Азотный передел: как потепление заставляет почвенные микробы менять правила игры

По мере потепления почв в высоких широтах микробы, обитающие в них, меняют стратегию обращения с такими питательными веществами, как азот. В норме эти микроорганизмы выступают в роли переработчиков: они извлекают азот из органических веществ почвы и преобразуют его в неорганические формы — аммоний и нитраты, которые могут усваиваться растениями. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Global Change Biology, показывает, что с ростом температур микробы меняют тактику. Они начинают удерживать больше азота для собственных нужд, сокращая количество, которое возвращают обратно в окружающую среду. Это изменение нарушает круговорот азота в экосистеме, что потенциально может замедлить рост растительности и повлиять на скорость глобального потепления.

Эти выводы основаны на экспериментах, проведенных в субарктических лугах близ Хверагерди в Исландии. В 2008 году землетрясения изменили русла подземных вод в районе с естественным геотермальным градиентом, создав участки почвы, прогретые на 0,5–40°C выше обычных температур. Это событие превратило регион в природную лабораторию, где ученые смогли изучить, как экосистемы реагируют на долгосрочное потепление в естественных условиях.

Более ранние исследования на этом месте уже показали, что в прогревающихся почвах микробы становятся высокоактивными в то время, когда растения находятся в состоянии покоя. В результате азотсодержащие соединения, высвобождаемые микробами в почву, терялись — либо вымывались в грунтовые воды, либо улетучивались в атмосферу в виде закиси азота, мощного парникового газа.

Захват ресурсов

В рамках новой работы ученые добавили в почву изотоп азота-15, что позволило им проследить, сколько азота использовали растения и как он перемещался. Исследователи обнаружили, что после первоначальной потери питательных веществ микробы стали более «бережливыми» в обращении с азотом, перерабатывая его внутри своих сообществ, а не поглощая больше из почвы. При этом микробы перестали выделять аммоний — богатый азотом побочный продукт их обычного метаболизма, пригодный для растений. Соавтор исследования, почвенный эколог Сара Мараньон Хименес из Центра экологических исследований и лесного хозяйства Испании, сравнила этот процесс с прекращением выделения «мочи» микробным сообществом.

Последствия для экосистемы

Это изменение в цикле азота имеет важные последствия для всей экосистемы. С одной стороны, оно оказывает положительный эффект, предотвращая дальнейшие потери азота.

«Исследование показывает, что азот не выделяется в неорганической форме, а, похоже, напрямую включается в органический цикл», — отмечает Сара Халлин, почвенный микробиолог из Шведского университета сельскохозяйственных наук в Уппсале, не участвовавшая в исследовании. — «Можно сказать, что это положительный аспект, более выгодный для экосистемы, поскольку азот сохраняется в ней».

С другой стороны, такое «накопительное» поведение микробов может снизить доступность азота для растений. «Существует хрупкая обратная связь между растениями, которые поглощают азот, осуществляют фотосинтез и возвращают углерод в почву в виде органического вещества, и микроорганизмами, которые разлагают это органическое вещество, перерабатывают его и высвобождают азот в формах, пригодных для растений», — объясняет Мараньон Хименес. — «Если микроорганизмы начнут иммобилизовать (связывать) азот, это может привести к конкуренции между микробами и растениями».

Начало процесса и «тепличная бомба»

Команда ученых сейчас работает над исследованием, чтобы выяснить, что именно происходит с почвой на самой ранней стадии потепления, еще до потери питательных веществ. Для этого они пересадили фрагменты обычной почвы в прогретые участки, чтобы детально изучить процесс с самого начала.

«Почвы, подвергшиеся повышению температуры, показали одинаковую потерю питательных веществ через 5 и через 10 лет», — говорит Мараньон Хименес. Это говорит о том, что большая часть потерь происходит на раннем этапе.

Климатические модели могут недооценивать вклад потерь азота и углерода из холодных почв в глобальное потепление. Нарушения в круговороте питательных веществ на этих широтах могут представлять собой ранее упущенный из виду источник выбросов парниковых газов. Арктические почвы хранят огромное количество углерода, накопленного за тысячи лет из растительных остатков, которые микробы не могут полностью разложить. По мере потепления активность микробов растет, ускоряя разложение и высвобождение этого углерода в атмосферу в виде CO₂.

Ранее ученые надеялись, что более теплые условия позволят растениям расти активнее, поглощая часть дополнительного углерода, выделяемого арктическими почвами. Новые данные ставят эту идею под сомнение.

«Это цепная реакция, — поясняет Мараньон Хименес. — Потеря микробной биомассы означает снижение способности почвы удерживать углерод и азот. Это ведет к обеднению почв, ухудшению условий для роста растений, и тогда растения не могут компенсировать выбросы, поглощая больше углерода».

Ограничения и предостережения

Авторы исследования признают, что изучение геотермально нагретых почв может давать неоднозначные результаты, поскольку в реальности глобальное потепление включает и рост температуры воздуха, а не только почвы. Кроме того, они предупреждают, что не все почвы реагируют на потепление одинаково. Исландские почвы в этом исследовании имеют вулканическое происхождение и богаты минералами, в отличие от органических торфяных почв, которые преобладают во многих арктических регионах. Глубокие торфяники Скандинавии и севера России хранят колоссальные объемы углерода и могут вести себя иначе, что подчеркивает необходимость проведения аналогичных долгосрочных исследований в более широком спектре арктических ландшафтов.