Геологи обнаружили, что запас энергии в органическом веществе почв, которые «отдыхают» после сельскохозяйственной деятельности, за 25 лет может увеличиться в 1,8 раза. К такому выводу они пришли, оценив запас почвенного углерода в образцах из Иркутской области. Почвенный углерод — это источник питания и энергии для микроорганизмов и, следовательно, исходный ресурс для всех биохимических процессов в почве. Оценка этого показателя поможет прогнозировать плодородие на отдельно взятом участке. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Agriculture, Ecosystems and Environment.
Отбор образцов почвы. Источник: Николай Дорофеев
Почвенные микроорганизмы осуществляют множество химических превращений, разлагая органические вещества и делая содержащиеся в них элементы минерального происхождения доступными для поглощения корневой системой растений. Бактерии и грибы предпочитают перерабатывать так называемые лабильные органические соединения, которые приносят им больше энергетической выгоды. Но помимо лабильного углерода в почве находятся стабильные органические соединения, остающиеся в ней в течение долгого времени и выполняющие функцию накопления почвенного углерода.
В процессе сельскохозяйственной деятельности структура почвы нарушается, так как идут регулярные вспашка и прополка, а сбор урожая истощает запасы лабильного почвенного органического вещества — источника энергии для всей экосистемы. При прекращении возделывания на полях восстанавливается естественная растительность. Это привносит в почву углерод в виде растительного опада и продуктов обмена корневой системы. Часть углерода используется микроорганизмами как источник строительного материала и энергии, а другая часть — стабильная и трудно разлагаемая — сохраняется в почве. Количество стабильного и лабильного углерода может рассказать о том, насколько успешным будет увеличение запасов углерода в почве на отдельно взятой территории.
Ученые из Тюменского государственного университета (Тюмень) оценили, как меняется запас энергии в почвах, выведенных из сельскохозяйственной деятельности. Для исследования авторы выбрали территорию полевого стационара Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН в Заларинском районе Иркутской области, поскольку для него достоверно известна полная история землепользования. Знать ее важно, чтобы изучить, как на соотношение стабильного и лабильного углерода в почве влияет именно время, в течение которого земли уже не возделываются, исключая другие потенциально значимые факторы. Авторы отобрали образцы почвы на четырех участках: на действующей пашне, на пашнях, заброшенных 7 и 25 лет назад, и на лугу, где пахотные работы никогда не проводились.
Чтобы оценить количество стабильного и лабильного углерода в почвах, исследователи нагревали образцы от 30°С до 600°С. При этом ученые отслеживали скорость сгорания почвенного углерода и количество выделяемой при этом тепловой энергии, чтобы разделить его на лабильный (легкосгораемый) и стабильный (трудносгораемый). Это позволило авторам определить энергию активации лабильного и стабильного углерода — энергетический барьер, который необходимо преодолеть для запуска химических превращений. Так, лабильный углерод имеет меньший энергетический барьер, чем стабильный, и поэтому легче вступает в биохимические реакции, а также приносит больше энергии микроорганизмам, которые его разлагают.
Оказалось, что после 100 лет постоянного землепользования почва всего за 25 лет значительно увеличила запас энергии: он в 1,8 раза превосходил обрабатываемые ныне пашни, в первую очередь, за счет накопления лабильного углерода. Ежегодно почва накапливала примерно 850 килограммов углерода на гектар, при этом лабильный углерод накапливался в 2,8 раза быстрее, чем стабильный. Отслеживание этих характеристик может помочь понять, сколько времени требуется для восстановления запасов энергии полям после возделывания, насколько устойчив почвенный углерод к его микробному разложению и как эти факторы будут влиять на плодородие отдельно взятого участка земли.
«Накопление лабильного углерода в почвенном органическом веществе свидетельствует о восстановлении почвы и перспективах будущего устойчивого землепользования на данной территории. В дальнейшем мы планируем исследовать, как меняются термические свойства почвенного органического вещества под действием микробного разложения. Также мы хотим повторить экспедицию, чтобы посмотреть, как изменились запас и стабильность углерода на наших объектах спустя еще три года их естественного восстановления», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Екатерина Филимоненко, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории изотопной биогеохимии ТюмГУ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
