Nyt papir peger på jordporestruktur som nøglen til kulstoflagring

Alexandra Kravchenko, Michigan State University professor i Department of Plant, Jordbund og mikrobiel videnskab, og flere af hendes kolleger har for nylig opdaget en ny mekanisme, der bestemmer, hvordan kulstof lagres i jord, og som kan forbedre afgrødesystemernes klimamodstandsdygtighed og også reducere deres CO2-fodaftryk.

Fundene, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift i sidste uge Naturkommunikation , afsløre betydningen af ​​jordporestruktur for at stimulere jordens kulstofakkumulering og beskyttelse.

"Det er vigtigt at forstå, hvordan kulstof lagres i jord, for at tænke på løsninger til klimaændringer, " sagde Phil Robertson, Universitets anerkendt professor i planter, Jordbund og mikrobiel videnskab, og medforfatter til undersøgelsen. "Det er også ret vigtigt for måder at tænke på jordens frugtbarhed og derfor, afgrødeproduktion."

Undersøgelsen blev udført gennem MSU Great Lakes Bioenergy Research Center, finansieret af det amerikanske energiministerium, og Kellogg Biological Station Langsigtet Økologisk Forskningsprogram finansieret af National Science Foundation, eller NSF, og det blev støttet af NSF's afdeling for geovidenskab.

Over en periode på ni år, forskere undersøgte fem forskellige afgrødesystemer i et replikeret felteksperiment i det sydvestlige Michigan. Af de fem beskæringssystemer, kun de to med høj plantediversitet resulterede i højere niveauer af kulstof i jorden. Kravchenko og hendes kolleger brugte røntgenmikrotomografi og enzymkortlægning i mikroskala til at vise, hvordan porestrukturer påvirker mikrobiel aktivitet og kulstofbeskyttelse i disse systemer, og hvordan plantediversitet derefter påvirker udviklingen af ​​jordporer, der fremmer større kulstoflagring.

John Schade, fra NSF-afdelingen for miljøbiologi, sagde, at resultaterne kan transformere forståelsen af, hvordan kulstof og klima kan interagere i plante- og jordmikrobielle samfund.

"Dette er en klar demonstration af en unik mekanisme, hvorved biologiske samfund kan ændre miljøet, med grundlæggende konsekvenser for kulstofcyklus, " sagde Schade.

"En ting, som forskere altid har en tendens til at antage, er, at de steder, hvor det nye kulstof kommer ind i jorden, også er de steder, hvor det behandles af mikrober og efterfølgende opbevares og beskyttes, " sagde Kravchenko. "Hvad vi har fundet er, at for at blive beskyttet, kulstoffet skal bevæge sig; den kan ikke beskyttes samme sted, hvor den kommer ind."

Forskere har traditionelt troet jordaggregater, klynger af jordpartikler, var de vigtigste steder for stabil kulstoflagring.

Nylige beviser, imidlertid, viser, at det mest stabile kulstof ser ud til at være resultatet af mikrober, der producerer organiske forbindelser, som derefter adsorberes på jordens mineralpartikler. Forskningen afslører endvidere, at jordporer skabt af rodsystemer giver et ideelt levested, hvor dette kan forekomme.

Af særlig betydning er jord fra økosystemer med højere plantediversitet. Jord fra restaurerede prærieøkosystemer, med mange forskellige plantearter, havde mange flere porer af den rigtige størrelse til stabil kulstoflagring end en ren bevoksning af skiftegræs.

"Hvad vi fandt i den indfødte prærie, sandsynligvis på grund af alle interaktioner mellem rødderne af forskellige arter, er, at hele jordens matrix er dækket af et netværk af porer, " sagde Kravchenko. "Således, afstanden mellem de steder, hvor kulstoftilførslen finder sted, og de mineralske overflader, hvorpå det kan beskyttes, er meget korte.

"Så, der vindes meget kulstof i jorden. I monokultur switchgrass var porenetværket meget svagere, så de mikrobielle metabolitter havde en meget længere vej til at rejse til de beskyttende mineraloverflader, " forklarede Kravchenko.

Robertson sagde, at forskningen kan få landmændene til at fokusere på plantediversitet, når de forsøger at øge jordens kulstoflagring.

"Vi plejede at tro, at den vigtigste måde at putte mere kulstof i jorden på er at få planter til at producere mere biomasse enten som rødder eller som rester tilbage på jordoverfladen for at nedbrydes, " sagde Robertson.

"Hvad denne forskning peger på, er, at der er smartere måder at lagre kulstof på end sådanne råkrafttilgange. Hvis vi kan designe eller avle afgrøder med roddannelsesegenskaber, der favoriserer denne form for jordporøsitet og derfor favoriserer jordens kulstofstabilisering, det ville være en ret smart måde at designe systemer, der kan bygge kulstof hurtigere."

Nick Haddad, direktør for Kellogg Biological Station Langsigtet Økologisk Forskningsprogram, nævnte forskning, der bygger på disse resultater, vil fortsætte med at opdage måder at forbedre bæredygtigheden af ​​landbrugsøkosystemer og landskaber.

"Langsigtet forskning viser overraskende måder, hvorpå en mangfoldighed af planter kan gavne de mikrober, der er nødvendige for et modstandsdygtigt landbrugssystem, " tilføjede Haddad.