат больше почвенного углерода чем все другие биомы, что делает их сохранение и исследование приоритетными в поиске ориентированных на почву климатических решений. Думаю, что вслед за ними идут торфянистые почвы и черноземы.
Восстановление лесов на ранее покрытых лесом землях – жизнеспособное решение для возврата углерода под землю, но это не единственное решение. Изменение промышленных методов ведения сельского хозяйства и придание зонам с высоким содержанием почвенного углерода статуса охраняемых – ключевые шаги на пути к использованию способности почвы хранить углерод.
Мы знаем, что почвы питают растения, а растения питают нас, но почвы мира делают больше, чем просто поставляют еду нам на стол. Почвы перерабатывают питательные вещества, регулируют водоснабжение и, что важно для этого исторического момента: они накапливают больше углерода, чем растения, животные и атмосфера вместе взятые. Таким образом, сосредоточение внимания на усилиях человечества по восстановлению углеродных запасов под поверхностью земли может оказаться важной частью решения головоломной проблемы изменения климата.
«Большинство признаков указывают на продолжающееся изменение климата, ведущее к потере запасов углерода в экосистемах», – сказала Даниэла Кьюсак, доцент Университета штата Колорадо и эксперт по биохимии тропических почв. Очень важно «восстановить естественный путь поступления углерода в почву».
Но действительно ли мы знаем, что такое почвы, как они образуются, как они деградируют, а затем восстанавливаются, и что они могут сделать для поддержки экосистем и человечества? Погружение под землю может помочь объяснить, как может работать решение наших проблем изменения климата, ориентированное на почву
Основы: Знакомство с грязью на грязи
Во-первых, почва создается за счет взаимодействия пяти почвообразующих ингредиентов: исходного материала, климата, живых существ, уникальной топографии местности и времени «приготовления», которое происходит в геологическом масштабе.
Почва начинает формироваться, когда камни разрушаются в результате процесса, называемого выветриванием. Камни могут быть разрушены физически при чередовании периодов тепла и холода или при истирании ветром, водой или льдом. Камни также могут подвергаться химическому выветриванию под действием кислот, производимых микробами и растениями, или когда вода и кислород взаимодействуют с минералами, связанными в породе.
Продукты выветривания – это то, что ученые называют исходным материалом. Минералы из горных пород, такие как магний и железо, или органические материалы, такие как разложившаяся растительность, могут свободно взаимодействовать с окружающей средой, становясь предшественником почвы. Материнский материал почвы может поступать из скалы непосредственно под ней или переноситься водой или ветром из одного места и откладываться в другом. Исходный материал может иметь разное происхождение, и выяснение того, что они из себя представляют и как они используются, является важной частью понимания уникальной истории почвы.
Климат также является жизненно важным компонентом почвообразования. Контролируя температуру и осадки на больших территориях, он определяет, как происходит выветривание. Например, в жарких и влажных средах, таких как тропические леса, одни из самых выветриваемых почв на Земле, и это во многом связано с климатом.
«Тропические почвы долго подвергались выветриванию, потому что, в отличие от систем с умеренным климатом, у них не было периода оледенения, которое соскребало почву при отступлении ледников», – рассказывает Кьюсак Монгабай. Многие тропические почвы избежали влияния схождения ледьников и никогда не замерзали, что делает их одними из самых выветриваемых и самых глубоких почв на Земле.
Кроме того, климат влияет на виды растений и животных, которые могут населять территорию. Эти живые существа, еще один ингредиент, влияющий на формирование почвы, как в течение своей жизни, так после нее. Живые растения поглощают и высвобождают питательные вещества обратно в почву, в то время как такие животные, как дождевые черви и муравьи, прокладывают норы, создавая пути для движения воздуха, воды и питательных веществ. Когда живые существа умирают, микробы превращают их в органическое вещество, а именно углерод. Некоторая часть этого углерода накапливается в почве и взаимодействует с минералами, полученными из исходного материала, в дальнейшем создавая почву.
