Приведены ориентировочные данные из российских и международных источников литературы по размерам секвестрации углерода наземными экосистемами, преимущественно почвами, на глобальном и региональном уровнях. При этом отмечено, что эти оценки слишком приблизительные, весьма дискуссионные и требуют надежной экспериментальной проверки. Высказано предположение, что близкие к реальным размеры почвенной секвестрации углерода на территории России и в Мире предстоит получить только в будущем, располагая данными долговременных мониторинговых исследований, базирующихся на современных подходах и методах, включая длительные полевые опыты. Рассмотрены формулировки понятия “почвенная секвестрация углерода” и дан критический анализ этих определений. Отмечены существенные различия терминов “почвенная секвестрация углерода” и “почвенное накопление углерода”, а также необходимость введения в научный оборот понятия “почвенное депонирование углерода”, акцентирующее внимание на длительности сохранения углерода в почве. При этом указано на то, что полная количественная оценка секвестрации углерода почвой должна включать в себя как количество поступившего в почву органического вещества и прирост С_орг в почве, так и время, в течение которого углерод удерживается в почве. Представлен перечень основных причин и факторов, лимитирующих процесс секвестрации углерода в почвах. Обобщены литературные данные по накоплению углерода почвами при использовании различных углеродсеквестрирующих агробиотехнологий. Сделан вывод, что почвы управляемых экосистем, занимая значительные площади в большинстве стран Мира, обладают существенным потенциалом секвестрации атмосферного углерода и перемещения его в состав почвенного органического вещества. Однако использование технологий и приемов, относящихся к углеродсеквестрирующим, не гарантирует устойчивого увеличения С_орг в почве. Таким образом, целью климатически ориентированного сельского хозяйства должен стать разумный компромисс между климатическим и продовольственным аспектами углеродной проблемы, заключающийся в решении триединой задачи сохранения и/или повышения плодородия почв, увеличения урожая сельскохозяйственных культур и сокращения антропогенной эмиссии углекислого газа.

Целью работы было кратко изложить основные подходы к изучению строения органического вещества почв, позволяющие получить наиболее полное описание этого уникального природного феномена. Основное внимание уделено подходам, реализуемым в Почвенном институте им. В.В. Докучаева, примеры которых опубликованы в настоящем спецвыпуске. Современные методы можно разделить на две большие группы: исследовательские и рутинные. Исследовательские методы это недавно внедренные или внедряемые в научную практику технические решения и подходы. Рутинные – широко применяемые для изучения почвенного органического вещества. Преимущество первых – это перспектива получения новых уникальных данных, вторых – возможность формирования хорошо воспроизводимых, сопоставимых, перспективных для многомерного анализа наборов данных. В качестве исследовательских в работе рассмотрены масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье и методы ядерного магнитного резонанса на ядрах 13С и 1Н с преобразованием Фурье. В качестве рутинных описаны наиболее перспективные для анализа строения почвенного органического вещества методы: оптические (спектроскопия в ультрафиолетовом и видимом диапазоне и флуоресцентная спектроскопия), инфракрасная спектроскопия и пиролиз с газовой хроматографией и масс-детекцией.

