EOS: Как глубокие почвы реагируют на потепление?
Учёные стремятся объединить наблюдения экспериментов по потеплению глубоких почв во всём мире, чтобы лучше понять, как экосистемы, жизненно важные для продовольственной безопасности и здоровья окружающей среды, будут реагировать на изменение климата.
Почвенные экосистемы играют фундаментальную роль в поддержании производства продуктов питания и волокон, улучшении качества и доступности воды, связывании углерода и обеспечении других социальных потребностей. Потепление климата влияет на способность почв предоставлять эти экосистемные услуги, что, вероятно, будет иметь серьёзные последствия для продовольственной безопасности и стабильности подземных и надземных экосистем. Чтобы прогнозировать и эффективно управлять этими последствиями, крайне важно понять, как почвенные процессы реагируют на повышение температуры.
Учёные во всём мире проводят эксперименты по глубокому прогреванию почвы, в ходе которых слои почвы намеренно нагреваются, чтобы наблюдать за реакцией растений, почвы и микробов. Однако недавно исследователи осознали важность сравнения и интеграции результатов этих экспериментов, чтобы помочь выявить новые идеи.
Глобальная сеть DeepSoil 2100 возникла в результате бесед среди почвоведов, организованных в 2020 году одним из авторов в ответ на потребность в координации. Сеть объединяет исследователей на местах и в лабораториях, разработчиков моделей, поставщиков данных и их пользователей, а также обеспечивает платформу для обмена практическими рекомендациями по проведению полевых экспериментов, отчётности по данным, обсуждения результатов и изучения синергии данных. В его цели входит синтез результатов экспериментов по потеплению почвы, повышение доступности этих результатов для более широкого научного сообщества и, в конечном итоге, содействие более обоснованным прогнозам и принятию решений относительно изменения климата и стратегий смягчения последствий и адаптации.
Первые усилия сети DeepSoil 2100 заключались в объединении исследовательского сообщества для обмена знаниями и опытом и подготовки отправной точки для будущих исследований и синтеза. В марте 2023 года более 50 исследователей из более чем 10 стран собрались на семинар, проходивший в Университете Сорбонны в Париже, а последующая встреча состоялась в апреле 2023 года во время Генеральной ассамблеи Европейского союза геонаук (EGU) в Вене, Австрия. Дискуссии на этих встречах были сосредоточены вокруг новых областей для синтеза, цели обучения на основе различных экспериментов и вопросов, требующих совместного исследования.
Необходимость более глубокого понимания
Почвы претерпевают многочисленные взаимодействующие изменения по мере повышения температуры. Почвенные микроорганизмы обычно становятся более активными, ускоряя разложение органического вещества почвы и, в свою очередь, выброс углекислого газа (CO2) в атмосферу. Эти изменения влияют на многие связанные функции почвы и могут усилить изменение климата. То есть большее количество CO2 в атмосфере приводит к ещё большему парниковому потеплению, в результате чего почвы выделяют ещё больше CO2.
С другой стороны, повышенные температуры могут увеличить поглощение растениями углерода из атмосферы за счёт увеличения фотосинтеза, что может помочь компенсировать потери углерода в почве, вызванные потеплением. Кроме того, более высокие температуры могут существенно повлиять на влажность почвы и круговорот питательных веществ, что может положительно или отрицательно повлиять на рост растений и почвенные процессы.
Модельные прогнозы реакции наземных экосистем на изменение климата, которые являются результатом нашего понимания изменения почвенных процессов и баланса между потерей и получением почвенного углерода, к сожалению, содержат значительные неопределённости, особенно в глобальном масштабе [Bradford et al., 2016]. Например, наземные компоненты в моделях системы Земли не представляют микробов в явном виде, не объясняют большинство механизмов, контролирующих скорость разложения органического вещества почвы, и имеют плохо определённые параметры для многих экосистем и процессов.
