Компьютерная томография показала, что почвенный углерод хранится главным образом в сети из пор

Почва — динамичная и сложная смесь, объединяющая минеральные компоненты, живые организмы и продукты их обмена веществ. Для почвы характерны особые закономерности развития, она играет огромную роль в жизни биосферы Земли и изменениях климата нашей планеты. К сожалению, значением почв для глобального потепления часто пренебрегают.

А ведь почва — это еще колоссальный резервуар углерода, во-первых, химического элемента, который лежит в основе всего живого, а во-вторых, компонента парникового газа — углекислоты. Тонкий, лишь изредка достигающий мощности в один-два метра почвенный покров хранит в себе больше углерода, чем вся растительность биосферы.

Если рассматривать долговременные изменения газообмена с участием почвы, то поведение этого хранилища углерода окажется довольно сложным. На него влияет, с одной стороны, количество поступающего в почву углерода из атмосферы, которое связано с ростом корней, различными процессами перемешивания (включая распашку и деятельность червей), просачивание органических растворов и так далее.

С другой стороны, баланс углерода зависит от стабилизации или разложения органики почвенными бактериями и грибами. Преобладание процессов запасания соединений углерода либо, напротив, их разрушения зависит главным образом от тонкой структуры почвы. А та, в свою очередь, определяется размером пор, которые образуют множество связанных каналов с огромной суммарной площадью поверхности. Именно благодаря этим «запутанным коридорам» по почве перемещаются воздух, вода и растворенные в ней питательные вещества.

Тонкая структура трех типов почв, рассмотренных в работе. Желтым показаны поры / © Steffen Schlüter et al.

«Запасенный в растительных остатках и гумусе углерод не может быть использован, если бактерии или грибные гифы окажутся по размеру больше, чем почвенные поры, в которых он хранится», — утверждает доктор Стеффен Шлютер (Steffen Schlüter), почвенный физик из Центра экологических исследований имени Гельмгольца (Германия). Именно он возглавил коллектив авторов новой статьи в журнале Nature Communications.

Более того, если эти поры будут постоянно заполнены водой и, как следствие, лишены поступающего кислорода (например, в сохранившихся в природном виде торфяных почвах), то бактериям окажется сложно использовать имеющийся в них углерод.

«Один из решающих факторов, от которого зависит, где именно углерод будет храниться в почве, — пространственное распределение пор», — продолжает Шлютер.

До этого почвоведы не имели возможности напрямую исследовать распределение углерода в почвенных порах диаметром в миллиметры и микрометры. Однако Шлютер и его коллеги применили новую методологию.

Их подход основан на использовании специфического красителя — тетраоксида осмия, который позволяет проследить судьбу органических веществ в почве. Это соединение реагирует с двойными связями между атомами углерода, после чего его распределение визуализируют с помощью рентгеновской компьютерной томографии. Получая изображение до и после окрашивания тетраоксидом осмия, ученые напрямую узнают о распределении органики в образце почвы.

В качестве примера авторы работы опробовали свой новый метод на почвах различного рода. Среди них был чернозем с небольшим количеством годовых осадков, имеющая тонкую структуру лювисоль (содержит горизонт накопления активной глины) с сезонным заболачиванием, а также постоянно увлажненный глеезем.

Во всех случаях в непосредственной близости от пор (на расстоянии от 50 до 10 микрометров) углерода оказалось заметно меньше, чем в остальной части почвы: причина заключается в том, что даже на небольшом удалении от пор активность микроорганизмов заметно падает.