Топография региона или рельеф местности могут ускорить или замедлить выветривание. Топография влияет на то, где растут растения и как вода движется по ландшафту, помогая определить, где скапливается основной материал, а где скала остается защищенной от эрозии.
Рассматривая исходный материал, климат, живые существа и топографию в контексте времени, последнего ингредиента, мы видим, что почвообразование – это акт разрушения и синтеза. Все пять почвообразующих элементов работают одновременно и независимо в течение длительного времени, создавая мозаику типов почв с уникальными историями и свойствами.
Чтобы понять почву в определенном месте, ученые сначала смотрят на отдельные слои почвы под землей, называемые горизонтами. Каждый горизонт рассказывает историю событий прошлого Земли и показывает, как пять почвообразующих факторов взаимодействовали в конкретной области.
Каждая почва имеет последовательность горизонтов, похожих на слои в торте. Вертикальное расположение горизонтов называется почвенным профилем. Ученые копаются в этих профилях, чтобы обнажить горизонты и изучить их свойства – то, что придает почве ее текстуру, сохраняет ее структуру и поддерживает ее жизнь: минеральные частицы, органическое вещество, вода, воздух и микробы. Типы и пропорции этих свойств определяют, что почва может делать в окружающей среде (например, что она может выращивать или сколько углерода она может удерживать).
Частицы песка, ила и глины, полученные из основных материалов, действуют как скелет почвы, обеспечивая твердую среду, в которой могут существовать и перемещаться вода, воздух и микробы. Глинистые минералы представляют собой мельчайшие частицы, но играют важную роль в функционировании почвы. Они имеют форму крошечных хлопьев или многогранных пластинок, что дает им большие площади поверхности с огромной способностью удерживать питательные вещества, воду и углерод, как магнит. Их способность связывать углерод – одна из причин, почему нетронутые почвы могут удерживать такое количество углерода в течение столь длительного времени.
Почва и ее роль в углеродном цикле
Понимание того, как работает почва и из чего она состоит, имеет решающее значение для понимания глобального углеродного цикла и изменения климата. Например, судьба органического вещества в почве связывает почву как с атмосферой, так и с океаном (другими основными поглотителями углерода в мире). Но как углекислый газ соотносится с углеродом, хранящимся в почве?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы обратимся к царству растений. Когда растения производят себе пищу посредством фотосинтеза, они действуют как соломинка с углекислым газом, поглощая CO2 из атмосферы и превращая его в древесину, корни и листья.
«Растения в первую очередь ответственны за попадание углерода в почву», – пояснил Кьюсак. В частности, деревья удаляют большое количество углекислого газа из атмосферы и служат естественным буфером для изменения климата, вызванного парниковыми газами.
Растения, или части растений, и другие организмы становятся органическими веществами с помощью почвенной микробиоты, выделяющей ферменты, которые расщепляют эти организмы на питательные вещества многократного использования и более мелкие углеродные соединения. Некоторые из этих углеродных соединений питают другие почвенные организмы, некоторые накапливаются в почве и прикрепляются к ее скелету, а некоторые выдыхаются в виде углекислого газа в атмосферу, а затем поглощаются океаном, связывая почвы с глобальным углеродным циклом.
Когда углерод удерживается в почве, он улавливается или запирается. В таком состоянии, если его не трогать, он может оставаться стабильным в течение миллионов лет. Вот почву называют стоком углерода.
Контрасты поглощения углерода почвами: от тропиков до Арктики
Из-за климата разные биомы хранят в почве разное количество углерода. «Почвы тропиков и субарктические почвы зоны вечной мерзлоты хранят больше всего углерода, но по-разному», – сказал Кьюсак Mongabay. «Глубокие почвы тропиков с большой площадью поверхности на их глинах заблокировали углерод, и то, что изначально было корневым углеродом [в растении], было перенесено вниз через почвенный профиль [в почву]».