Кроме того, текущие модельные прогнозы часто основываются на экспериментальных данных, собранных в основном из верхних 10-сантиметровых почвенных профилей [Yost and Hartemink, 2020]. Эти исследования дают представление о том, как потепление влияет на приповерхностные слои почвы, но они не отражают сложные взаимодействия и механизмы обратной связи, происходящие в более глубоких слоях.
Глубокие почвы содержат более половины мировых запасов почвенного органического углерода [Rumpel, Kögel-Knabner, 2011; Jackson et al., 2017]. Эти более глубокие слои прогреваются так же быстро, как и приповерхностные слои почвы [Soong et al., 2020], но им уделяется меньше внимания. Однако в последние годы несколько независимых исследовательских групп по всему миру провели эксперименты по глубокому прогреванию почвы (рис. 1), обычно нагревая почву на глубине более 30 сантиметров ниже поверхности, чтобы изучить биогеохимические реакции растений и почвы. Этот подход обеспечивает лучшее представление всей сложной почвенной системы за счёт рассмотрения всех слоёв почвы.
Эти новые эксперименты основаны на использовании подземных кабелей, инфракрасных обогревателей и даже естественного геотермального отопления для нагрева почв в широком диапазоне биомов [Hanson et al., 2017; O’Gorman et al., 2014], от лесов в умеренных и тропических зонах до тундры, торфяников, солончаков умеренного пояса и субарктических лугов (рис. 1). Эти усилия дают новое понимание реакции почвенного углерода, круговорота питательных веществ, растительности и почвенных микробов на потепление по всему профилю почвы. Например, недавние исследования показали более высокие потери углерода в почвах при потеплении в более глубоких слоях, чем в приповерхностных почвах в умеренных и субтропических лесах [Soong et al., 2021; Lin et al., 2018].
Синтезированные данные этих экспериментов обеспечат основу для более глубокого и целостного понимания сложных взаимодействий между атмосферой и сушей, тем самым повышая точность прогнозов того, как наземные экосистемы под различным управлением будут реагировать на изменение климата.
Глобальная база данных и новые области синтеза
Одним из первых результатов DeepSoil 2100 станет база данных, заполненная наблюдениями в ходе экспериментов по глубокому прогреванию почвы, показанных на рис. 1, и многих других, насколько это возможно. Эти наблюдения включают вызванные потеплением изменения в запасах углерода в почве, дыхании почвы, корневой биомассе, составе почвенного микробного сообщества и многих других компонентах почвенной экосистемы. Участники встреч в 2023 году обсудили приоритеты для базы данных, которая будет включать оптимизированный конвейер ввода данных, адаптируемую и понятную структуру данных, а также доступный интерфейс, позволяющий пользователям легко извлекать данные.
Приоритеты базы данных также включают открытый доступ и совместимость с существующими базами данных по углероду в почве. Для оптимизации взаимодействия авторы следуют моделям данных и шаблонам из последних успешных баз данных, таких как Международная база данных по радиоуглероду в почве (ISRAD), база данных по гармонизации данных о почвах (SoDaH) и база данных Международной сети по углероду в почве (ISCN) [например, Malhotra et al., 2019].
После встреч была создана предварительная база данных с подробной информацией о текущих экспериментах по глубокому прогреванию почвы, включая их местонахождение, подходы к прогреванию, продолжительность и глубину (включая расстояние от поверхности, горизонты почвы и плотность укоренения), а также параметры окружающей среды, такие как климат, почвы и растительность. Следующим шагом будет запрос исходных данных этих экспериментов после заключения соглашения об обмене данными.
Участники встречи также обсудили, как новая база данных будет способствовать синтезу исследований и метаанализу, сравнению модельных данных, объединению прогнозов модели с данными для уточнения прогнозов и проверке гипотез с использованием полного массива доступных данных о глубоком потеплении почвы (рис. 2). Широкий спектр экосистем, охваченных экспериментальными данными в базе данных, позволит учёным оценить глобальные закономерности и движущие силы реакции на потепление почвы, одновременно выявляя ключевые различия и сходства между участками. Кроме того, учитывая продолжительность текущих экспериментов по потеплению глубоких слоёв почвы (более половины из которых проводятся уже более десяти лет), можно оценить, адаптируются ли экосистемные процессы к более высоким температурам, и сравнить краткосрочные и долгосрочные реакции на потепление почвы [например, Melillo et al., 2017; Walker et al., 2020].