Для оценки изменений дыхательной активности и термической стабильности почвенного органического вещества в процессе ее постагрогенного развития исследовали хроноряд серых почв (Haplic Luvisol), включающий пашню, залежи 7-летнего и 25-летнего возраста и суходольный луг. Образцы почв (0–30 см) на каждом из участков исследования отбирали в трех пространственно удаленных точках. В почвах методом элементного анализа (сухое окисление) определяли содержание органического углерода и общего азота. Используя метод термогравиметрического анализа, количественно оценивали пулы термически лабильного, стабильного и устойчивого почвенного органического вещества. В водных вытяжках определяли содержание растворенных форм углерода и азота. Скорость базального дыхания измеряли по интенсивности выделения СО₂ при инкубировании почв. Содержание углерода микробной биомассы определяли методом субстрат-индуцированного дыхания. В ходе постагрогенного развития бывших пахотных почв в них увеличивается содержание органического, растворенного и микробного углерода, общего и растворенного азота, и возрастает скорость базального дыхания. В почвах залежей, по сравнению с пахотной почвой, увеличивается доступность почвенного углерода к микробному разложению. В составе почвенного органического вещества преобладает термически лабильный пул (54– 68%). Термически стабильный пул органического вещества почв составляет 19–25%, устойчивый – 13–21% от общего органического вещества. Скорость накопления термически лабильного пула, рассчитанная для 25-летнего периода залежного режима, равна 3.9 мг_{лаб-ПОВ}/г, стабильного – 0.97 мг_{стаб-ПОВ}/г и устойчивого – 0.52 мг_{уст-ПОВ}/г в год в верхних 30 см почвы. При переходе пахотных почв в залежные в составе почвенного органического вещества увеличивается доля термически лабильного пула, приводя к снижению интегральной термической стабильности почвенного органического вещества. Полученные результаты свидетельствуют о тесной взаимосвязи между доступностью органического вещества к микробной минерализации и его термической стабильностью.

Микроорганизмы играют ключевую роль в динамике содержания и запасов почвенного органического вещества (ПОВ), перераспределяя углерод (С) на рост микробной биомассы, дыхание, синтез полимерных соединений, а также внутриклеточные и внеклеточные ферментативные процессы. В данной работе представлен обзор микробиологических показателей, используемых для изучения разложения, трансформации и стабилизации почвенного органического вещества, а также в моделировании динамики почвенного С. Рассматриваются такие микробиологические параметры цикла С, как углерод микробной биомассы (C_мик), ферментативная активность почвы, углерод микробной некромассы, эффективность использования углерода (CUE), базальное дыхание и структура микробного сообщества. Обсуждаются методы определения этих показателей, их интерпретация и примеры применения в математических моделях. Учитывая, что микробная некромасса составляет значительную часть ПОВ, а CUE является ключевым параметром баланса между минерализацией и стабилизацией С, интеграция микробиологических данных в прогностические модели может существенно повысить их точность. Для изучения механизмов микробной трансформации и стабилизации ПОВ необходимо количественное определение микробиологических показателей цикла С в различных почвенно-экологических условиях.

В обзорной статье рассматривается проблема разработки и использования методов моделирования динамики почвенного органического вещества (ПОВ). Критическому анализу подвергаются традиционные методы, основанные на “теоретических” дискретных пулах с различной скоростью оборота ПОВ, подчеркивается их недостаточное соответствие фактическим данным наблюдений. Альтернативный подход рассматривает непрерывное распределение качества ПОВ и позволяет понять и описать механизмы трансформации и стабилизации органического вещества в почвах широкого диапазона факторов и процессов почвообразования. Основанные на нём модели динамики ПОВ обладают большей прогностической способностью для разработки агротехнических практик, направленных на повышение уровня фиксации углерода в сельскохозяйственных почвах. Это открывает новые возможности для сохранения и повышения плодородия почв, а также помогает эффективно реагировать на глобальные климатические вызовы в сельскохозяйственном землепользовании.

