Революция в почвоведските науки увеличава възможностите за борба с изменението на климата…
Всички сме свидетели на климатичните промени и, независимо дали се замисляме или не за това какви са причините, усещаме в костите и дробовете си високите температури, безснежните зими, атмосферната влажност и замърсяване, които неминуемо са взаимосвързани.
И отново в тази връзка се появява една теория – че почвата има силата да поправи или поне забави събитията, но дали е така? Една хилядолетна теория отива в коша и въпреки това именно онова под краката ни играе ключова роля във всяко едно отношение, що се отнася до улавяне на въглерода от въздуха.
Една супена лъжица почва съдържа повече микроорганизми, гъби, насекоми и други твари, отколкото има хора по Земята. Същите тези гладни организми могат да превърнат почвата в склад или пък обратно – да не позволят на въглеродния диоксид да се задържи в нея. И тук се намесва теорията, че почвата може да ни спаси. Но дали?
Човечеството бълва химичното вещество в атмосферата по всевъзможни начини и единствените способни да го уловят, употребят и преработят, „чистачите“ на въздуха с други думи, са растенията. Техните механизми да го „пакетират“ и „транспортират“ на склад в земята датират откакто свят светува.
Тази надежда подхранва все по-амбициозните планове за смекчаване или поне забавяне изменението на климата. В тази връзка изследователи от Института в Солк възлагат големи надежди на биоинжинерни растения, чиито корени са способни да образуват огромни количества коркоподобно вещество, богато на въглерод, наречено суберин. Дори след като растенията загинат, въглеродът в суберина ще остане заключен и заровен под почвата в продължение на векове. И за пореден път растенията се оказват най-ярката звезда в тъмното небе на климатичните промени.
Крайъгълен камък в почвоведските науки е именно едно такова богато на въглерод, сравнително стабилно вещество, хумусът. Кой не е чувал за него? Е, плановете на учените и техните разработки са пряко свързани и с хумуса. Защо? Защото животът и развитието на растенията са неразривно свързани с него. Всички молекули в състава на хумуса играят ключова роля в земеделските практики, а сложните климатични модели на учените са изградени от части върху тях.
Но през последните около 10 години почвознанието е претърпяло тиха революция, подобна на това, което би се случило, ако във физиката се отхвърли относителността или квантовата механика. С изключение на този случай, почти никой не е чувал за това, включително много, които се надяват почвите да спасят климата.
Ново поколение проучвания на почвата, осъществени със съвременни микроскопи и образни технологии, разкриха, че каквото и да е хумусът, той не е дълготрайното вещество, за което учените го смятаха. Изводът е, че дори най-големите и сложни молекули могат бързо да бъдат погълнати от безбройните и ненаситни микроорганизми. Магическата молекула, която играе ролята на лепило за частиците, за която се смята, че е основна съставка в диетата на растенията, не може просто да бъде инкорпорирана, а и да бъде, не можем да очакваме да останете там, където сме я поставили, тя може и да не съществува, да промени формата си или да „избяга“ с вятъра и водата.
В старите учебници по почвознание, а и в новите, теорията за почвата и нейните свойства вече доказано е грешна. Това твърди Грег Санфорд, почвовед от Университета в Уисконсин.
Последствията далеч надхвърлят стратегиите за улавяне на въглерод. Основните климатични модели, като тези, създадени от Междуправителствената комисия по изменението на климата, се основават на това остаряло разбиране за почвата. Няколко скорошни проучвания показват, че тези модели подценяват общото количество въглерод, което ще се отдели от почвата в затоплящ се климат. В допълнение, компютърните модели, които предвиждат въздействието на парниковите газове от земеделските практики – прогнози, които се използват на въглеродните пазари – вероятно са прекалено оптимистични относно способността на почвата да улавя и задържа въглерода.
Все още е възможно да се съхранява въглерод под земята в дългосрочен план. Действително, радиоактивните датировки показват, че известно количество въглерод може да остане в почвата в продължение на векове. Но докато учените не изградят нова парадигма, която да замени старата – процес, който сега тече – никой няма да разбере напълно защо.