Синтетические исследования могут быть сосредоточены на том, как реакция круговорота углерода в почве внутри и между участками зависит от питательных веществ в почве и динамики влажности почвы. Повышение температуры может снизить влажность почвы и изменить доступность питательных веществ, и то и другое может изменить поведение ключевых компонентов углеродного цикла (например, растений и микробов) при длительном потеплении. Ещё одним механизмом, который следует учитывать, может быть сезонная и межгодовая изменчивость влажности почвы и питательных веществ. Например, ожидается, что дыхание почвы и валовая первичная продуктивность (скорость, с которой растения улавливают солнечную энергию во время фотосинтеза) будут наиболее чувствительны к потеплению во время сезонных переходов от засушливых условий к влажным, что, вероятно, обусловлено увеличением доступности азота.
Синтез глобальных данных о глубоких почвах также будет полезен для получения понимания динамики и реакции на потепление почвенных организмов, ответственных за круговорот углерода и питательных веществ, стехиометрию растений и почвы (относительный баланс питательных веществ и других присутствующих элементов), а также надземную и подземную структуру поступления углерода. Все эти факторы в совокупности влияют на стабильность и состав почвенных экосистем, а также на плодородие почвы для растений.
Другие синтетические исследования могут изучить глубинные реакции на потепление, включая изменения в производстве CO2 в почве и запасах органического углерода в почве, а также изменения в химических компонентах органического вещества почвы и возрастном распределении углерода в почве по профилю почвы. Ожидается, что различная реакция на потепление почвы с глубиной будет зависеть от таких факторов, как влажность почвы, плотность корней, активность почвенной фауны и взаимодействие между органическим веществом почвы и её минералами.
Изучение процессов в зонах укоренения по сравнению с процессами в насыпной почве на экспериментальных участках является ещё одной богатой областью для совместных исследований с помощью DeepSoil 2100. Почвенные субстраты и доступность питательных веществ различаются в зависимости от профиля почвы, а также изменения в подземном поступлении таких материалов, как корневые экссудаты (соединения, клетки корня), опосредуют многие микробные и почвенные процессы, потенциально влияя на долгосрочные реакции на потепление на глубине. Скоординированные полевые эксперименты с использованием изотопной маркировки могли бы дополнить такие исследования, например, для изучения того, как конкретные пулы углерода и питательных веществ изменяются с потеплением. Кроме того, лабораторные эксперименты по инкубации при контролируемой температуре могут быть полезны для выяснения процессов, ответственных за изменения, вызванные потеплением, фиксируемые во время полевых наблюдений.
Призыв к междисциплинарным исследованиям глубоких слоёв и данным
Для более глубокого понимания влияния климата и его изменения на подземную биогеохимию необходимы комплексные междисциплинарные исследования, включающие скоординированный отбор проб на разных экспериментальных площадках и на разных глубинах почвы. Участники сети DeepSoil 2100 проводят исследования в ряде биомов, но некоторые типы экосистем и географические регионы не представлены, например, экосистемы засушливых земель и экосистемы в Африке, Океании и Южном полушарии в целом (рис. 1).
Поощряется проведение новых экспериментов по потеплению глубоких слоёв почвы, особенно в этих непредставленных областях, и авторы готовы предоставлять экспертные знания и поддержку исследователям, планирующим такие эксперименты, связывая их с учёными, участвующими в уже существующих усилиях. Также приветствуется присоединение к сети представителей текущих экспериментальных проектов, ещё не связанных с DeepSoil 2100.
