Баланс углерода в почве

 Накопление углерода в почве является жизненно важной экосистемной функцией, возникающей в результате взаимодействия экологических процессов. Деятельность человека, влияющая на эти процессы, может привести к потере углерода или, наоборот, его накоплению.

Органическое вещество является ключевым компонентом почвы, влияющим на ее физические, химические и биологические свойства, способствуя ее нормальному функционированию, от которого зависит выживание человечества. Выгоды от большего содержания почвенного органического вещества (ПОВ) включают улучшение качества почвы за счет увеличения удержания воды и питательных веществ, что приводит к большей продуктивности растений в естественных условиях и на полях фермеров.

ПОВ улучшает структуру почвы и уменьшает эрозию, что приводит к улучшению качества воды в подземных и поверхностных водах и в конечном счете к повышению продовольственной безопасности и снижению негативного воздействия на экосистемы. С начала своей истории человечество осознало, что его деятельность может привести к снижению продуктивности почвы и возможности производить продовольствие (McNeill and Winiwarter, 2004

Только в недавней истории понимание продуктивности почв было привязано к уровню содержания ПОВ, а истощение запасов ПОВ часто приводило к крупномасштабным воздействиям на целые экосистемы и даже на всю планету. Например, уничтожение тропических лесов, в которых находилось значительное количество углерода, хранящегося в наземных экосистемах, вносит значительный вклад в рост уровня содержания углекислого газа в атмосфере. Это приводит к изменению климата, в то время как снижение уровня ПОВ в результате нарушения почвы в процессе её обработки может повлиять на инфильтрацию осадков и хранение почвенной влаги, важной для смягчения последствий засух.

Нарушение почвенного покрова также приводит к усилению эрозии и вымыванию питательных веществ из почв, что вызывает эвтрофикацию и, как следствие, цветение водорослей во внутренних водных и прибрежных экосистемах, что в конечном итоге приводит к образованию мертвых зон в океане (рис. 1). Восстановление уровня органического вещества в почве требует понимания экологических процессов, важных для сохранения ПОВ. Надлежащие методы реставрации могут помочь восстановить функции наземных экосистем.

Основные положения об органическом углероде почвы

Почвенное органическое вещество состоит из почвенных микробов, бактерий и грибов, разлагающегося материала из когда-то живых организмов, таких как растительные и животные ткани, фекальный материал и продукты, образующиеся в результате их разложения. ПОВ представляет собой гетерогенную (разнородную) смесь материалов, которые находятся в стадии разложения от свежих растительных остатков до сильно разложившегося материала, известного как гумус. ПОВ состоит из органических соединений, которые сильно обогащены углеродом. Уровни органического углерода в почве (SOC) напрямую связаны с количеством органического вещества, содержащегося в ней, и SOC часто является способом измерения органического вещества в почве.

Уровни SOC являются результатом взаимодействия нескольких экосистемных процессов, ключевыми из которых считаются фотосинтез, дыхание и разложение. Фотосинтез - фиксация атмосферного CO₂ в биомассу растений.

Скорости поступления SOC в основном определяются корневой биомассой растения, но также включают подстилку, откладываемую из наземной части растений. Почвенный углерод возникает как непосредственно в результате роста и гибели корней растений, так и косвенно, в результате переноса обогащенных углеродом соединений из корней в почвенные микробы. Например, многие растения образуют симбиотические ассоциации между своими корнями и специализированными грибами в почве, известные как микориза; корни обеспечивают грибы энергией в виде углерода, в то время как грибы обеспечивают растение питательными веществами, такими как фосфор.

рис 2.

Разложение биомассы почвенными микробами приводит к потере углерода в виде CO₂ из почвы из-за микробного дыхания, в то время как небольшая часть исходного углерода сохраняется посредством образования гумуса - продукта, который часто придает почвам, богатым углеродом, характерный темный цвет (рис. 2). Различные формы SOC отличаются по своей устойчивости к разложению. Гумус обладает высокой степенью устойчивости, и такая устойчивость к разложению приводит к длительному времени его пребывания в почве. Растительный мусор является менее стабильным, что приводит к гораздо более короткому времени пребывания в почве. Другие экосистемные процессы, которые могут привести к потере углерода, включают эрозию почвы и вымывание растворенного углерода в подземные воды. Когда поступление и убыль углерода находятся в равновесии друг с другом, нет чистого изменения уровней SOC. Когда поступление углерода в результате фотосинтеза превышает потери, уровень SOC со временем увеличивается.

Скорости фотосинтеза, разложения и дыхания частично определяются климатическими факторами, наиболее важными из которых являются температура почвы и уровень увлажненности. Например, в холодном влажном климате северных широт скорости фотосинтеза превышают разложение, что приводит к высоким уровням SOC (рис. 3). В засушливых регионах низкий уровень SOC в основном из-за низкой первичной продуктивности, в то время как в тропиках часто есть промежуточные уровни SOC из-за высоких показателей как первичной продуктивности, так и разложения в результате высоких температур и обильных осадков.

рис 4.

Умеренные экосистемы могут иметь высокую первичную продуктивность летом, когда температура и уровень влажности наиболее высоки, а низкие температуры в течение остальной части года замедляют скорость разложения, так что органическое вещество медленно накапливается с течением времени (рис. 4).

В то время как климатические условия в значительной степени генерируют глобальные структуры углерода в почве, другие факторы, которые варьируются в меньших пространственных масштабах, взаимодействуют с климатом для определения уровней SOC. Например, текстура почвы - относительные пропорции частиц песка, ила и глины, которые составляют конкретную почву - или минералогия этих частиц почвы может оказать значительное влияние на запасы углерода в почве.

Кроме того, процессы эрозии и осаждения влияют на перераспределение углерода в почве в соответствии с рельефом ландшафта, при этом на низменных участках, таких как поймы, часто наблюдается увеличение SOC по сравнению с частью поля выше по склону