Прогноз гетеротрофного почвенного дыхания на XXI век

Начиная с 1980-х почвенное гетеротрофное (микробное) дыхание усиливалось в среднем на два процента за каждое десятилетие, а в Арктике — на четыре процента.
При отсутствии ограничений на антропогенные выбросы парниковых газов, которыми обусловлено глобальное потепление климата, к 2100 году почвы в мире будут выбрасывать в среднем на 40 процентов больше углерода, чем сейчас, причем арктические почвы — вдвое больше.
К таким выводам пришли ученые, создав новую биофизическую модель, иллюстрирующую отклик микробного дыхания на изменение климатических показателей во времени и пространстве.

Результаты их исследования опубликованы в журнале Nature Communications

Дыханием почвы называют газообмен между почвой и атмосферой, который во многом состоит из гетеротрофного (микробного) дыхания — окисления органического вещества почвенными микроорганизмами с последующим выделением углекислого газа. Этот процесс является главным источником углеродных выбросов суши, он превосходитантропогенные выбросы в десять раз (110 миллиардов тонн углерода против 11 миллиардов тонн). На фоне изменения климата интенсивность микробного дыхания меняется, потому что микробиологическая активность зависит от температуры и влажности почвы. Ее количественная оценка — важнейшая задача для прогнозирования концентрации CO2 в атмосфере.

Ученые под руководством Алона Ниссана (Alon Nissan) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха исследовали влияние потепления климата на микробное дыхание. Для этого они детально моделировали распределение влажности в почвах в разных масштабах — от внутрипорового пространства до всего почвенного покрова суши — и связывали его с температурой, структурой почв, скоростью диффузии и прочими факторами, вызывающими отклик у почвенной микробиоты. Также авторы провели модельные эксперименты по дренажу почвы в лаборатории, где сравнивали смоделированные и наблюдаемые свойства водяных пятен в структуре почвы.
Полученные результаты они сравнивали с литературными данными и глобальной базой почвенного дыхания SRDB-V5 за период с 1948 года.

Мировая карта распределения интенсивности микробного почвенного дыхания. Наименьшие значения приурочены к аридным и арктическим пустыням, наибольшие — к влажным тропикам.
Alon Nissan et al./ Nature, 2023

Ученые обнаружили, что в нынешнее время средний уровень микробного дыхания в верхнем десятисантиметровом слое почвы в мире составляет 282 грамм углерода на квадратный метр в год. Начиная с 1980-х годов микробное дыхание претерпевает значимые (p < 0,01; критерий Манна-Кендалла) изменения: каждый год оно увеличивается в среднем на 0,2±0,05 процента в год, или на два процента каждые 10 лет. В отдельные жаркие годы (например, в 2010) летом обнаруживалось усиление микробного дыхания сразу на 15 процентов. В Арктике темпы вдвое выше — там оно растет в среднем на 0,4±0,11 процента в год. Глобальный тренд усиления интенсивности микробного дыхания, обнаруженный учеными, превосходит прежние оценки в полтора раза.

Прогноз гетеротрофного почвенного дыхания на XXI век
Alon Nissan et al./ Nature, 2023

Если антропогенные выбросы парниковых газов будут происходить в соответствием со пессимистическим сценарием RCP 8.5 (отсутствие ограничений на выбросы), то к 2100 году эмиссия углерода почвами вследствие микробного дыхания вырастет в среднем на 40 процентов по всем географическим зонам, а в Арктике она увеличится на 100 процентов, то есть вдвое.

Почвенное дыхание — не единственный источник углерода, выбросы которого набирают обороты на фоне изменения климата.
Так, из-за участившихся пожаров в XXI веке во всех природных зонах отмечается утрата лесов, а на севере Сибири из оттаявшей многолетней мерзлоты высвобождается древний термогенный метан.