Междисциплинарное глобальное сотрудничество между экспериментаторами, учёными, работающими с данными, и разработчиками моделей является незаменимым. Благодаря такому сотрудничеству можно проводить комплексные исследования, разрабатывать стандартизированные протоколы для полевых и лабораторных экспериментов, а также достигать значительных успехов в построении точных моделей, позволяющих получить представление о динамике всей почвы и о том, как она меняется по мере нагревания земли. Только благодаря этим знаниям станет возможным адекватно адаптировать управление экосистемами в будущем.
Проблемы в будущих исследованиях баз данных и синтеза могут возникнуть из-за различий в структурах данных и методологиях, используемых на экспериментальных площадках, но открытый диалог и совместное обучение, проводимые через сеть DeepSoil 2100, предоставляют возможности преодолеть эти препятствия. Объединяя данные нескольких экспериментов в единую стандартизированную базу данных, DeepSoil 2100 способствует обмену данными по всему миру и способствует более обоснованному принятию решений для устранения глубокого воздействия глобального потепления на почвенные процессы и, как следствие, на экосистемы и общество.
Цитируемая литература
Bradford, M. A., et al. (2016), Managing uncertainty in soil carbon feedbacks to climate change, Nat. Clim. Change, 6(8), 751–758, https://doi.org/10.1038/nclimate3071.
Hanson, P. J., et al. (2017), Attaining whole-ecosystem warming using air and deep-soil heating methods with an elevated CO2 atmosphere, Biogeosciences, 14(4), 861–883, https://doi.org/10.5194/bg-14-861-2017.
Hiederer, R., and M. Köchy (2012), Global Soil Organic Carbon Estimates and the Harmonized World Soil Database, Inst. for Environ. and Sustainability, Ispra, Italy, https://doi.org/10.2788/13267.
Jackson, R. B., et al. (2017), The ecology of soil carbon: Pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls, Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst., 48, 419–445, https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-112414-054234.
Lin, W., et al. (2018), Warming exerts greater impacts on subsoil than topsoil CO2 efflux in a subtropical forest, Agric. For. Meteorol., 263, 137–146, https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.08.014.
Malhotra, A., et al. (2019), The landscape of soil carbon data: Emerging questions, synergies and databases, Prog. Phys. Geogr., 43(5), 707–719, https://doi.org/10.1177/0309133319873309.
Melillo, J. M., et al. (2017), Long-term pattern and magnitude of soil carbon feedback to the climate system in a warming world, Science, 358(6359), 101–105, https://doi.org/10.1126/science.aan2874.
O’Gorman, E. J., et al. (2014), Climate change and geothermal ecosystems: Natural laboratories, sentinel systems, and future refugia, Global Change Biol., 20(11), 3,291–3,299, https://doi.org/10.1111/gcb.12602.
Rumpel, C., and I. Kögel-Knabner (2011), Deep soil organic matter—A key but poorly understood component of terrestrial C cycle, Plant Soil, 338(1), 143–158, https://doi.org/10.1007/s11104-010-0391-5.
Soong, J. L., et al. (2020), CMIP5 models predict rapid and deep soil warming over the 21st century, J. Geophys. Res. Biogeosci., 125(2), e2019JG005266, https://doi.org/10.1029/2019JG005266.
Soong, J. L., et al. (2021), Five years of whole-soil warming led to loss of subsoil carbon stocks and increased CO2 efflux, Sci. Adv., 7(21), eabd1343, https://doi.org/10.1126/sciadv.abd1343.
Walker, T. W. N., et al. (2020), A systemic overreaction to years versus decades of warming in a subarctic grassland ecosystem, Nat. Ecol. Evol., 4(1), 101–108, https://doi.org/10.1038/s41559-019-1055-3.
Yost, J. L., and A. E. Hartemink (2020), How deep is the soil studied—An analysis of four soil science journals, Plant Soil, 452(1–2), 5–18, https://doi.org/10.1007/s11104-020-04550-z.
Ссылка: https://eos.org/science-updates/how-are-deep-soils-responding-to-warming