СМЪРТТА НА ХУМУСА
Почвата не се отказва лесно от тайните си. Съставките ѝ са малки, разнообразни и безобразно многобройни. Да започнем от това, че тя се състои от минерали, разлагаща се органична материя, въздух, вода и изключително сложни екосистеми от микроорганизми. Всички те взаимодействат с всяко едно коренче и власинка на растенията, влияят им, помагат им или пък им пречат.
Германският биолог Франц Карл Ахард е ранен пионер в осмислянето на този хаос. В основно проучване от 1786 г. той използва алкали, за да извлече молекули, изградени от дълги въглеродни вериги, от торфени почви. През вековете учените вярват, че такива дълги вериги, наречени колективно хумус, представляват голям „басейн“ или резервоар от почвен въглерод, който е устойчив на разлагане и просто се съхранява там. Смята се, че доста по-малка фракция, състояща се от по-къси молекули, захранва микроорганизмите, които вдишват или издишват въглероден диоксид в атмосферата.
Тази гледна точка понякога се оспорва, но до средата на 20-ти век хумусната парадигма е „единствената и основна теория“. Земеделските производители вече са инструктирани да приемат практики, които уж трябва да създадат хумус. Всъщност съществуването му най-вероятно е един от малкото факти за почвознанието, които много не-учени биха могли да рецитират.
Това, което оказва влияние и съответно променя представата на учените относно хумуса и почвената наука, е физиката. През втората половина на 20-ти век мощни нови микроскопи и техники като ядрено-магнитен резонанс и рентгенова спектроскопия позволиха на учените за пръв път да надникнат директно в почвата и да видят какво има там, вместо първо да я разбият на съставни части, да извлекат веществата и частиците от нея и чак след това да ги изучат и разгадаят по отделно.
Това, което са открили (или по-точно това, което не са), е шокиращо: малко или никакви дълги „неразрушими“ въглеродни молекули – такива, които не се разграждат. Почти всички били малки и по дефиниция лесно смилаеми. А микроорганизмите ще се научат да разграждат всичко, дори наистина отвратителни химикали.
Проучвания, които използват усъвършенствана микроскопия и спектроскопия, са сред първите, които разкриват липсата на хумус. Точно те се превърнали в главен разобличител на концепцията за почвата. Наличните доказателства не подкрепят образуването на големи молекулни размери и устойчиви хумусни вещества в почвите.
През последното десетилетие, повечето почвоведи приемат тази гледна точка. Да, почвата е изключително разнообразна. И съдържа много въглерод. Но няма такъв в нея, който по принцип да не може да се разгради от микроорганизми и да се освободи в атмосферата. Последното издание на „Природата и свойствата на почвите“, публикувано през 2016 г., цитира доклада на Lehmann за 2015 г. и признава, че „нашето разбиране за природата и генезиса на почвения хумус е напреднало значително от началото на века, а това изисква някои отдавна приети концепции да бъдат преразгледани или изоставени. „
Старите идеи обаче могат да бъдат много непоколебими. Малцина извън областта на почвознанието са чували за смъртта на хумуса.
ПОГРЕБАНИ ОБЕЩАНИЯ
В същото време, когато почвоведите започват да преоткриват какво точно представлява почвата, климатолозите разкриват, че увеличаващите се количества въглероден диоксид в атмосферата бързо затоплят климата с потенциално катастрофални последици.
Идеите скоро се насочват към използването ѝ като гигантска „касичка“ от въглерод. Тя го съдържа в себе си в огромни количества – в нея има повече въглерод, отколкото в земната атмосфера и цялата й растителност, взети заедно. И докато някои практики като оранта могат да раздвижат този въглерод, земеделието през човешката история е освободило приблизително 133 милиарда метрични тона въглерод в атмосферата. Но почвите също могат да поемат въглерод при процеса на отмиране и разлагане на растенията.
Учените предполагат, че може да успеят да вкарат големи количества атмосферен въглерод обратно в почвата, за да се намали или дори да се обърнат щетите от изменението на климата.
На практика обаче се оказва трудно. Една ранна идея за увеличаване на запасите от въглерод е засаждане на култури без обработване на почвата, но тя се проваля главоломно. Когато фермерите не орат, а вместо това директно сеят семена в земята, запасите от въглерод нарастват в горните слоеве на почвата, но изчезват от долните. Повечето експерти смятат, че практиката преразпределя въглерода в почвата, вместо да го увеличава, въпреки че може да подобри други фактори като качеството на водата и здравето на почвата.
