Глобальный анализ показал, что доступность азота в лесах и лугах переоценена

Глобальная биологическая фиксация азота — инфографика. Автор: Cary Institute of Ecosystem Studies / Лесли Тамблети

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, леса, луга и другие природные зоны по всему миру получают примерно на четверть меньше азота, чем считалось ранее.

Исследование, соавтором которого выступила эколог Сара Баттерман из Института экосистемных исследований Кэри, имеет важные последствия для естественных климатических решений, поскольку азот критически важен для роста растений и, следовательно, для поглощения углерода из атмосферы.

«За исключением некоторых тропических лесов и засушливых районов, мы обнаружили, что доступность азота для растений во многих природных зонах была переоценена», — отметила Баттерман. «Наши результаты указывают на ограничения азота в наземном углеродном стоке в различных биомах, включая прерии и умеренные леса».

Исследование сосредоточилось на азоте, который становится доступным растениям благодаря биологической фиксации азота. В этом процессе микроорганизмы — часто живущие в симбиозе с растениями — преобразуют газообразный азот из воздуха в форму, которую растения могут использовать для роста и развития.

Например, азот является ключевым компонентом хлорофилла — зеленого пигмента, позволяющего растениям преобразовывать углекислый газ в рост посредством фотосинтеза. Этот углерод затем накапливается в древесине, листьях, корнях и почве.

Международная команда ученых под руководством Карлы Рейс Эли из Института науки и образования Ок-Ридж провела количественную оценку глобального распределения и объема биологической фиксации азота в природных и сельскохозяйственных биомах.

Они обнаружили, что предыдущие оценки фиксации азота были искажены из-за систематической ошибки выборки. Полевые измерения часто проводились в природных зонах, где азотфиксирующие организмы встречались в среднем в 17 раз чаще, чем в остальном мире, что привело к завышению оценок доступности азота.

Люпины (с фиолетовыми цветами), фиксирующие азот, были завезены в Исландию для восстановления почв, но в некоторых районах полностью вытеснили местную растительность. Автор: Cary Institute of Ecosystem Studies / Сара Баттерман

Если раньше большая часть данных основывалась на исследованиях тропических лесов, новое исследование включает оценки биологической фиксации азота из ранее недостаточно изученных ниш — кустарников, трав, мхов, мертвой древесины и других — что помогло выявить «азотные оазисы» и «пустыни».

«Собрав наиболее обширный набор данных о темпах биологической фиксации азота на суше и разработав новый биологически реалистичный алгоритм для масштабирования полевых измерений, мы подсчитали, что ежегодно микроорганизмы в естественных экосистемах фиксируют примерно на 25 миллионов тонн азота меньше, чем предполагалось ранее», — пояснила Баттерман.

Этот «недостающий» азот эквивалентен грузу примерно 113 полностью загруженных контейнеровозов.

Более точные данные о биологической фиксации азота позволят значительно улучшить модели, используемые для прогнозирования поглощения углекислого газа наземными экосистемами и их реакции на изменение климата, добавила Баттерман.

Темпы биологической фиксации азота в природных (верхняя карта) и сельскохозяйственных экосистемах. Теплые цвета указывают на более высокую продуктивность азота, который растения могут использовать для роста и поглощения CO₂. Автор: Рейс Эли и др./Nature 2025

Анализ также выявил рост биологической фиксации азота в сельскохозяйственных системах, что может способствовать ухудшению качества почвы, воздуха и воды.

Азотфиксирующие культуры, такие как соя и люцерна, поддерживают здоровье почвы и помогают производить продукты питания для растущего населения планеты, но избыток азота может быть вредным. Команда подсчитала, что только сельскохозяйственные культуры (без учета химических удобрений) увеличили биологическую фиксацию азота на суше на 64% по сравнению с доиндустриальным уровнем.

«Избыток азота может просачиваться в грунтовые воды или попадать в озера и реки, вызывая цветение водорослей и нанося вред водной жизни», — отметила Рейс Эли, руководившая исследованием во время работы в Университете штата Орегон.

Кроме того, избыточный азот может превращаться в закись азота — мощный парниковый газ, а высокие уровни азота могут способствовать распространению быстрорастущих инвазивных растений, вытесняющих местные виды и снижающих биоразнообразие.

Клубеньки, фиксирующие азот, содержат микроорганизмы, преобразующие газообразный азот (N₂) в формы, которые растения могут использовать для роста, размножения и поглощения углекислого газа. Автор: Cary Institute of Ecosystem Studies / Сара Баттерман

«Это исследование помогает нам понять, в какой степени мы изменили азотный цикл, выйдя за пределы безопасного операционного пространства для человечества в отношении азота», — сказала Баттерман.

Рейс Эли призвала к более последовательному измерению и мониторингу биологической фиксации азота, «чтобы обеспечить достаточное количество азота в почве без превышения безопасных пределов».

За руководство этим исследованием Карла Рейс Эли получила премию Gene E. Likens Junior Scientist Outstanding Publication Award от секции биогеонаук Экологического общества Америки.

Премия, названная в честь основателя Института Кэри Джина Лайкенса (соавтора открытия кислотных дождей), поощряет молодых ученых и отмечает выдающиеся работы в этой области.

Дополнительная информация: Carla Reis Ely, Global terrestrial nitrogen fixation and its modification by agriculture, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09201-w. www.nature.com/articles/s41586-025-09201-w

Источник: Cary Institute of Ecosystem Studies