Современное развитие моделей динамики органического вещества почв (обзор)

Аннотация

Почвы являются крупнейшим наземным резервуаром органического углерода, поэтому даже небольшое изменение запасов углерода в почвах может значительно повлиять на атмосферу и климат. Для выбора эффективных стратегий, направленных на смягчение последствий изменения климата, необходимы прогнозы реакции почв на будущие изменения климата и землепользования. Получение обоснованных прогнозов требует глубокого понимания очень сложной открытой многокомпонентной системы органического вещества почв. Одним из наиболее эффективных методов прогнозирования динамики органического вещества почв является математическое моделирование. Процесс-ориентированные, то есть физически обоснованные модели позволяют представить основные концепции о механизмах, определяющих поведение этой системы, в математически формализованном виде и провести количественный анализ. Неопределенность прогнозов зависит от уровня развития теории, объясняющей динамику органического вещества почв, представляющих ее моделей и их экспериментального обеспечения. В этом обзоре рассмотрены достижения последнего десятилетия в представлении в моделях роли микроорганизмов в стабилизации органического вещества почв, концепции насыщения почв органическим углеродом, температурного контроля, а также развитии моделей реактивного транспорта, описывающих динамику органического углерода в профиле почв, и представлении динамики органического вещества почв в глобальных климатических моделях. Обсуждаются нерешенные проблемы, связанные с высокой вариативностью структуры моделей динамики органического вещества почв нового поколения.