Кьюсак и ее коллеги из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в Калифорнии использовали радиоуглеродное датирование для оценки среднего возраста углерода в тропических почвах. «Углерод, абсорбированный на глиняные поверхности, является самым старым, в некоторых местах ему около миллиона лет», – сказала она.
На севере же вечная мерзлота, напротив, была заморожена в течение тысяч лет, поэтому отложившаяся там растительная биомасса не разложилась и осталась замороженной во времени, представляя собой действительно большой запас земного углерода. «Органическое вещество заморожено настолько глубоко, что нет кругооборота углерода. Он просто заморожен в почве, – сказал Кьюсак.
Изменение климата влияет на запасы углерода в почве
Изменение климата ускоряется, поскольку человечество вносит в атмосферу большое количество углекислого газа и других парниковых газов.
Повсеместная вырубка лесов, особенно в тропических лесах, приводит к удалению растений – связи между атмосферой и почвой. Вырубка лесов в больших масштабах означает, что вместо этого в атмосфере накапливается углекислый газ, вызывая дисбаланс в глобальном углеродном бюджете и изменяя климатические особенности Земли.
Кроме того, агрессивные методы ведения сельского хозяйства и изменения в землепользовании – такие как обработка почвы с использованием агрессивных методов вспашки или нарушение дренажа водно-болотных угодий – выкапывают и разрушают профиль почвы, а также подвергает секвестрированный почвенный углерод воздействию воздуха. Это нарушение заставляет соединения углерода реагировать с кислородом, заставляя его подниматься из стабильного сна под землей и превращаться в углекислый газ, выбрасываемый в небо.
Углекислый газ в атмосфере был связан с повышением температуры Земли. Например, вечная мерзлота особенно чувствительна к жаре и неожиданным образом оттаивает. «Замерзшая почва не просто удерживает углерод – она физически скрепляет ландшафт», – пишет Меррит Р. Турецкий, доцент Колорадского университета в Боулдере, в комментарии к журналу Nature.
Но теперь «Вечная мерзлота внезапно разрушается, когда в ней тают ледяные карманы. Несколько метров почвы могут дестабилизироваться в течение нескольких дней или недель», – пояснил Турецкий. Таяние вечной мерзлоты, вызванное глобальным потеплением, вызванным деятельностью человека, также вызывает выброс метана в атмосферу из талых субарктических и арктических почв, что создает огромную климатическую угрозу, поскольку метан во много раз более мощный парниковый газ, чем углекислый газ. «Понимание резкого таяния должно стать приоритетом исследования», – пишет Турецкий.
Между тем, в тропиках большее количество углекислого газа в атмосфере означает большее потепление и более интенсивные засушливые сезоны, к которым тропические леса не привыкли. Кьюсак является ведущим исследователем нового долгосрочного исследования о том, как засуха влияет на растения и запасы углерода в почве. Ее команда построила сооружения, которые уменьшают количество осадков на небольшой части поверхности тропического леса на 50%. Они обнаруживают, что участки, на которые естественно выпадает много осадков, более негативно пострадают при уменьшении количества осадков, в то время как естественно засушливые участки лучше, потому что они уже привыкли к засушливым условиям, поэтому они могут адаптироваться к более длительным засухам в будущем.
Степень засушливости также влияет на возраст выделяемого углерода почвы.. «На более сухих экспериментальных участках мы теряем больше старого углерода почвы, тогда как на наших контрольных участках углерод моложе и больше отражает недавние поступления корней и подстилки», – сказал Кьюсак. означает, что сильные засухи вызывают высвобождение изолированного или «запертого» углерода.
«Если наш результат справедлив для всех тропиков, – сказал Кьюсак, – мы были бы действительно обеспокоены тем, что мы теряем этот более старый углерод в почве».
