Игра температур и влаги: как азотный цикл в лесах становится загадочной шахматной доской природы

Недостаток влаги влияет на азотные процессы в почве сильнее, чем повышение температуры — Sciences

Учёные долгое время считали, что повышение температуры станет ключевым фактором, ускоряющим потерю азота в лесных экосистемах и ухудшающим условия для роста деревьев. Ожидалось, что нагревание приведёт к обеднению почв, ослаблению лесов и усилению выбросов газообразных соединений, влияющих на атмосферу. Однако новые данные полностью меняют представление о работе азотного цикла в условиях изменения климата. Об этом сообщает издание sciences.

Новые данные о влиянии температуры на азотный цикл

Длительные эксперименты показывают, что потепление само по себе не управляет реакциями в почвенной среде и не ускоряет потерю газообразного азота так, как считалось ранее. Как выяснилось, ключевую роль играют не температура как таковая, а сопутствующие изменения — недостаток влаги, частые циклы замораживания и оттаивания, а также перестройка микробных сообществ. Эти факторы оказывают куда более глубокое воздействие на естественные биохимические процессы, чем предполагалось в старых климатических моделях.

Учёные отмечают, что реакция почв на изменения климата складывается из множества взаимодействующих элементов. В ряде экспериментов выяснилось, что даже при повышении температуры микробные процессы могут замедляться, если почва теряет воду. Такой эффект стал одним из доказательств того, насколько сложным и многоуровневым является круговорот азота.

Исследовательские проекты в Уэльсе и других странах Европы показали, что влагосодержание почвы определяет динамику микробного метаболизма куда сильнее, чем нагрев. Эти выводы подчёркивают необходимость обновления климатических прогнозов с учётом физических и биологических особенностей конкретных экосистем.

Потепление снижает влажность почвы

Одним из ключевых экспериментов стало повышение температуры почвы на два градуса, что моделировало условия середины XXI века. Вместо ускорения процессов, как ожидалось, учёные наблюдали снижение содержания влаги, которое резко меняло работу микробных систем. В результате минерализация и нитрификация происходили медленнее, несмотря на более тёплые условия.

Уменьшение влаги существенно повлияло на доступность аммония — основного ресурса для нитрифицирующих микроорганизмов. В результате падали показатели выбросов оксида азота и закиси азота — процессов, ранее считавшихся неизбежно усиливающимися при потеплении.

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

Также наблюдалось влияние на денитрификацию — процесс, чувствительный к сочетанию температуры, влажности и структуры почвы. В условиях дефицита воды даже повышенный фон температуры не приводил к ожидаемому ускорению реакций.

Региональные различия и микробные сдвиги

Исследования в разных климатических зонах подтверждают, что эффект потепления зависит от уровня осадков. В регионах, где годовой объём осадков не превышает одного метра, повышение температуры приводило к заметному иссушению почвы и снижению выбросов азотных газов. В более влажных экосистемах картина была противоположной — избыток воды и тепло усиливали активность микроорганизмов.

Изменения в микробных сообществах оказались не менее значимыми. В ряде экспериментов количество окисляющих аммиак архей увеличивалось, тогда как численность аналогичных по функциям бактерий снижалась. Эти перестройки отражают адаптацию микробиома к новым условиям и меняют темпы нитрификации, напрямую влияя на круговорот азота в лесах.

Такой сдвиг может влиять и на доступность питательных веществ для растений, а также на устойчивость лесных экосистем к засухам и другим климатическим стрессам.

Последствия для состояния лесов

Снижение влажности почвы становится особенно заметным в регионах умеренного климата, где участки уже испытывают сезонные периоды дефицита воды. Меньшее количество влаги ограничивает активность ферментов и замедляет поступление питательных веществ в корневые системы деревьев. Это, в свою очередь, влияет на поглощение углекислого газа лесами и их способность выполнять роль природного климатического регулятора.

Даже при снижении выбросов азотных газов учёные отмечают отсутствие ускорения роста деревьев на участках с повышенной температурой. Напротив, недостаток влаги ограничивает развитие корневых систем и мешает лесам восполнять ресурсы.

"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.

Полученные данные указывают на то, что экосистемы реагируют на изменения температуры через сложную сеть взаимосвязанных процессов, а не через одну переменную.

Улучшение климатических прогнозов

Современные исследования показывают, что учёт влажности почвы необходим для точного моделирования климата. Потепление влияет не только на азотный цикл, но и на перераспределение углерода, локальные климатические паттерны и энергетический баланс экосистем. Старые модели предполагают ускорение микробного метаболизма в более тёплой среде, но новые данные демонстрируют, что дефицит влаги способен полностью изменить поведение почвенных систем.

Долгосрочные эксперименты становятся ключом к уточнению прогнозов и пониманию того, как леса будут реагировать на глобальное изменение климата.

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

Эти выводы подчёркивают необходимость комплексного подхода, учитывающего взаимодействие температуры, влажности и микробиологических процессов.

Сравнение: что сильнее влияет на азотный цикл — тепло или влажность

Наблюдения показывают, что:

Повышение температуры может ускорять часть микробных реакций, но эффект проявляется только при достаточной влажности.
Дефицит воды подавляет метаболизм микроорганизмов даже при нагреве.
Сдвиг микробных сообществ усиливается именно при изменении водного режима.

Такое сравнение помогает понять, что одних данных о температуре недостаточно — необходим комплексный анализ состояния экосистемы.

Плюсы и минусы влияния потепления на лесные экосистемы

Потепление приносит как положительные, так и ограничивающие эффекты.

Плюсы:
• снижение выбросов азотных газов в засушливых регионах;
• замедление потерь азота при дефиците влаги;
• возможность точнее прогнозировать реакции почв при обновлении климатических моделей.

Минусы:
• снижение влажности почвы ограничивает рост деревьев;
• ухудшается круговорот питательных веществ;
• возрастает риск утраты функции лесов как углеродных поглотителей.

Баланс последствий зависит от региональных условий и способности экосистем адаптироваться к новым климатическим реалиям.

Советы шаг за шагом по анализу влияния климата на экосистемы

Оценивать не только температуру, но и динамику влажности.
Изучать структуру микробных сообществ перед построением моделей.
Сравнивать данные разных регионов для выявления закономерностей.
Учитывать долгосрочные эксперименты как основу для прогнозов.
Анализировать взаимодействия между температурами, водным режимом и биохимическими реакциями.