Представлен анализ литературы по лабильным и стабильным компонентам органического вещества (ОВ) в почвах земель сельскохозяйственного назначения. К лабильным относятся легкие фракции (ЛФ), выделяемые по плотности частиц (<1.6–1.8 г/см³), а к стабильным – илистые фракции (Ил), выделяемые по размеру частиц (<1–2 мкм). Лабильные компоненты ОВ весьма, а стабильные – мало чувствительны к изменению систем земледелия и землепользования. Вследствие этого соотношение углерода лабильного и стабильного пулов - индекс С_ЛФ/С_Ил применяется в качестве индикатора качества ОВ почв агроландшафтов. Для выделения лабильных и стабильных компонентов ОВ применяются физические методы фракционирования почвы, характеризующиеся большой трудоемкостью, и поэтому для массового использования они малопригодны. Предложены теоретически обоснованные экспресс-показатели ОВ, которые возможно рассчитать на основе данных, получаемых с помощью предлагаемого авторами достаточно простого гранулометрического метода фракционирования. Эти экспресс-показатели ОВ (масса и С фракций < и > 10 мкм) будут характеризоваться различной биогеохимической стабильностью, и их применение в целях долгосрочного и оперативного углеродного мониторинга в почвах представляется весьма перспективным. Рекомендована экспериментальная апробация теоретически аргументированных упрощенных показателей с целью выявления среди них корректных индикаторов, наиболее адекватно отражающих влияние природных и антропогенных факторов в различных временных масштабах на качество ОВ почв.

 В настоящее время актуальна проблема восстановления потенциала обрабатываемых земель Нечерноземья России. В связи с этим важно изучение основных факторов, влияющих на плодородие и устойчивость почв этой зоны. Одним из ведущих факторов, оказывающих влияние на плодородие, равновесие и устойчивость почв, является органическое вещество (ОВ). Его наиболее активная и лабильная во времени и пространстве составляющая – растворенное органическое вещество (РОВ). РОВ активно взаимодействует с живым веществом почв и взаимосвязано с проявлениями биологической активности (БА). Целью работы было оценить оптические свойства водоэкстрагируемого органического вещества (ВЭОВ) и выявить связь с БА агродерново-подзолистых почв под основными сельскохозяйственными культурами с разным фоном элементов минерального питания. Для характеристики оптических свойств использовали спектры поглощения и флуоресценции. БА оценивали по базальному и субстрат-индуцированному дыханию. В результате показано, что оптические свойства ВЭОВ во многом зависят от структуры микробного сообщества. При этом содержание углерода в  ВЭОВ зависело от уровня БА, которая, в свою очередь, во многом определялась присутствием минеральных элементов питания. Внесение удобрений стимулировало микроорганизмы к переработке ОВ. При этом ВЭОВ становилось более разнообразно и более гумусированно.

Целью работы была оценка влияния вегетации ячменя (Hordeum vulgare L.) на молекулярный состав водоэкстрагируемого органического вещества черноземов. В работе использовали метод вегетационного эксперимента в климатической камере с отбором проб почвы до посева и во время вегетации ячменя. Молекулярный состав водоэкстрагируемого органического вещества (ВЭОВ) изучали методом газовой хромато-масс-спектрометрии. На основе полученных данных рассчитывали индекс разнообразия Шеннона и оценивали вклад разных соединений в состав ВЭОВ. Показано, что вегетация ячменя увеличивает сложность состава ВЭОВ чернозема. Молекулярный состав ВЭОВ оказался различным для всех вариантов опыта. Доля липидов и азотсодержащих соединений ВЭОВ чернозема в условиях вегетации ячменя уменьшается по сравнению с его предпосевным состоянием, что может быть связано с их активной микробной деструкцией. При вегетации ячменя происходит значимое увеличение доли углеводов в составе ВЭОВ чернозема. Полученные данные свидетельствуют о высокой чувствительности молекулярного состава ВЭОВ черноземов к влиянию функционирования ячменя и ризосферных микроорганизмов.