Почвенные растворы 101
Ведущие ученые согласны с тем, что хранение углерода в почве может стать ключом к решению нашей климатической головоломки. Жизненно важный вопрос заключается в следующем: как сохранить существующий почвенный углерод, одновременно улавливая атмосферный углерод и направляя его обратно в почву?
Лесовосстановление ранее засаженных лесом земель является жизнеспособным решением для сдерживания изменения климата, поскольку оно леса улавливают углерод и направляют его обратно в почву по мере того, как молодые саженцы превращаются в зрелые деревья. «Корни вносят углерод в почву. Но этот первый шаг по получению действительно разветвленной корневой системы в почве действительно важен», – сказал Кьюсак.
Но лесовозобновление – это не универсальное решение для каждого биома, который теряет почвенный углерод. Кроме того, имеет значение тип восстановления: например, лесовосстановление с помощью плантаций деревьев не очень поможет, потому что быстрорастущие деревья, которые вскоре вырубают, чтобы превратить их в туалетную бумагу или лесную биомассу, преобразованную в древесные гранулы, которые сжигаются для получения энергии, не имеют большого значения для баланса углерода Важно отметить, что леса – это не отдельные деревья, а сложные, связанные системы, которые строятся с течением времени. Тщательное воссоздание естественных долголетних лесов может стать важным климатическим решением.
Другое решение – придать зонам хранения высокоуглеродистых газов юридический статус сохранения. Инициативы, подобные программе ООН REDD +, работают в этом направлении, предоставляя экономическую и техническую поддержку развивающимся странам и общинам, чтобы помочь им сохранить уже существующие леса. Сохранение запасов углерода в почве – основная цель REDD +, в значительной степени добровольной, основанной на стимулах программы, и она с некоторым успехом работает в тропиках. Создание новых охраняемых государством запасов углерода также может быть выигрышной стратегией.
Однако в случае сохранения тающей вечной мерзлоты ни сохранение земли, ни посадка местной растительности не остановят эскалацию выбросов парниковых газов. На данный момент резкое и быстрое сокращение глобальных выбросов углерода человечеством кажется единственным лучшим способом удержать субарктический углерод и метан под землей.
Изменение методов ведения сельского хозяйства во всем мире также может защитить почвы и значительно повысить их способность накапливать углерод. По мнению многих экспертов, промышленный агропромышленный комплекс нуждается в капитальном ремонте, отказе от синтетических удобрений (нарушающих азотно-фосфорный баланс), сокращении использования пестицидов (разрушающих биоразнообразие почвы) и внедрении устойчивых методов нулевой или низкой обработки почвы. которые создают устойчивые почвы на долгое время.
Тем не менее, нам есть чему поучиться, и, безусловно, срочно необходима хорошо финансируемая всемирная программа изучения почв. Понимание происхождения, свойств, возможностей и временных масштабов почвы – и того, как мы их изменяем – может помочь исцелить наши натянутые отношения с Землей и стать решающим шагом на пути к использованию способности почвы хранить углерод для ограничения изменения климата.
Восстановление углеродного баланса Земли требует целого ряда решений во многих масштабах, но почва находится в центре всех них.
Цитаты:
Турецкий, М. Р., Эбботт, Б. В., Джонс, М. С., Энтони, К. В., Олефельд, Д., Шур, Э. А., Ковен, К., Макгуайр, А. Д., Гросс, Г., Кухри, П., Хюгелиус, Г., Лоуренс , DM, Гибсон, К., Саннел, ABK (2019). Обрушение вечной мерзлоты ускоряет выброс углерода. Природа 569, 32-34. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-019-01313-4
Стипс, А., Масиас, Д., Кофлан, К. Гарсия-Горриз, Э., Сан Лян, X. (2016). О причинной структуре между CO2 и глобальной температурой. Научные отчеты 6, 21691. https://doi.org/10.1038/srep21691 2021, 25 мая. UN-REDD +. https://www.un-redd.
