Гранулометрический состав почв назначили ответственным за водный стресс растений

На фоне изменения климата экосистемы на песчаных почвах столкнутся с деградацией из-за иссушения почв, а экосистемы на глинистых почвах снизят первичную продуктивность из-за раннего закрытия устьиц на листьях. Наиболее опасными для растительного покрова будут засухи на юго-западе США и в южной части Амазонского бассейна. К таким выводам пришли ученые, которые впервые подтвердили, что гранулометрический состав почв играет решающую роль в поступлении воды в растения. Результаты исследования опубликованы в Nature.

Изменение климата приводит к повсеместному изменению режима выпадения осадков, что в некоторых регионах становится причиной увеличения дефицита давления водяного пара и частоты засух. Наряду с дефицитом давления водяного пара в воздухе важнейшим фактором водного стресса растений является низкая влажность почвы. Ее высыхание ниже критического порога влажности ограничивает поступление воды в растения из-за снижения гидравлической проводимости, что заставляет устьица на листьях закрываться и снижать транспирацию. Это, в свою очередь, уменьшает валовую первичную продукцию и испарительное охлаждение, то есть образует положительную обратную связь с потеплением климата. Эти процессы хорошо изучены на уровне отдельных растений и взяты под контроль, к примеру, в сельском хозяйстве, но в масштабе природных экосистем их связь с почвенными (а не атмосферными) условиями все еще вызывает много вопросов.

Ученые под руководством Фабиана Ванкмюллера (Fabian Wankmüller) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха предположили, что в системе подачи воды из почвы в растения критический элемент гидравлической проводимости — не физиологические свойства растения (то есть сопротивление в корнях, стеблях и листьях), а потенциал почвенной влаги, который определяется гранулометрическим составом почвы. Гранулометрический состав почвы, или ее текстура — это соотношение частиц разного размера. Частицы диаметром крупнее 0,01 миллиметра относятся к физическому песку, а менее 0,01 миллиметра — к физической глине. В зависимости от количества частиц из разных фракций почвы могут быть песчаными, суглинистыми или глинистыми.

Авторы собрали полевые данные вихревой ковариации об испарении и потоках сока внутри растений из баз данных ICOS, FLUXNET, SAPFLUXNET, а после создали гидравлическую модель. С ее помощью ученые рассчитали критический порог влажности почв мира. Гипотеза подтвердилась: чем больше физического песка содержала почва, тем ниже был ее критический порог влажности. У песчаных почв он был меньше 0,1, а у глинистых — больше 0,2. В экосистемах на песчаных почвах ограничивающим фактором для поступления воды в растения оказалась гидравлическая проводимость почв, то есть по сути их гранулометрический состав. В экосистемах на глинистых почвах более важную роль играет гидравлическая проводимость растений.

Иссушение почвы оказалось более опасным для экосистем на песчаных почвах, а дефицит давления водяного пара — для экосистем на глинистых. В будущем на фоне продолжающегося изменения климата автор прогнозируют повышенную уязвимость к засухам в регионах с песчаными почвами — например, на юго-западе США и в южной части Амазонского бассейна. При этом в регионах с влажным климатом и глинистыми почвами (северная часть Евразии и северо-запад США) заметно снизится продуктивность растений из-за раннего закрытия устьиц, что скажется на способности растительного покрова депонировать углерод и охлаждать атмосферу.

Продуктивность растений снижает не только дефицит почвенной и атмосферной влаги, но и непосредственно потепление. Так, за последние 20 лет чистая продуктивность лесов Индии снизилась на шесть процентов, несмотря на то что площадь листьев за это же время увеличилась на 18,5 процента: потепление привело к угнетению процесса фотосинтеза и увеличению затрат растений на дыхание.