Роль пресноводных озер в углеродном цикле

Пресноводные озера уже выбрасывают четверть глобального углерода, а изменение климата может удвоить этот показатель
Озера и пруды — последнее пристанище многих растений Земли. Реки собирают большую часть мертвого органического вещества на планете, транспортируя его в более спокойные воды.

Но в микроскопическом масштабе озера совсем не спокойные. Невидимый мегаполис микробов питается этими бревнами и листьями, выделяя в качестве побочного продукта парниковые газы.

В результате озера могут нести ответственность за выбросы до четверти всего углерода в атмосфере — и их количество растет. Новое исследование, проведенное с моими коллегами из Кембриджа, Германии и Канады, предполагает, что выбросы из пресноводных озер могут удвоиться в ближайшие десятилетия из-за изменения климата.

Вся известная жизнь на Земле состоит из углерода. Когда растения и животные достигают конца своей жизни, на пир приходят такие микроорганизмы, как бактерии и грибы. Они питаются углеродными остатками других организмов и продуктами их жизнедеятельности, известными как органическое вещество.
В качестве побочного продукта этого бесконечного праздника микробы выделяют в окружающую среду такие газы, как углекислый газ и метан. Хотя каждый отдельный микроб выделяет ничтожное количество газа, они являются самыми многочисленными организмами на Земле, поэтому складывается. Энергия солнечного света также может разрушать химические связи между молекулами органического вещества, высвобождая более мелкие молекулы, такие как углекислый газ, в окружающую среду.

Озера и земля не изолированные системы. Аарон Бёрден / Unsplash, CC BY-SA
Часть этой деградации происходит на лесной подстилке. Но большая часть органического вещества, которое падает на землю, попадает в воду. Ветры, дождь и снег переносят его в озера или, чаще, в реки, которые их питают.

Количество парниковых газов, выделяемых из озер микробами и солнечным светом, огромно. По первоначальным оценкам, около 9% чистого углерода, выбрасываемого с поверхности Земли в атмосферу, то есть количество, выбрасываемое сверх процессов накопления углерода на Земле.

Но благодаря улучшенным измерениям недавние исследования пересмотрели цифру до 25%. Эти цифры весьма значительны, учитывая, что эти озера составляют лишь около 4% поверхности суши в мире.

В ближайшие годы озера будут получать все больше и больше органического вещества для переваривания микробами. Потепление климата приведет к увеличению лесного покрова вокруг озер и увеличению доли широколиственных деревьев, таких как клены и дубы, по сравнению с хвойными, такими как сосны.

Углерод в тысяче форм
Чтобы понять, как изменения в лесах повлияют на роль озер в углеродном цикле, мы провели эксперимент на двух канадских озерах.

Мы наполнили пластиковые контейнеры камнями, песком, глиной и различными количествами и видами органических веществ из близлежащих лесов. Это было сделано для имитации изменений в лесном покрове и его составе, ожидаемых в результате изменения климата.

Затем мы погрузили контейнеры в мелкие воды озера, где наиболее вероятно скопление органических веществ, и наблюдали за ними в течение трех лет.

Используя новые методы анализа углеродно-химического состава воды, мы обнаружили, что эти контейнеры, имитирующие уровень роста лесов, ожидаемый в следующие несколько десятилетий, приводят к увеличению содержания парниковых газов в воде в 1,5–2,7 раза по сравнению с условиями, имитирующими сегодняшние условия леса.

Невидимое разнообразие органических соединений в воде было наиболее важным фактором, вызвавшим этот рост — даже более важным, чем разнообразие микробов и общее количество органических веществ.

Вероятное объяснение этого результата состоит в том, что одни и те же микробы могут питаться множеством различных типов молекул. По мере того как количество соединений на основе углерода в воде увеличивается, у микробов появляется больше способов кормить и выделять парниковые газы.

Рано или поздно они найдут дорогу к озеру. Аарон Бёрден / Unsplash, CC BY-SA
Одного увеличения разнообразия органических веществ было достаточно, чтобы повысить концентрацию парниковых газов примерно на 50%. Но размер этого эффекта почти удвоился в контейнерах с более темными вышележащими водами — сценарий, ожидаемый для большинства озер, поскольку изменение климата приводит к увеличению лесного покрова.

Точное отслеживание того, как углерод перемещается с суши в атмосферу, имеет жизненно важное значение для прогнозирования темпов изменения климата и смягчения его последствий. Благодаря лучшему пониманию того, как растительность вокруг озер контролирует концентрацию парниковых газов в воде, наше исследование может проинформировать, может ли изменение способа управления землей возле озер способствовать сокращению выбросов углерода.

Например, мы можем захотеть посадить меньше водных растений, таких как рогоз, в прибрежных районах, потому что они производят гораздо более высокие концентрации парниковых газов, чем органическое вещество из лесов.

Еще предстоит работа, чтобы полностью понять роль озер в углеродном цикле. Не все органические вещества, попадающие в озера, перевариваются микробами. Некоторые опускаются на дно озера, образуя илистый осадок, задерживая углерод. Количество образующихся отложений также увеличится с изменением климата, но мы еще не знаем, насколько — и в какой степени это увеличение накопленного углерода компенсирует увеличение выбросов парниковых газов из озер.

Ответ на этот вопрос будет иметь решающее значение для повышения точности углеродных счетов и оценки того, сколько времени у человечества есть на их балансировку.