Положительное влияние разнообразия растений на дыхание почвы ослабевает с ростом продуктивности в глобальных лесах

Почему это важно для климата и лесов

Леса тихо «дышат» через свои почвы, выделяя углекислый газ по мере того, как корни и микроорганизмы разлагают органическое вещество. Это почвенное «дыхание», называемое дыханием почвы, является одним из крупнейших потоков углерода на Земле и сильно влияет на климат. Одновременно леса сталкиваются с быстрыми потерями видового разнообразия растений. В этом исследовании задают на первый взгляд простейший, но важный вопрос: увеличивает ли большое число видов растений в лесу интенсивность почвенного дыхания, и меняется ли этот эффект между разрежёнными, малоэффективными лесами и пышными, высокопродуктивными?

Жизнь в почве и скрытое дыхание леса

Дыхание почвы — это непрерывное выделение углекислого газа из грунта по мере роста корней и разложения микроорганизмами опавших листьев и древесины. В мировом масштабе этот поток уступает только фотосинтезу растений по величине, поэтому даже небольшие процентные изменения способны изменить соотношение углерода, остающегося в почвах, и возвращающегося в атмосферу. Многие мелкомасштабные эксперименты показали, что большее число видов растений, как правило, усиливает почвенную биоту и накопление органического вещества, что наводит на мысль, что биоразнообразие может увеличивать и дыхание почвы. Однако большинство таких экспериментов проводились в краткосрочной перспективе, на травянистых сообществах или с ограниченным набором видов, поэтому оставался открытым вопрос, как растительное разнообразие формирует дыхание почвы в лесах по всему миру и в разных климатах.

Создание глобальной картины из разрозненных измерений

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы собрали несколько крупных наборов данных и объединили их с современными методами машинного обучения. Они использовали более 6000 полевых измерений дыхания почвы, собранных по всему миру, и обучили модель глубокого обучения предсказывать помесячное дыхание почвы с высокой детализацией на основе климата, свойств почвы и характеристик растительности. Затем они наложили глобальные карты богатства видов деревьев и общего богатства сосудистых растений (включая деревья, кустарники и травы), а также спутниковую оценку продуктивности леса, известную как чистая первичная продукция. Контролируя температуру, осадки, свойства почвы и признаки растительности, исследователи смогли выделить вклад именно растительного разнообразия в вариацию дыхания почвы.

Разнообразие помогает в первую очередь там, где ресурсов мало

Глобальные анализы выявляют ясную, но нюансированную картину. В лесах с низкой и умеренной продуктивностью, там где рост ограничен холодом, засухой или нехваткой питательных веществ, большее число видов растений сильно связано с повышенным дыханием почвы. Разнообразные растительные сообщества там, по-видимому, более эффективно подпитывают почвенную систему за счёт сочетания различной глубины корней, корневых выделений и типов опада, которые поддерживают активные сообщества микроорганизмов. Но по мере роста продуктивности и увеличения биомассы польза от добавления новых видов уменьшается. В очень продуктивных лесах — например, в тёплых влажных регионах с густыми пологами — дополнительный эффект от разнообразия становится малым или может даже слегка отрицательным, когда контролируются влияние климата и свойств почвы.

Когда дополнительные виды уже мало что добавляют

Исследование предлагает несколько причин ослабления эффекта разнообразия в высокопродуктивных лесах. В условиях, где уже всё благоприятно, несколько доминирующих видов могут обеспечивать большие потоки органического вещества в почву, создавая высокий базовый уровень микробной активности и дыхания почвы. Дополнительные виды могут выполнять схожие функции, так что их присутствие даёт мало дополнительного эффекта — это явление известно как функциональная избыточность. Интенсивная конкуренция за свет и питательные вещества дополнительно способствует доминированию небольшого числа успешных видов, снижая значимость остальных для почвенных процессов. В таких условиях основными драйверами дыхания почвы становятся температура, влажность и другие абиотические факторы, и маргинальный вклад биоразнообразия уменьшается.

Что это значит для сохранения углерода и разнообразия

Для неспециалистов главная мысль такова: роль растительного разнообразия различается в зависимости от контекста. В лесах с низкой и средней продуктивностью каждый дополнительный вид может делать почвы более активными, способствуя круговороту питательных веществ и движению углерода. В самых продуктивных лесах простое увеличение числа видов, однако, вряд ли сильно изменит дыхание почвы, поскольку система уже работает близко к своей пропускной способности. Такая зависимость от контекста важна для климатической политики. Защита растительного разнообразия в менее продуктивных лесах особенно критична: потеря видов там может ослабить почвенные процессы, которые поддерживают долгосрочное хранение углерода и здоровье экосистем. Учёт реалистичных эффектов биоразнообразия в углеродных и климатических моделях улучшит наши прогнозы того, как леса, почвы и атмосфера будут реагировать на продолжающиеся изменения окружающей среды.

Цитирование: Laffitte, B., Yang, Z., Jian, J. et al. Plant diversity’s positive effect on soil respiration diminishes with increasing productivity in global forests. Nat Commun 17, 3023 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69594-8

Ключевые слова: лесное биоразнообразие, дыхание почвы, углеродный цикл, продуктивность экосистемы, климатические обратные связи