Новый взгляд на изменение климата: как нехватка воды влияет на азотный цикл в лесах

Ранее ученые предсказывали, что повышение температуры ускорит потерю газообразного азота в лесах, лишая почвы питательных веществ, жизненно важных для роста деревьев, что может привести к загрязнению атмосферы. Однако новые многолетние исследования показывают другую картину. Потепление температуры не контролирует эти реакции, как ожидалось. Напротив, нехватка воды, сезонные циклы замораживания-оттаивания и смещение микробных групп оказывают гораздо большее влияние.

Ученые в Уэльсе и других странах проводят эксперименты, которые показывают, что только тепло не играет ключевую роль в этих процессах. Влажность почвы и изменения в микробных группах имеют гораздо большее значение, чем температура. Изменения в экосистемах при потеплении могут быть сложными и неожиданными, о чем свидетельствует множество исследований.

Потепление снижает влажность почвы

В одном эксперименте температура почвы была повышена на два градуса по Цельсию, что имитировало условия середины века. Однако, по мере того как температура повышалась, содержание воды в почвах снижалось, что оказало значительное влияние на микробные процессы, такие как минерализация и нитрификация. Снижение влажности привело к тому, что микробные метаболические процессы, которые обычно ускоряются в теплых условиях, стали замедляться.

Потеря влаги значительно ограничила поставки аммония, который необходим для нитрифицирующих микробов. Это также снизило выбросы оксида азота и закиси азота. Исследования показали, что уменьшение влаги в почве влияет на динамику денитрификации — процесса, который был ранее стимулирован замораживанием-оттаиванием.

"Эти результаты показывают, что изменение влажности в почве имеет гораздо более сильное влияние, чем повышение температуры", — утверждает Пит Хомяк, доцент UCR по экологическим наукам.

Региональные паттерны выделяются

Исследования, проведенные в различных регионах, подтвердили, что эффект от потепления сильно зависит от климатических условий. В регионах, где осадки составляют менее одного метра в год, потепление вызывает сокращение влажности почвы, что, в свою очередь, снижает выбросы азотных газов. Напротив, в более влажных регионах выбросы увеличиваются.

Кроме того, анализ микробных сообществ показал, что потепление может влиять на состав микробиома, где количество окисляющих аммиак архей увеличивалось, а окисляющих аммиак бактерий — уменьшалось. Это также указывает на сдвиги в микробных гильдиях, которые участвуют в нитрификации, что влияет на круговорот азота.

Большое влияние на здоровье лесов

Снижение влажности, аналогичное тому, что было в эксперименте, уже наблюдается во многих регионах с умеренным климатом. Такие изменения могут сильно повлиять на активность ферментов, диффузию субстрата и доступность кислорода, что в свою очередь изменяет производство азотных газов в почвах.

Это, в свою очередь, может повлиять на поглощение углерода лесами, поскольку леса зависят от устойчивого оборота питательных веществ. Более сухие почвы ограничивают доступ деревьев к питательным веществам, даже если азот остаётся в почве.

"Мы беспокоимся, что потепление будет влиять на азотный цикл, и хватит ли лесам питательных веществ, чтобы продолжать поглощать углерод", — заявляет Кай Хуан, ведущий автор исследования.

Несмотря на снижение потери азота в атмосфере на участках с повышенной температурой, наблюдения показывают, что рост деревьев не ускорился, а наоборот, более сухие почвы ограничивают рост.

Улучшение климатических перспектив

Результаты исследования подтверждают формирующийся консенсус среди ученых: для точного прогнозирования климата необходимо учитывать влияние влажности почвы при потеплении. Снижение влажности влияет на многие экологические процессы, включая азотный цикл и поглощение углерода лесами. Долгосрочные исследования и климатические модели помогают более точно прогнозировать, как экосистемы будут реагировать на изменение климата.

Потепление влияет на круговорот азота, накопление углерода, энергетический баланс и местные климатические условия. Ранее многие модели предсказывали усиление микробного метаболизма в более жарких условиях, но результаты текущих исследований показывают, что недостаток влаги может переопределить эти прогнозы.

"Долгосрочные исследования помогают нам настроить климатические модели и понять, как леса будут реагировать на изменение климата", — говорит Пит Хомяк.

Сложные взаимодействия между температурой, влажностью и микробной активностью в почвах требуют более глубокого подхода к изучению экосистем, чтобы точно спрогнозировать поведение лесов в условиях изменения климата.