Ученые выяснили, как природные пожары, гибель самшита и особенности горного рельефа влияют на накопление и потери углерода в горных экосистемах. Исследователи Научно-технологического университета «Сириус» представили результаты второго этапа масштабного проекта по изучению углеродного баланса экосистем Кавказского Причерноморья. Ученые выяснили, как природные пожары, гибель самшита и особенности горного рельефа влияют на накопление и потери углерода в горных экосистемах.
Исследование получило поддержку в рамках государственной программы научно-технологического развития федеральной территории «Сириус». Работы велись на особо охраняемых природных территориях и вблизи федеральной территории «Сириус». В центре внимания оказались леса, горные склоны и водосборы — природные системы, которые одновременно являются хранилищами углерода и чувствительными индикаторами климатических изменений.
Территория Кавказского Причерноморья уникальна с точки зрения разнообразия природных условий, что дает возможность всестороннего изучения того, как экосистемы реагируют на изменение климата. Сочетание уникальных экосистем с территориями, типичными для многих других регионов планеты, создает условия для получения научных данных, как решающих локальные экологические задачи, так и расширяющих мировые знания о процессах углеродного цикла.
Одним из ключевых факторов трансформации экосистем остаются природные пожары. В условиях потепления их частота и интенсивность растут. Исследование показало, что спустя несколько месяцев после пожара почвы сохраняют заметные изменения: снижается кислотность, увеличивается содержание углерода и азота за счет включения обугленных частиц. Однако при последующих ливнях трансформированные почвы начинают активнее «отдавать» минеральные элементы в реки.
После пожара часть углерода действительно остается в почве в виде обугленного материала, увеличивая его содержание по сравнению с допожарными условиями. Также в почву поступает много минеральных веществ. Но при сильных осадках начинается их вымывание в водотоки. Мы фиксируем изменение химического состава воды — это прямой сигнал о том, что почвенные и водные процессы тесно связаны.
Отдельное направление работы связано с массовой гибелью реликтового самшита колхидского. Исследования показали, что исчезновение подлеска меняет освещенность и структуру растительности, увеличивает общее содержание углерода в почве, но снижает его доступность для микроорганизмов. В результате микробное сообщество перестраивается: его общая биомасса уменьшается, но интенсивность выделения углекислого газа возрастает.
Кроме того, ученые исследовали влияние высоты и экспозиции горных склонов на стабильность углерода в почвах. Выяснилось, что с увеличением высоты над уровнем моря в почве становится больше органического углерода, но его разложение замедляется. При этом южные и северные склоны по-разному реагируют на потепление, что может привести к неодинаковым изменениям углеродного баланса в будущем.
Теоретическим итогом второго года проекта стало развитие нового подхода для изучения стабильности углерода в почвах. Этот подход основан на использовании энергии активации. Энергия активации отражает энергетические инвестиции, которые нужны для разрушения органики, и поэтому может служить надежным индикатором ее стабильности в почве. Результаты исследования опубликованы в журнале Global Change Biology в двух статьях: «Activation Energy Is a Useful Proxy for Intrinsic Stability of Soil Organic Matter» и «Activation Energy of Organic Matter Decomposition in Soil and Consequences of Global Warming».
Ученые показали, что при повышении температуры ускорение разложения стабильного углерода происходит быстрее, чем предполагалось ранее. Это означает, что глобальное потепление способно ускорить высвобождение углерода из почв и изменить баланс питательных элементов. Такие процессы могут усиливать климатические изменения.
Практическая часть проекта также включает разработку методов разделения природного и техногенного органического вещества в водных объектах. Апробация методики на водоемах федеральной территории «Сириус» показала, что даже удаленные, на первый взгляд фоновые территории испытывают антропогенную нагрузку.
Полученные данные помогут уточнить вклад лесных, горных и пресноводных экосистем в глобальные потоки парниковых газов, а также совершенствовать системы мониторинга состояния почв и вод в условиях изменения климата. Исследование продолжится с акцентом на прогнозирование сценариев трансформации экосистем и разработку научно обоснованных рекомендаций по их сохранению.
Екатерина Филимоненко, ведущий научный сотрудник направления «Геоэкология» Международного научного центра в области экологии и вопросов изменения климата Научно-технологического университета «Сириус», ответила на вопросы «Ъ-Науки».
— В исследовании использован новый подход к изучению стабильности углерода в почвах через энергию активации. Насколько этот метод точнее традиционных способов измерения и требует ли он специального оборудования, которое есть не в каждой лаборатории?
