Биологическая фиксация азота природными экосистемами суши составляет 65, а сельскохозяйственными землями — 56 миллионов тонн в год. И хотя запасы азота в почвах за счет деятельности человека за время существования промышленного сельского хозяйства выросли на 64 процента, актуальная оценка практически в пять раз ниже предыдущих. Это говорит о том, что потенциал экосистем по депонированию углерода тоже был переоценен: при дефиците азота растения не смогут неограниченно расти и поглощать все излишки углекислого газа из воздуха, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
Рост концентрации углекислого газа в атмосфере приводит к потеплению, но его можно смягчить через депонирование углерода растениями. Они поглощают CO2 из атмосферы, выводят его из круговорота на десятки или даже сотни лет и преобразуют в собственное органическое вещество, а затем и в органическое вещество почв. Однако возможности роста растений не безграничны: помимо того, что их сдерживает площадь пригодной суши, растения также нуждаются в азоте.
Азот присутствует в почвах в составе минералов и органического вещества, но как минимум на 16 процентов чистая первичная продукция (биомасса растительности за вычетом затрат на дыхание) зависит от биологической фиксации азота — непрерывного процесса связывания атмосферного азота микроорганизмами-азотфиксаторами, например, клубеньковыми бактериями. Существующие в литературе оценки биологической азотфиксации различаются примерно в восемь раз — от 44 до 340 миллионов тонн в год.
Ученые под руководством Карлы Рейс Эли (Carla Reis Ely) из Орегонского университета дали оценку биологической фиксации азота земной сушей. Они использовали данные 1177 полевых измерений этого показателя в природных экосистемах, а также 5374 измерений на пахотных землях и пастбищах из более чем 300 научных публикаций. Также авторы скорректировали оценки численности азотфиксаторов в почвах разных биомов (нескольких типов леса, зарослей кустарников, саванн, пустынь и водно-болотных угодий) на основе региональных баз данных.
Оказалось, что с начала ведения промышленного сельского хозяйства (для него характерны интенсивная обработка почвы и приоритет монокультурного земледелия) в 1500 году запасы азота в почвах суши выросли на 64 процента. На текущий момент биологическая фиксация азота в природных экосистемах составляет 65 миллионов тонн в год, что практически впятеро ниже предыдущих оценок, а на сельскохозяйственных угодьях — 56 миллионов тонн в год. За последние 20 лет биологическая фиксация азота в сельском хозяйстве увеличилась на 75 процентов за счет роста производства сои.
Авторы объяснили завышенные оценки предыдущих исследований тем, как раньше считали долю симбиотических по отношению к азотфиксаторам видов в растительном покрове (по площади или биомассе). В старых исследованиях она могла достигать 25 процентов, но по новой оценке не превышает три процента. Раньше акцент делали на лесах, лугах и зарослях кустарников, в которых азотфиксаторов было в 17 раз больше, чем на суше в среднем. Большинство современных климатических моделей завышают биологическую фиксацию азота, а значит и переоценивают потенциал экосистем по депонированию углерода — при дефиците азота рост растений и их способность поглощать углекислый газ из воздуха ограничены.
Ученые не впервые отмечают, что высадка деревьев для смягчения последствий изменения климата — сомнительная стратегия. Недавно они посчитали, что для компенсации выбросов от сжигания ископаемого пришлось бы посадить лес на площади в полторы России. При этом нужно пожертвовать землями сельского хозяйства, но весь лес все равно не приживется, причем не только из-за ограниченного количества азота, но также дефицита фосфора и количества грунтовых вод.