Спустя 26 лет самый продолжительный в мире эксперимент по изучению того, как повышение температуры влияет на лесные почвы, выявил удивительную циклическую реакцию: потепление почвы стимулирует периоды обильного выброса углерода из почвы в атмосферу, чередующиеся с периодами отсутствия обнаруживаемые потери запасов углерода в почве. В целом результаты показывают, что в условиях потепления в мире между лесными почвами и климатической системой будет возникать самоусиливающаяся и, возможно, неконтролируемая углеродная обратная связь, что усугубит накопление углекислого газа в атмосфере, вызванное сжиганием ископаемого топлива, и ускорит глобальное потепление. Исследование, проведенное Джерри Мелилло, выдающимся ученым Морской биологической лаборатории (MBL), опубликовано в выпуске журнала Science от 6 октября.
Мелилло и его коллеги начали этот новаторский эксперимент в 1991 году в лиственном лесу в Гарвардском лесу в Массачусетсе. Они закопали электрические кабели на нескольких участках и нагрели почву на 5°С выше температуры окружающей среды на контрольных участках. В ходе 26-летнего эксперимента (который продолжается до сих пор) прогретые участки потеряли 17% углерода, хранившегося в органическом веществе в верхних 60 сантиметрах почвы.
«Для сравнения, - говорит Мелилло, - каждый год, в основном в результате сжигания ископаемого топлива, мы выбрасываем в атмосферу около 10 миллиардов метрических тонн углерода. Именно это вызывает увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере. и глобальное потепление. Почвы в мире содержат около 3500 миллиардов метрических тонн углерода. Если значительное количество этого почвенного углерода будет добавлено в атмосферу из-за микробной активности в более теплых почвах, это ускорит процесс глобального потепления. И как только эта самоподкрепляющая обратная связь начинается, нет простого способа отключить ее. Нет переключателя для флипа."
В ходе эксперимента команда Мелилло наблюдала колебания скорости выделения почвенного углерода на участках с подогревом, что указывает на цикличность способности почвенных микробов разлагать органическое вещество и выделять углерод. Фаза I (с 1991 по 2000 год) была периодом значительной потери почвенного углерода, которая сначала была быстрой, а затем замедлилась почти до нуля. На этапе II (2001-2007 гг.) разницы в выбросах углерода между прогретыми и контрольными участками не было. В это время в почвенном микробном сообществе на прогреваемых участках происходила реорганизация, которая привела к изменению структуры и функции сообщества. На этапе III (2008-2013 гг.) выбросы углерода с отапливаемых площадок снова превысили выбросы с контрольных площадок. Это совпало с продолжающимся сдвигом в микробном сообществе почвы. Как показали анализы геномных и внеклеточных ферментов, микробы, способные разлагать более неподатливые органические вещества почвы, такие как лигнин, стали более доминирующими. На этапе IV (с 2014 г. по настоящее время) выбросы углерода с отапливаемых участков снова снизились, что позволяет предположить, что может происходить еще одна реорганизация микробного сообщества почвы. Если циклическая картина сохранится, Фаза IV в конечном итоге перейдет к другой фазе более высоких потерь углерода на нагретых участках.
«Эта работа подчеркивает ценность долгосрочных экологических исследований, которые являются отличительной чертой исследований в Центре экосистем MBL», - говорит Дэвид Марк Уэлч, директор по исследованиям MBL. «Эти крупные полевые исследования в сочетании с моделированием и все более глубоким пониманием роли микробных сообществ в динамике экосистем дают новое представление о проблемах, связанных с изменением климата».
«Будущее - более теплое будущее. Насколько теплее вопрос, - говорит Мелилло. «Что касается выбросов углерода от ископаемого топлива, мы могли бы это контролировать. Например, мы могли бы закрыть угольные электростанции. Но если микробы во всех ландшафтах реагируют на потепление так же, как мы наблюдали в лесных почвах средних широт, это самоусиливающееся явление обратной связи будет продолжаться какое-то время, и мы не сможем превратить этих микробов в выключенный. Особую озабоченность вызывает большое количество легко разлагающегося углерода, замороженного в арктических почвах. Когда эти почвы оттают, это явление обратной связи станет важным компонентом климатической системы, а изменение климата подпитает себя потеплением в мире».