— В своей работе мы рассмотрели методики оценки энергии активации для разных реакций преобразования органических веществ в почвах. Некоторые из них действительно основаны на использовании относительно специального оборудования, которое есть не в каждой лаборатории, например для оценки энергии активации полного химического окисления на основе термического анализа. Но оценка энергии активации микробного разложения, или деполиметизации органики, основана на тех аналитических методах, которые есть практически во всех лабораториях, где исследуются микробные свойства почв. Поэтому для их внедрения перестройки аналитической базы не требуется. На наш взгляд, оценка стабильности через энергетический подход является важным шагом для более глубокого понимания механизмов, обеспечивающих стабильность углерода в почве, по сравнению с традиционными способами. Энергетический подход развивает и детализирует существующие традиционные способы оценки.
— Вы обнаружили, что после пожаров измененная почва начинает активнее отдавать вещества в реки. Означает ли это, что рост числа пожаров в условиях потепления приведет к системному изменению химического состава воды во всем Кавказском Причерноморье?
— Процесс выноса химических элементов с территорий водосборов, которые были подвержены пожарам, в водотоки влияет на химический состав вод в течение относительно короткого времени после пожара. В контексте увеличения частоты возникновения пожаров мы бы обратили внимание на такие последствия этого, как потери углерода и минеральных химических элементов из почв, что вносит корректировки в естественные циклы, изменяются микробные свойства почв, количество и качество органического вещества в почвах. Выполненные нами исследования решали научную задачу в разрезе одного типичного участка Кавказского Причерноморья, при этом для обоснованных прогнозов и обобщений для региона в целом необходимы выполнение исследований в течение нескольких сезонов и их детализация.
— Исчезновение реликтового самшита привело к парадоксальной ситуации: углерода в почве стало больше, но выделение углекислого газа тоже выросло. Не означает ли это, что экосистема из поглотителя углерода превращается в его источник?
— Все верно, углерода в почве стало больше за счет прироста растительного опада и развития травянистого якуса, это привело к увеличению доступного органического субстрата для почвенных микроорганизмов, которые стали активнее его разлагать, и, соответственно, выделение углекислого газа тоже выросло. Риск трансформации экосистем из стока в источник есть. Это определяется тем, какой процесс будет более интенсивным — поступление и стабилизация углерода в почве или разложение органического вещества. Для понимания и достоверной оценки углеродного статуса почв после выпадения самшита необходимо наблюдение за скоростями процессов, происходящих в этих экосистемах.
— Вы выяснили, что южные и северные склоны по-разному реагируют на потепление. Можно ли уже сейчас сказать, какие именно склоны станут главными «поставщиками» углекислого газа в атмосферу при дальнейшем росте температур?
— В рамках завершенного этапа проекта был выполнен первый полевой сезон по изучению содержания и стабильности углерода в почвах горных районов в зависимости от экспозиции склона. Эти работы получат развитие как часть следующего большого проекта, который будет идти три ближайших года. В его контексте мы ставим следующие научные гипотезы, которые и будем проверять. Во-первых, при повышении температуры (южные склоны) вклад механизмов физической и физико-химической стабилизации органического углерода в почвах будет усиливаться за счет увеличения микробной активности и последующего ускорения разложения дисперсного органического вещества, что приведет к стабилизации продуктов микробного метаболизма в органоминеральных комплексах. И во-вторых, при длительном повышении температуры увеличивается продуктивность экосистем, что приводит к стабилизации агрегатов и структуры почвы и, соответственно, к усилению роли механизма физической защиты органического углерода в микроагрегатах при его стабилизации в почве.
— Исследование проведено на Кавказе, но выводы касаются глобальных процессов. Насколько результаты, полученные в этом регионе, можно распространять на другие горные экосистемы мира — например, на Альпы или Гималаи?
— Мы изучаем механизмы, влияющие на стабильность углерода в почвах под воздействием ряда факторов — пожаров, повышения температуры, изменений в растительных сообществах, отступления ледников, которые являются следствием глобальных изменений климата и окружающей среды. Действительно, механизмы универсальны и работают везде. Однако их интенсивность, проявленность, скорость регулируются конкретными условиями экосистем. Поэтому напрямую перенести конкретные региональные результаты на Альпы или Гималаи не будет корректным. Но как развитие научных исследований эти направления очень привлекательны.
— Цель проекта — разработка научно обоснованных рекомендаций по сохранению экосистем. Будут ли эти рекомендации адресованы конкретным ведомствам — Минприроды, лесному хозяйству — и что именно они смогут изменить в управлении территориями?
— Предложение рекомендаций, основанных на научных результатах, запланировано по итогам выполнения исследований. Для этого мы активно проводим полевые и экспериментальные работы. Более конкретно о разработанных рекомендациях — их содержании, а соответственно, и их адресатах — мы сможем прокомментировать по завершении научной компоненты наших исследований.