Литература

1.    Когут Б.М., Семенов В.М. Оценка насыщенности почвы органическим углеродом // Бюл. Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 102.
2.    Рыжова И.М. Проблемы и перспективы моделирования динамики органического вещества почв // Агрохимия. 2011. № 12.
3.    Рыжова И.М. Проблемы описания температурной чувствительности разложения органического вещества почв в моделях круговорота углерода // Математическое моделирование в экологии: материалы третьей национальной научной конференции с международным участием (Пущино, 21–25 окт. 2013 г.). Пущино, 2013.
4.    Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М., 2015.
5.    Чертов О.Г., Комаров А.С. Теоретические подходы к моделированию динамики содержания органического вещества почв // Почвоведение. 2013. № 8.
6.    Чертов О.Г., Надпорожская М.А. Модели динамики органического вещества почв: проблемы и перспективы // Компьютерные исследования и моделирование. 2016. Т. 8, № 2.
7.    Abramoff R., Xu X., Hartman M. et al. The Millennial model: in search of measurable pools and transformations for modeling soil carbon in the new century // Biogeochemistry. 2018. Vol. 137.
8.    Abramoff R.Z., Guenet B., Zhang H., et al. Improved global-scale predictions of soil carbon stocks with Millennial Version 2. // Soil Biol. Biochem. 2022. Vol. 164.
9.    Ågren G.I., Bosatta E. Theoretical ecosystem ecology. Understanding element cycles. Cambridge, 1998.
10.    Ahrens B., Braakhekke M.C., Guggenberger G. et al. Contribution of sorption, DOC transport and microbial interactions to the 14C age of a soil organic carbon profile: insights from a calibrated process model // Soil Biol. Biochem. 2015. Vol. 88.
11.    Arora V.K., Boer G.J., Friedlingstein P. et al. Carbon–concentration and carbon–climate feedbacks in CMIP5 Earth system models // J. Climate. 2013. Vol. 26.
12.    Blagodatsky S., Blagodatskaya E., Yuyukina T. et al. Model of apparent and real priming effects: Linking microbial activity with soil organic matter decomposition // Soil Biol. Biochem. 2010. Vol. 42, № 8.
13.    Blankinship J.C., Berhe A.A., Crow S.E. et al. Improving understanding of soil organic matter dynamics by triangulating theories, measurements, and models // Biogeochemistry. 2018. Vol. 140.
14.    Campbell E.E., Paustian K. Current developments in soil organic matter modeling and the expansion of model applications: a review // Environ. Res. Lett. 2015. Vol. 10. 123004.
15.    Chandel A.K., Jiang L., Luo Y. Microbial Models for Simulating Soil Carbon Dynamics: A Review // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2023.Vol. 128, № 8.
16.    Cotrufo M.F., Ranalli M.G., Haddix M.L. et al. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter // Nat. Geosci. 2019. Vol. 12.
17.    Craig E.M., Mayes M.A., Sulman B.N. et al. Biological mechanisms may contribute to soil carbon saturation patterns // Glob Change Biol. 2021. Vol. 27.
18.    Davidson E.A., Janssens I.A., Luo Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10 // Glob. Change Biol. 2006. Vol. 12.
19.    Dwivedi D., Tang J., Bouskill N. et al. Abiotic and Biotic Controls on Soil Organo–Mineral Interactions: Developing Model Structures to Analyze Why Soil Organic Matter Persists // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2019. Vol. 85.
20.    Falloon P.D., Smith P. Modelling refractory soil organic matter // Biol. Fertil. Soils. 2000. Vol. 30.
21.    Friedlingstein P., O'Sullivan M., Jones M.W. et al. Global Carbon Budget 2023 // Earth Syst. Sci. Data. 2023. Vol. 15.
22.    Georgiou K., Jackson R.B., Vindušková O. et al. Global stocks and capacity of mineral-associated soil organic carbon // Nature Communications. 2022. Vol. 13, 3797.
23.    Jenkinson D.S. The turnover of organic‐carbon and nitrogen in soil // Philosophical Transactions of the Royal Society. B. 1990. Vol. 329.
24.    Keyvanshokouhi S., Sophie S., Cornu F. et al. Effects of soil process formalisms and forcing factors on simulated organic carbon depth-distributions in soils // Science of the Total Environment. 2019. Vol. 652.
25.    Lavallee J.M., Soong J.L., Cotrufo M.F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century // Glob. Change Biol. 2020. Vol. 26.
26.    Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528.
27.    Luo Y., Ahlström A., Allison S. et al. Toward more realistic projections of soil carbon dynamics by Earth system models // Global Biogeochem. Cycles. 2016. Vol. 30.
28.    Manzoni S., Porporato A. Soil carbon and nitrogen mineralization: Theory and models across scales // Soil Biol. Biochem. 2019. Vol. 41.
29.    McGill W.B., Hunt H.W., Woodmansee R.G. et al. PHOENIX, a model of the dynamics of carbon and nitrogen in grassland soils // Ecological Bulletins. 1981. Vol. 33.
30.    Molina J.A.E., Smith P. Modelling carbon and nitrogen processes in soils // Adv. Agron. 1998. Vol. 62.
31.    Parnas H. Model for decomposition of organic material by microorganisms // Soil Biol. Biochem. 1975. Vol. 7, № 2.
32.    Robertson A.D., Paustian K., Ogle S. et al. Unifying soil organic matter formation and persistence frameworks: the MEMS model // Biogeosciences. 2019. Vol. 16.
33.    Schimel J. Modeling ecosystem-scale carbon dynamics in soil: The microbial dimension // Soil Biol. Biochem. 2023. Vol. 178. 108948.
34.    Schmidt M., Torn M., Abiven S. et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property // Nature. 2011. Vol. 478. 7367.
35.    Six J., Conant R., Paul E.A. et al. Stabilization mechanisms of soil organic matter: Implications for C-saturation of soils // Plant and Soil. 2002. Vol. 241.
36.    Stewart C.E., Paustian K., Conant R.T. et al. Soil C saturation: concept, evidence, and evaluation // Biogeochemistry. 2007. Vol. 86.
37.    Stockmann U., Adams M.A., Crawford J.W. et al. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon // Agric. Ecosyst. Environ. 2013. Vol. 164.
38.    Sulman B.N., Phillips R.P., Oishi A.C. et al. Microbe-driven turnover offsets mineral-mediated storage of soil carbon under elevated CO2 // Nat. Clim. Change. 2014. Vol. 4.
39.    Sulman B.N., Moore J.A.M., Abramoff R. et al. Multiple models and experiments underscore large uncertainty in soil carbon dynamics // Biogeochemistry. 2018. Vol. 141.
40.    Todd-Brown K.E.O., Randerson J.T., Post W.M. et al. Causes of variation in soil carbon simulations from CMIP5 Earth system models and comparison with observations // Biogeosciences. 2013. Vol. 10, № 3.
41.    Tuomi M., Vanhala P., Karhu K. et al. Heterotrophic soil respiration – comparison of different models describing its temperature dependence // Ecological Modelling. 2008. Vol. 211.
42.    Varney R.M., Chadburn S.E., Burke E.J. et al. Evaluation of soil carbon simulation in CMIP6 Earth system models // Biogeosciences. 2022. Vol. 19.
43.    Wieder W.R., Grandy A.S., Kallenbach C.M. et al. Integrating microbial physiology and physio-chemical principles in soils with the Microbial-Mineral Carbon Stabilization (MIMICS) model // Biogeosciences. 2014. Vol. 11.
44.    Zhang Y., Lavallee J.M., Robertson A.D. et al. Simulating measurable ecosystem carbon and nitrogen dynamics with the mechanistically defined MEMS 2.0 model // Biogeosciences. 2021. Vol. 18.