Почвы в Арктике и субарктических регионах содержат значительную долю углерода Земли. Однако повышение температуры может привести к истощению этих почв по азоту — ключевому питательному веществу. Потеря азота может снизить рост растений, ограничив способность почв накапливать углерод и усиливая глобальное потепление, согласно новому исследованию.
Почвы высоких широт содержат огромное количество углерода
Почвы высоких широт содержат огромное количество углерода, потому что низкие температуры замедляют активность микробов. Хотя растения производят органическое вещество посредством фотосинтеза, микроорганизмы не могут потреблять его достаточно быстро, что приводит к его накоплению с течением времени.
Учёные давно опасались, что потепление в Арктике ускорит активность микробов, высвобождая накопленный углерод в атмосферу в виде углекислого газа (CO₂). Но они также надеялись, что повышение температуры будет стимулировать рост растений, которые будут поглощать часть углерода и частично компенсировать эти выбросы.
Новое исследование показывает, что последний сценарий весьма маловероятен, поскольку потепление приводит к потере азота в почвах, что может тормозить рост растений.
«Мы не ожидали увидеть потерю азота», — сказала Сара Мараньон, учёный-почвовед из Центра экологических исследований и лесохозяйственных приложений в Испании и первый автор исследования. «Механизмы сохранения азота в почве разрушаются».
Результаты исследования
Результаты получены в ходе десятилетнего эксперимента на субарктическом лугу недалеко от Хверагерди, Исландия. В 2008 году мощное землетрясение изменило потоки геотермальной воды в регионе, превратив ранее обычные участки почвы в естественно нагретые зоны с температурными градиентами от 0,5 °C до 40 °C выше предыдущих уровней.
Используя стабильные изотопы азота-15 для отслеживания потоков питательных веществ в ландшафте, исследователи обнаружили, что на каждый градус Цельсия потепления почвы теряли от 1,7 % до 2,6 % своего азота. Наибольшие потери произошли зимой и ранней весной, когда микробы оставались активными, а растения находились в состоянии покоя.
В это время азотсодержащие соединения, такие как аммоний и нитрат, высвобождались в почву, но растения не могли их поглотить, и они терялись либо путём вымывания в грунтовые воды, либо путём попадания в атмосферу в виде закиси азота, парникового газа, почти в 300 раз более мощного, чем CO₂.
Результаты исследования опубликованы в журнале Global Change Biology.
«Мы не ожидали увидеть потерю азота», — сказала Сара Мараньон. «Механизмы сохранения азота в почве разрушаются».
Более скудная и быстрая экосистема
Исследователи также обнаружили, что потепление ослабляет те самые механизмы, которые помогают почвам сохранять азот. В более тёплых участках микробная биомасса и плотность тонких корней — ключевых для хранения азота — были намного ниже, чем в более прохладных участках.
Хотя микробы были менее многочисленны, их метаболизм был быстрее, выделяя больше CO₂ на единицу биомассы. Тем временем растения пытались адаптироваться, отставая как в росте, так и в поглощении питательных веществ.
«Микробиологические сообщества способны адаптироваться и достичь нового равновесия с более высокой скоростью активности», — сказала Мараньон. «Но растения не могут угнаться за ними».
Ухудшение состояния экосистемы
Усиленный метаболизм микробов первоначально приводит к большему потреблению азота и углерода, доступных в почве. Однако через 5–10 лет система, по-видимому, достигает нового равновесия с пониженным уровнем органического вещества и более низкой плодородностью.
Это изменение предполагает, что почвы, нагретые до более высоких температур, могут перейти в постоянно менее плодородное состояние, что затруднит восстановление растительности и приведёт к необратимой потере углерода.
Учёные традиционно считали, что по мере того, как органическое вещество разлагается быстрее в более тёплом климате, содержащийся в нём азот станет более доступным, что приведёт к повышению продуктивности, сказал Эрик Вербругген, почвовед из Университета Антверпена в Бельгии, который не участвовал в исследовании. «Это исследование показывает, что на самом деле этого не происходит».
Вместо этого азот вымывается из почвы весной, становясь недоступным для увеличения производства биомассы. «Это не самый оптимистичный вывод», — сказал Вербругген.
Недооценённый источник парниковых газов
Поскольку арктические регионы нагреваются быстрее, чем в среднем по миру, это нарушение цикла питательных веществ может вскоре стать более очевидным. Потеря азота и углерода из почв холодных регионов может представлять собой значительный и ранее недооценённый источник выбросов парниковых газов — тот, который текущие климатические модели ещё не полностью учитывают.
Исследователи периодически возвращались на тёплый луг недалеко от Хверагерди, Исландия, чтобы измерить содержание азота.
Исследователи планируют изучить ранние фазы потепления почвы, пересадив кусочки обычных почв в нагретые участки, а также изучить, как разные типы почв реагируют на тепло.
Мараньон отметила, что исландские почвы в исследовании имеют вулканическое происхождение и очень богаты минералами, в отличие от органических торфяных почв, распространённых в других арктических регионах.
«Арктические почвы также включают вечную мерзлоту в таких местах, как северная Россия и некоторые части Скандинавии, и они являются крупнейшими резервуарами углерода в почвах мира», — сказал Вербругген. Почвы, проанализированные в этом исследовании, с другой стороны, были почвами мелкотравных лугов. «Они не обязательно представляют все арктические почвы».
Тем не менее, Вербругген добавил, что результаты исследования подчёркивают хрупкий баланс между продуктивностью и потерей питательных веществ в этих системах.
«Обильные запасы углерода в почве делают её основным источником риска при неправильном управлении», — сказала Мараньон. «Но она также может стать потенциальным союзником и компенсировать выбросы CO₂».
— Хавьер Барбузано (@javibar.bsky.social), научный писатель.
Citation: Barbuzano, J. (2025), As the Arctic warms, soils lose key nutrients, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO250282. Published on 1 August 2025.
Text © 2025. The authors. CC BY-NC-ND 3.0.
Except where otherwise noted, images are subject to copyright. Any reuse without express permission from the copyright owner is prohibited.