Понимание механизмов, обеспечивающих накопление и стабилизацию углерода в почвах, необходимо для сохранения и повышения их секвестрационного потенциала, а также внедрения практик устойчивого землепользования при переводе почв в сельскохозяйственное использование. Целью работы было выявить роль фермента лакказы в связывании ароматического углерода минеральными фазами почв при концентрациях фенольных субстратов, близких к природным условиям. Лакказу гриба белой гнили древесины Cerrena unicolor (ВКМ F-3196) сорбировали на иллите и каолините, модифицированном гидроксидом алюминия – каолинит-Al(OH)x. В качестве абиогенного катализатора сравнения был взят один из распространенных природных оксидов марганца (IV) – пиролюзит b- MnO₂. Окислительная активность минеральных фаз с 1 мМ АБТС (диаммониевая соль 2,2'-азино-бис-(3-этилбензтиозолин-6- сульфокислоты) при рН 4.5 составляла для пиролюзита 124 Ед/г, иллита – 0.25 Ед/г и отсутствовала у модифицированного каолинита. Активность лакказы, иммобилизованной на модифицированном каолините и иллите, составляла 1.17 и 0.82 Ед/г соответственно. Эквимолярную смесь галловой, протокатеховой, п-гидроксибензойной, сиреневой, ванилиновой, феруловой кислот (0.01 мМ каждой в 0.01 М KNO₃, pH 4.7) инкубировали с минеральными фазами в течение 1, 24 и 72 часов. Убыль кислот определяли методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии, а растворенного углерода – на ТОС-L анализаторе. Наибольшая реакционная способность при взаимодействии со всеми минералами установлена для галловой кислоты (40–100% убыль за сутки) и в меньшей степени – протокатеховой (19–100% убыль за сутки). п-Гидроксибензойная кислота реагировала только с иллитом, а ванилиновая – только с пиролюзитом (50% убыль за сутки). Значимая трансформация сиреневой и феруловой кислот (80–100% за сутки) выявлена только в присутствии пиролюзита и комплекса “модифицированный каолинит-лакказа”. При меньшей (на 2 порядка) окислительной активности и меньшей (в 3 раза) площади поверхности (18 м²/г vs 54 м²/г у b-MnO₂), комплекс каолинит-Al(OH)x- лакказа связывал за сутки количество углерода, сопоставимое с пиролюзитом (6.5 г/кг), а за трое суток – в 1.1 раза большее (7.3 г/кг). При близкой к комплексу модифицированный каолинит-лакказа активности и высокой площади поверхности (100 м²/г), количество углерода, связанного с иллитом в присутствии лакказы было в 3 раза меньше (1.7 г/кг). Лакказа усиливала связывание углерода с модифицированным каолинитом и иллитом в 2–3 раза. Результаты работы показывают важную роль лакказы и гидроксидов металлов в стабилизации С_орг. Сохранение и повышение природного уровня активности лакказ в почвах за счет регулирования рН и влажности, а также внесение препаратов лакказы в иммобилизованной форме в почвы может быть перспективным подходом для повышения секвестрационного потенциала почв агроландшафтов и обусловливает необходимость дальнейших исследований в данной области.

Стабилизация почвенного органического вещества (ПОВ) является ключевым условием сохранения плодородия и сокращения эмиссии углекислого газа из почвы в атмосферу в процессе сельскохозяйственной деятельности. Актуальным научно-практическим направлением исследований является разработка технологий возделывания, обеспечивающих оптимальные физические свойства почвы для роста и развития растений, а также для жизнедеятельности почвенного микробиома. Это требует понимания физических механизмов регуляции баланса углерода (С) почв и процессов трансформации органических веществ. Цель данной статьи – сделать обзор существующих представлений о физических факторах и механизмах стабилизации С в почвах, а также описать физические процессы, регулирующие цикл С почв. Взаимосвязь процессов трансформации ПОВ и физических факторов почвообразования показана через призму современного понимания концепции структурной организации почв, так как ПОВ играет ключевую роль в формировании почвенной структуры и определяет ее качество. Проведен анализ развития методов и методологии физики почв, и рассмотрены наиболее перспективные для понимания цикла С направления исследований. Особое внимание в обзоре уделено влиянию физических свойств почв на рост и развитие растений как основного источника поступающих органических веществ и необходимого условия для секвестрации С почвами. Также рассмотрены существующие ограничения для использования физических параметров почв в математическом моделировании процессов стабилизации С.