Усилията се насочват към „впрягане“ на растения да извършват нещо като поглъщане и отлагане на въглерод в почвата. Това е по-директна намеса, която по същество внася много въглерод.
Инициативата възниква, когато екип от учени от Института Солк излизат с идеята за създаване на растения, чиито корени произвеждат големи количества молекули, богати на въглерод. Според техните изчисления, ако се отглеждат широко, такива растения могат да отнемат до 20% от излишния въглероден диоксид, който хората добавят към атмосферата всяка година.
Тук идва сюблимния момент за въпросния суберин. Той се произвежда от корените на много растения. Изследвания от 90 -те години загатват, че суберинът и подобни на него молекули могат да устоят на разлагането, разграждането и консумирането на въглерода в почвата от микроорганизмите.
С отличен маркетинг „Инициативата за използване на растения срещу климатичните промени“ привлича внимание. Първоначалното набиране на средства през 2019 г. донася над 35 милиона долара. Мултимилиардерът Джеф Безос внася 30 милиона долара от своя „Earth Fund“.
И понеже проектът набира скорост, той привлича опозиция. Една група изследователи отбелязва през 2016 г., че никой всъщност не е наблюдавал процеса на разграждане на суберина. Когато тези автори правят съответния експеримент, установяват, че голяма част от него се разпада бързо. Всъщност, суберинът, както всяко съединение, съдържащо въглерод, трябва да се разгради в почвата. В същото време предположението, че можем да създадем по-неразградими корени, може да не е валидно.
Има ли наистина магически неразрушими растителни съединения? Не, литературата предполага, че суберинът ще се разгражда, както всеки друг компонент от органични растения. Няма неразградима биомолекула, но учените все още са големи оптимисти, когато става въпрос за суберин.“
Едновременно се прокрадва и втора идея, която прилагат успоредно с подобряването на суберина. А именно да проектират растения с по-дълбокопроникващи корени, които биха могли да отлагат въглерод по-дълбоко в почвата. Независими експерти са съгласни, че въглеродът се задържа по-дълго в по-дълбоките почвени слоеве, поставяйки това решение на потенциално по-твърда концептуална основа.
Анализите дали и как почвените проби, съдържащи богати на суберин корени на растения, се променят при различни условия на околната среда продължават. Но дори и тези проучвания не могат да отговорят на въпроса колко дълго той се задържа, а това е важно, ако целта е да се задържи въглеродът извън атмосферата достатъчно дълго, за да се спре глобалното затопляне.
Освен този към проект, инерция и пари се насочват към други климатични проекти, които проучват дългосрочно улавяне и съхранение на въглерода в почвите. В реч пред Конгреса например президентът Байдън предлага на фермерите да плащат за засаждане на покривни култури, които да се отглеждат не за прибиране на реколта, а за подхранване на почвата между насажденията с основни касови култури. Данните сочат, че когато корените на покривните култури се разградят, част от въглерода им остава в почвата – въпреки че както при суберина, колко дълго трае, е въпрос без отговор.
ГРЕШКИ В СМЕТКИТЕ
Неустойчивият въглерод реално може да изкриви прогнозата за климата
През 60-те години учените започват да пишат големи, сложни компютърни програми, за да предскажат бъдещето на глобалния климат. Тъй като почвата едновременно поема и отделя въглероден диоксид, климатичните модели се опитват да вземат предвид взаимодействието на почвата с атмосферата. А глобалният климат е неимоверно сложен. Що се отнася до почвата, учените правят голямата грешка да игнорират изцяло микроорганизмите в нея. Вместо това основно разделят въглерода на краткосрочни и дългосрочни съединения и молекули, в съответствие с хумусната парадигма.
По-новите модели, включително тези, които Междуправителствената група по изменението на климата използва за своите широко четени доклади, са по същество отворени за допълване, изградени върху по-ранни модели. Те все още приемат, че въглеродът в почвата съществува в дългосрочни и краткосрочни форми. В резултат на това тези модели може да надценяват колко въглерод ще се задържи в почвите и да подценяват колко въглероден диоксид ще отделят.
