Undersøgelse afslører en betydelig rolle af støv i bjergøkosystemer

Træer, der vokser på toppen af ​​Bald Mountain Granit i det sydlige Sierra Nevada, er afhængige af næringsstoffer fra vindblæst atmosfærisk støv - mere end 50 procent - sammenlignet med næringsstoffer fra underliggende bjerggrund.

University of Wyoming forskere ledede en undersøgelse, der fandt dette overraskende resultat ved at måle isotoper af neodym i grundfjeldet, jord, støv og fyrrenåle i levende træer. Ved at bruge dette velbegrænsede system, gruppen var i stand til at kombinere verdensomspændende data for at vise, at dette fænomen ikke er begrænset til Sierra Nevada, og at fremmed støv sandsynligvis befrugter planter mange steder i hele verden.

"Træer i Sierra Nevada bruger støvet til næringsstoffer, " siger Cliff Riebe, en lektor i UW's Institut for Geologi og Geofysik. "Dette er et nyt fund."

Riebe var anden forfatter til et papir, med titlen "Globale mønstre af næringsstofforsyning af støv og grundfjeld til Montane-økosystemer, " som blev offentliggjort i dag (6. december) i Videnskabens fremskridt , en afkomspublikation af Science. Onlinetidsskriftet udgiver betydelige, innovativ original forskning, der fremmer videnskabens grænser og udvider de ekspertisestandarder, der er etableret af videnskaben.

Lindsay Arvin, en UW masterstuderende fra Chicago med hovedfag i geologi og geofysik, var avisens hovedforfatter. Arvin tog prøver af levende fyrrenåle i Sierra Nevada, primært en nåleskovshabitat, i løbet af sommeren 2015.

Senere samme efterår, Arvin rejste til Sarah Aciegos laboratorium ved University of Michigan, hvor hun arbejdede med Molly Blakowski, en kandidatstuderende ved University of Michigan, at behandle prøver. I særdeleshed, de var interesserede i at udvinde neodym, et grundstof i det periodiske system forbundet med fosforholdige mineraler, som er en vigtig kilde til plantenæringsstoffer.

"Ligheden i kemisk adfærd mellem neodym og fosfor gør neodymisotoper til en nyttig analog til at spore optagelsen af ​​fosfor i plantesystemer, " siger Aciego, nu adjungeret professor ved UW. "I dette tilfælde, vi var i stand til at spore neodymium fra to kilder - fremmed støv fra Asien og Central Valley of California, og granitgrunden."

"Vi brugte to fingeraftryk til at spore næringsstofferne. Støv har ét isotopisk fingeraftryk, og grundfjeldet har et andet isotopisk fingeraftryk, Riebe forklarer. "Fyrenåle viser graden af ​​blanding af de to fingeraftryk. Jord viser også en blanding af de to."

Disse observationer tyder på, at støvafledte næringsstoffer kan være afgørende for bjergøkosystemer - selv når næringsstofforsyningen fra grundfjeldet er betydelig, konkluderer papiret.

"Mens andre undersøgelser har vist, at støv kan øge den samlede elementære flux i økosystemer, dette er den første undersøgelse, der kvantificerer overførslen af ​​neodym og, ved fuldmagt, fosfor, fra støv til planter, Aciego forklarer. påvirkningen er meget større, end jeg havde forventet og antyder, at elementer i støv kan have en meget større indvirkning på globale økosystemer, end der tidligere er blevet antaget."

Adskillige tidligere undersøgelser har kvantificeret optagelsen af ​​støvafledte næringsstoffer i stabile eller langsomt eroderende landskaber. Men, kun få har kvantificeret støvafledte næringsstoffer i bjergøkosystemer med betydelige erosionsrater.

Riebe siger, at hans forskergruppe tog to eksisterende datasæt - en global database over erosionshastigheder udarbejdet i 2011 og en global model af støvflux skabt i 2014 - for at se på virkningerne af støv på verdensplan.

"Denne kombination af tidligere datasæt giver os mulighed for at se, hvor støv er vigtigt i verden, " siger Riebe. "Et overraskende fund er, at støv kan være vigtigere end tidligere antaget mange steder, inklusive Appalacherne og Vesteuropa."

"Begrebet Jordens 'kritiske zone' giver os rammerne til at se på miljøet fra et større perspektiv og se den globale indflydelse af, hvad man troede var regionale processer, " siger Richard Yuretich, programdirektør for National Science Foundation (NSF)'s Critical Zone Observatories Program, som finansierede undersøgelsen. "Denne forskning viser, at støv, der transporteres i atmosfæren rundt om i verden, er en vigtig kilde til næringsstoffer for planter i alle miljøer, selv hvor dets bidrag ikke er indlysende. Jorden bevarer sin balance, ofte på overraskende måder."

Riebe ser en sammenhæng mellem hans seneste forskning og det femårige, $20 millioner NSF-tilskud UW modtog i september for at blive brugt til mikrobiel forskning. Ved at bruge banebrydende teknikker - inklusive DNA-sekventering og beregningsmodellering - håber forskere at lære fordelingen og de økologiske konsekvenser af mikrober, producerer indsigter, der vil hjælpe Wyomingites med at håndtere en række udfordringer – lige fra forvaltning af bjergområder, skov og vandressourcer, til genvinding af områder, der er forstyrret af mineraludvinding, til at forbedre afgrødens produktivitet.

"De mikrobielle samfund i støv fra forskellige kilder kan være forskellige, " siger Riebe. "Som en del af det næste Wyoming EPSCoR (Established Program to Stimulate Competitive Research) program, vi kan prøve at forstå, om støv fra fjerne kilder påvirker Wyomings mikrobiom. Det kunne være fra den røde ørken eller Asien."