Александра Кравченко, профессор Мичиганского государственного университета на факультете наук о растениях, почве и микробиологии, и несколько ее коллег недавно открыли новый механизм, определяющий накопление углерода в почве, который может улучшить климатическую устойчивость систем земледелия и также уменьшить свой углеродный след.
Выводы, опубликованные на прошлой неделе в научном журнале Nature Communications, показывают важность структуры пор почвы для стимулирования накопления и защиты углерода в почве.
«Понимание того, как углерод хранится в почве, важно для размышлений о решениях проблемы изменения климата», - сказал Фил Робертсон, заслуженный профессор Университета растений, почв и микробов и соавтор исследования.«Это также очень важно для того, чтобы думать о плодородии почвы и, следовательно, о урожайности».
Исследование было проведено с помощью Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер МГУ, финансируемого Министерством энергетики США, и программы долгосрочных экологических исследований биологической станции Келлогг, финансируемой Национальным научным фондом или NSF. поддерживается Отделом наук о Земле NSF.
В течение девяти лет исследователи изучали пять различных систем выращивания сельскохозяйственных культур в ходе повторного полевого эксперимента на юго-западе Мичигана. Из пяти систем земледелия только две с высоким разнообразием растений привели к более высокому уровню углерода в почве. Кравченко и ее коллеги использовали рентгеновскую микротомографию и микроферментное картирование, чтобы показать, как структура пор влияет на микробную активность и защиту от углерода в этих системах, а также как разнообразие растений затем влияет на развитие пор почвы, способствующих большему хранению углерода.
Джон Шаде из отдела биологии окружающей среды NSF сказал, что результаты могут изменить понимание того, как углерод и климат могут взаимодействовать в растительных и почвенных микробных сообществах.
«Это наглядная демонстрация уникального механизма, с помощью которого биологические сообщества могут изменять окружающую среду с фундаментальными последствиями для круговорота углерода», - сказал Шаде.
«Ученые всегда склонны предполагать, что места, где новый углерод попадает в почву, также являются местами, где он обрабатывается микробами, а затем хранится и защищается», - сказал Кравченко. «Мы обнаружили, что для того, чтобы быть защищенным, углерод должен двигаться; он не может быть защищен в том же месте, где он входит».
Ученые традиционно считали почвенные агрегаты, скопления почвенных частиц, основными местами стабильного хранения углерода.
Недавние данные, однако, показывают, что наиболее стабильный углерод, по-видимому, является результатом микробов, производящих органические соединения, которые затем адсорбируются на частицах минералов почвы. Исследование также показывает, что поры почвы, созданные корневой системой, обеспечивают идеальную среду обитания, где это может произойти.
Особое значение имеют почвы из экосистем с большим разнообразием растений. Почвы из восстановленных экосистем прерий с большим количеством различных видов растений имели гораздо больше пор нужного размера для стабильного хранения углерода, чем чистые насаждения проса.
«Что мы обнаружили в естественных прериях, вероятно, из-за всех взаимодействий между корнями различных видов, так это то, что вся почвенная матрица покрыта сетью пор», - сказал Кравченко. «Таким образом, расстояние между местами поступления углерода и минеральными поверхностями, на которых его можно защитить, очень короткое.
«Итак, много углерода поглощается почвой. В монокультуре проса сеть пор была намного слабее, поэтому микробным метаболитам предстоял гораздо более длинный путь к защитным минеральным поверхностям», - пояснил Кравченко.
Робертсон сказал, что исследование может побудить фермеров сосредоточиться на разнообразии растений при попытке увеличить запасы углерода в почве.
«Раньше мы думали, что основной способ увеличить содержание углерода в почве - заставить растения производить больше биомассы либо в виде корней, либо в виде остатков, оставленных на поверхности почвы для разложения», - сказал Робертсон.
Это исследование указывает на то, что существуют более разумные способы хранения углерода, чем такие подходы грубой силы. Если мы сможем разработать или вывести культуры с характеристиками укоренения, которые благоприятствуют такому типу пористости почвы и, следовательно, способствуют стабилизации углерода в почве., это был бы довольно разумный способ разработки систем, которые могут быстрее генерировать углерод».
Ник Хаддад, директор программы долгосрочных экологических исследований биологической станции Келлогг, сказал, что исследования, основанные на этих выводах, продолжат открывать способы повышения устойчивости сельскохозяйственных экосистем и ландшафтов.
"Долгосрочные исследования показывают удивительные способы того, как разнообразие растений может принести пользу микробам, необходимым для устойчивой сельскохозяйственной системы", - добавил Хаддад.