Проучване, публикувано в Nature, изследва колко въглероден диоксид се отделя, когато затоплят почвата изкуствено в панамска тропическа гора, за да имитират дългосрочните последици от изменението на климата. Те открили, че топлата почва отделя 55% повече въглерод от близките неотопляеми зони – много по-голямо количество от предвиденото от повечето климатични модели. Изследователите смятат, че микроорганизмите стават по-активни при по-високи температури, което води до увеличаване и на отделения въглерод.
Проучването е особено обезсърчаващо, тъй като по-голямата част от въглерода в почвения свят се съдържа в почвите в тропиците и северната бореална зона. Въпреки това водещите почвени модели са калибрирани спрямо резултатите от почвени проучвания в умерени страни като САЩ и Европа, където повечето проучвания са били правени исторически.
Дори моделите с умерен климат се нуждаят от подобрение. Противно на прогнозите дълбоките почвени слоеве в калифорнийска гора отделят приблизително една трета от въглерода, когато се затоплят за пет години.
В крайна сметка, моделите трябва да представят почвата като нещо по-близко до това, което тя всъщност е: сложна, триизмерна среда, управлявана от свръх разнообразна общност от бактерии, гъби и други микроскопични същества. Дори и по-малки стъпки биха били добре дошли. Само добавянето на микроби от един клас би било голям напредък за повечето модели.
ПЛОДОРОДНА ПОЧВА
Ако хумусната парадигма е към своя край, възниква въпросът Какво ще я замени?
Един важен и отдавна пренебрегван фактор изглежда е триизмерната структура на почвената среда. Учените описват почвата като отделен свят, с еквивалент на континенти, океани и планински вериги. Тази сложна микрогеография определя къде могат да отидат някои микроорганизми като бактерии и почвени гъби и къде не могат; до каква храна могат да получат достъп и какво им е „забранено“.
Почвената микрофлора може да е само 10 микрона от голямата част от органична материя, която би могла да се разгради, но е от другата страна на куп минерали. Буквално сякаш е от другата страна на планетата.
Друга свързана и слабо разбрана съставка в новата почвена парадигма е съдбата на въглерода в нея. Изследователите сега смятат, че почти всички органични материали, които влизат в почвата, ще бъдат усвоени от микроби като разхлабена съвкупност от растителна материя в различна степен на разграждане. След това някои ще бъдат освободени в атмосферата като въглероден диоксид. Това, което остава, може да се изяде от друг микроб – и трети, и така нататък. Или може да се свърже с малко глина или да се улови в почвен агрегат: порест куп частици, които от гледна точка на микробите могат да бъдат големи като град и непроницаеми като крепост. Изследванията на въглеродните изотопи показват, че много въглерод може да се задържи в почвата векове или дори по -дълго. Ако хумусът не прави стабилизиране, може би минералите и инертните материали го могат.
Преди почвознанието да се спре на нова теория, несъмнено ще има още изненади. В университета в Принстън са конструирали опростена изкуствена почва с помощта на микрофлуидни устройства – по същество, малки пластмасови канали за придвижване около парченца течност и клетки. Изследователите установяват, че въглеродът, който те поставят в агрегат, направен от парчета глина, е защитен от бактерии. Но когато добавят храносмилателен ензим, въглеродът се освобождава от агрегата и бързо бива погълнат. И никой не е установил тази връзка между ензими, бактерии и уловен въглерод. Старата дихотомия на стабилен и нестабилен въглерод с „модел на почвен континуум“ на въглерод в прогресивни етапи на разлагане трябва да бъде заменена. Но този модел и други като него далеч не са завършени и в този момент са по-скоро концептуални, отколкото математически предсказуеми.
Изследователите са съгласни, че науката за почвата е в средата на класическа промяна на парадигмата. Това, което никой не знае, е къде точно ще се приземи топката в полето – какво ще бъде написано в следващото издание на учебника. „Преминаваме през концептуална революция“, казва Марк Брадфорд, почвовед от университета в Йейл. „Все още нямаме нова катедрала. Имаме цял куп църкви, които се появиха. „
