Почвенный Экотрон – новая экосистема для исследования недр Земли

Глубинный почвенный Экотрон

Визуализация художником глубинного почвенного Экотрона. В Университете Айдахо будет размещено до 24-х экосистем, оснащенных самыми современными анализаторами для количественной оценки потока парниковых газов, химического состава почвенных вод, роста корней и почвенной микро- и мезофауны.

Всего на метр или два ниже, под верхним слоем почвы, который питает сельскохозяйственные культуры, находится малоизвестная часть экосистемы, которая может иметь решающее значение для будущего климата планеты. Но эту почву на удивление трудно изучать. Извлечение образцов без нарушения их структуры или содержания является сложной задачей. “Чем глубже вы погружаетесь, тем труднее становится”, – говорит Дэниел Рихтер, почвовед из Университета Дьюка.

В прошлом месяце Национальный научный фонд США объявил о финансировании нового исследовательского центра под названием Deep Soil Ecotron стоимостью 19 миллионов долларов, цель которого – облегчить изучение этого направления. Первоначальный проект лаборатории, которая будет построена в течение следующих 5 лет в Университете Айдахо, требует 24-х оснащенных всем необходимым колонн почвы, увенчанных герметичными камерами для выращивания растений. Эти лабораторные экосистемы позволят исследователям управлять условиями окружающей среды на глубине до 3 метров. Сюрпризы гарантированы. “Это похоже на то, как люди запустили первую глубоководную подводную лодку”, – говорит Закари Кейлер, соучредитель исследования (co-PI) и биогеохимик из Университета Айдахо. Возможности безграничны.

В конечном счете, исследователи надеются использовать экотрон для изучения широкого спектра тем, в том числе того, как глубокая почва может выделять углерод и ускорять изменение климата, как взаимодействуют почвенные микробы и растения, и как сильные летние дожди и сильные зимние морозы влияют на возникновение и развития почв. Центр также может служить полигоном для тестирования новых датчиков, которые показывают, что происходит в глубоком грунте в реальном мире. Разработчики надеются привлечь исследователей со всех концов Соединенных Штатов и провести сразу несколько экспериментов. “Этот объект обладает невероятно захватывающим потенциалом”, – говорит Шарон Биллингс, ученый-экосистемист из Университета Канзаса, Лоуренс.

Существует около дюжины экотронов, почти все в Европе. Но они позволяют исследователям работать только с одним или двумя почвенными условиями, обычно с осадками. Напротив, новая лаборатория в США позволит исследователям контролировать множество факторов по всей колонне, включая температуру, влажность и концентрацию углекислого газа, которые влияют на выветривание горных пород и формирование почвы. Они смогут имитировать подъем грунтовых вод и, возможно, даже циклы замерзания-оттаивания, которые могут ускорить развитие почвы.

“Экотрон также открывает двери для изучения глубоко обитающих форм жизни, включая беспозвоночных”, – говорит Нико Эйзенхауэр, эколог Немецкого центра интегративных исследований биоразнообразия, который консультирует экотрон в США. По его словам, мало что известно об активности этих организмов, но их скрытое поведение можно отследить с помощью новых экогрупп. Акустические датчики, например, могут отслеживать активность дождевых червей, в то время как сети почвенных зондов собирают и подсчитывают крошечных беспозвоночных.

Система мониторинга ЭДАФОЛОГ (EDAPHOLOG)

Архитектура системы мониторинга EDAPHOLOG. Зонды состоят из принимающей трубки и чувствительной части, передают данные на записывающее устройство, которое пересылает их на центральный сервер.

ЭДАФОЛОГ

Методика отбора проб аналогична методике, применяемой в обычных ловушках, но устройство ловит как почвенных обитателей, так и поверхностно-активных членистоногих. Организмы, попадающие в ловушку через фиолетовую сетчатую трубку (a), определяются детектором при падении и находятся в нижнем контейнере. Пластиковое сито вокруг шариков из коричневой глины предотвращает попадание частиц почвы в зонд. Небольшой горшок во внутренней трубе препятствует попаданию частиц почвы в поле чувствительности (b). Захваченные микроартроподы движутся горизонтально, а частицы почвы остаются на верхней пластине. Схематическое изображение оптоэлектронного датчика, который подсчитывает микроартропод и оценивает размер их тела (c).

Исследователи углерода почвы отмечают, что верхний слой почвы – обычно первые 30 сантиметров – хорошо изучен, потому что он имеет решающее значение для сельского хозяйства. Ученые предположили, что этот неглубокий слой, богатый корнями и микробами, содержит большую часть углерода почвы. Но несколько исследований более глубоких и обширных недр показывают, что они могут содержать по меньшей мере столько же углерода, причем часть его уходит корнями. “Это половина забытого органического углерода почвы”, – говорит почвенный биогеохимик Майкл Шмидт из Цюрихского университета.

Изучение того, как этот углерод реагирует на изменение климата, является ключевой задачей для Ecotron, которая может имитировать изменяющиеся условия с такой степенью контроля, какой я никогда раньше не видела, – говорит Эмма Аронсон, почвовед из Калифорнийского университета, Риверсайд. Ожидается, что глубокие почвы будут прогреваться по мере прогрева Земли, и полевые эксперименты показывают, что это может высвобождать углерод в атмосферу из почвы на 30-50% быстрее, чем сегодня, ускоряя глобальное потепление. Изменение количества осадков, вызванное изменением климата, также окажет влияние. Например, увлажнение пустынных почв, особенно тех, которые были загрязнены химически активным азотом, может привести к гораздо более высоким выбросам закиси азота, мощного парникового газа.

Айдахо – действительно отличное место для размещения лаборатории экотрона, потому что оно может похвастаться разнообразием почв, говорит руководитель проекта микробиолог Майкл Стрикленд из Университета Айдахо. Он и его коллеги все еще думают о том, сколько и каких типов грунта разместить в колоннах. “Учет динамики в различных типах почв будет иметь ключевое значение”, – говорит почвенный биогеохимик Асмерет Асефау Берге, который ожидает одобрения Сената на должность главы научного отдела Министерства энергетики.

Одной из задач будет извлечение и перемещение выбранных грунтов. Полевые бригады должны беспокоить их как можно меньше, говорит Рихтер, потому что их структура влияет на движение газов, воды и частиц. Стрикленд надеется, что новое оборудование компании, строящей завод, позволит извлекать длинные стержни в целости и сохранности. Но каким бы нежным ни было прикосновение, исследователи ожидают, что у образцы отчасти будут нецелостными и подвергнутся воздействию кислорода впервые за столетия или тысячелетия. По словам Пита Смита, почвоведа из Абердинского университета, могут потребоваться годы, чтобы извлеченная почва вернулась к равновесию.
Эрик Стокстад

Эрик Стокстад

Эрик – репортер журнала Science , освещающий вопросы окружающей среды.

Читайте также: