Продуктивность экосистем определяет, как микробы почвы хранят или выделяют углерод

Почвы содержат больше углерода, чем атмосфера и растительность вместе взятые, причем основную роль в этом процессе играют почвенные микроорганизмы. В результате глобальный цикл углерода в почве — процесс, посредством которого углерод поступает, перемещается и покидает почвы по всему миру — оказывает значительное влияние на обратную связь в изменении климата.

Концептуальная схема, иллюстрирующая возможные взаимосвязи между микробной CUE и Rh на основе стехиометрической теории и теории микробных сообществ. Автор: Цуй Юнсин и др.

Новое важное исследование, проведенное учеными из Института земной среды Китайской академии наук, проливает новый свет на этот цикл, опровергая прежние предположения о взаимосвязи между микробным дыханием и хранением углерода.

Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, предлагают новую перспективу для моделей управления углеродом в почве и прогнозирования изменения климата.

Как микроорганизмы влияют на почвенный углерод

Роль микроорганизмов в почвенном цикле углерода представлена двумя важными показателями: скоростью гетеротрофного дыхания (R_h), которая измеряет, сколько CO₂ выделяется в атмосферу при разложении микробами растительного материала; и эффективностью использования углерода микробами (CUE), которая измеряет, насколько эффективно микроорганизмы преобразуют поглощенный органический углерод в собственную биомассу вместо того, чтобы выделять его в виде CO₂.

Микроорганизмы с более высокой CUE способны эффективнее фиксировать углерод в биомассе и, как следствие, в органическом веществе почвы, тем самым усиливая секвестрацию углерода и смягчая изменение климата.

Географическое распределение точек отбора проб и взаимосвязи между CUE_ST и среднегодовым Rh. Автор: Цуй Юнсин и др.

И наоборот, микроорганизмы с низкой CUE выделяют большую часть перерабатываемого углерода обратно в атмосферу посредством дыхания, ускоряя углеродный цикл и потенциально усугубляя парниковый эффект.

Ученые традиционно предполагали, что CUE линейно снижается по мере увеличения R_h — во всех экосистемах. Но текущее исследование показывает, что взаимосвязь между CUE и R_h не является единообразной — вместо этого она изменяется нелинейно в зависимости от продуктивности экосистемы.

Новые данные о CUE и дыхании

Исследовательская группа оценила CUE с помощью стехиометрического подхода (CUE_ST), используя 1094 парных наблюдения из ряда глобальных природных экосистем. Их анализ выявил различные закономерности в разных зонах продуктивности: в регионах с низкой продуктивностью (например, засушливых и холодных районах) CUE снижалась с увеличением R_h, что согласуется с традиционно предполагаемой линейной отрицательной корреляцией.

Однако в высокопродуктивных районах (например, тропических и умеренных экосистемах) CUE переставала зависеть от R_h, как только R_h превышала 340 г C м^-2 год^-1, стабилизируясь примерно на уровне 0,27.

Это разъединение, объясняют исследователи, отражает адаптивные стратегии микробов, которые в условиях ограниченности ресурсов отдают приоритет получению питательных веществ над усвоением углерода.

В продуктивных экосистемах микробы направляют энергию на получение лимитирующих питательных веществ (таких как азот и фосфор), что увеличивает отток углерода и ограничивает дополнительное накопление углерода в почве. Этот механизм объясняет, почему озеленение растительности может ускорить потерю почвенного углерода, в то время как внесение питательных веществ потенциально может усилить его секвестрацию.

Исследование подчеркивает, как продуктивность экосистемы определяет нелинейную взаимосвязь между CUE и R_h. Ученые подчеркивают важность включения метаболической адаптивности микробов в модели углеродного цикла для повышения точности климатических прогнозов.

Источник: Chinese Academy of Sciences

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как сложные биологические процессы могут опровергать упрощенные модели. Понимание того, что микробы в плодородных почвах «работают» иначе, чем в бедных, меняет подход к прогнозированию климата и управлению углеродом. В будущем такие данные могут помочь разработать более точные стратегии для сельского хозяйства и экологических проектов.