De natuur staat bol van symbiotische relaties, waarvan sommige buiten het zicht plaatsvinden, zoals de rijke ondergrondse uitwisseling van voedingsstoffen die plaatsvindt tussen bomen en bodemschimmels.

Maar wat er in het donker gebeurt, kan grote gevolgen hebben boven de grond, ook:een groot nieuw onderzoek onthult dat bodemschimmels een belangrijke rol kunnen spelen in het vermogen van bossen om zich aan te passen aan veranderingen in het milieu.

Kai Zhu, assistent-professor milieustudies aan UC Santa Cruz, nam een ​​unieke "big data" -benadering om de rol van symbiotische schimmels bij boommigratie in bossen in het oosten van de Verenigde Staten te onderzoeken.

"Ons klimaat verandert snel, en onze bossen reageren, maar in zeer slow motion - het is nauwelijks waarneembaar, " zei Zhu, die factoren wilden identificeren die bijdragen aan het tempo van die reactie.

In bossen, boomgroei hangt grotendeels af van de voedingsstoffen die in de bodem aanwezig zijn, terwijl de overdracht van koolstof via wortels naar de bodem ecosysteemprocessen reguleert. Mycorrhiza-schimmels ("MY-koe-RY-zull") groeien op de wortels van de meeste planten en stimuleren de uitwisseling van nutriënten en koolstof tussen planten en bodem:ze nemen koolstofbronnen op van hun gastheren en leveren bodemvoedingsstoffen die planten nodig hebben. De twee meest voorkomende schimmels die worden geassocieerd met bosbomen zijn ectomycorrhiza (ECM), die op coniferen groeien, inclusief dennen, eiken, en beuken, en arbusculaire (AM), die op de meeste niet-coniferen groeien, zoals esdoorns.

Zhu gebruikte gegevens van het bosinventarisatie- en analyseprogramma van het Amerikaanse ministerie van landbouw om te onderzoeken hoe koolstof- en stikstofniveaus in de bodem verschillen tussen bospercelen die worden gekenmerkt door "AM-dominante" bomen en "ECM-dominante" bomen. Hij correleerde de verspreiding van bomen met bodemschimmels en inhoud, analyseerde vervolgens de verdeling van bomen per schimmeltype. In de belangrijkste bevinding, Zhu was in staat om verschillende "kenmerken" van bodemstikstof te identificeren die de bodem en ecosystemen beïnvloeden op manieren die de veerkracht van bossen tegen het veranderende klimaat kunnen bepalen.

specifiek, de koolstof-stikstofverhoudingen in de bodem nemen toe met een grotere ECM-dominantie, zelfs als rekening wordt gehouden met het klimaat, Bodemstructuur, en bladstikstof. Bovendien, ECM-dominantie wordt meer geassocieerd met een laag stikstofgehalte in de bodem dan met een hoog koolstofgehalte in de bodem.

"Deze bevindingen suggereren dat AM- en ECM-bomen differentieel succes hebben langs stikstofvruchtbaarheidsgradiënten, of misschien dat AM- en ECM-bomen verschillen in cyclussnelheid van koolstof en stikstof bevorderen vanwege eigenschappen die verband houden met stikstofverwerving, " zei hij. "Beide processen kunnen tegelijkertijd plaatsvinden, wat leidt tot een zichzelf versterkende positieve plant-bodem feedback."

Zhu's bevindingen suggereren dat de mycorrhiza-gilde een opkomend "functioneel kenmerk" zou kunnen zijn.

Functionele eigenschappen zijn kenmerken die soorten definiëren in termen van hun ecologische rol - hoe ze omgaan met de omgeving en met andere soorten. Als zodanig, ze zijn voorspelbaar en gemakkelijk te meten vanaf de grond of per satelliet, waardoor ze bijzonder waardevol zijn voor wetenschappers die de reacties van het milieu op klimaatverandering volgen. "Ze vertellen ons hoe het ecosysteem reageert, " zei Zhu.

"Er is nog geen bewijs dat oostelijke bossen hun geografische bereik verschuiven naar hogere breedtegraden als reactie op opwarmingstemperaturen, " zei Zhu. "Maar als we begrijpen hoe mycorrhiza-relaties ecosystemen beïnvloeden, kunnen we voorspellen hoe bossen zullen reageren op wereldwijde veranderingen."

Zhu's studie, gepubliceerd in de Tijdschrift voor Ecologie , is een van de eersten die de grootschalige dataset van de USDA gebruikt om te zien hoe klimaatverandering het ecosysteem beïnvloedt, een benadering die bekend staat als "top-down" in plaats van "bottom-up".

Als kwantitatief milieuwetenschapper Zhu brengt de tools van statistiek en datawetenschap naar de studie van wereldwijde ecologie. In plaats van schimmeleigenschappen in de bodem te meten en op te schalen, Zhu gebruikt bestaande gegevens, waaronder grootschalige datasets gegenereerd door satellieten, om patronen en processen te bekijken die zich afspelen op continentale en mondiale schaal. "Big data wordt steeds populairder en krachtiger, " zei hij. "Het is anders dan traditioneel onderzoek in ecologie, die plaatsvindt in een laboratorium of in het veld."

Zhu, wiens achtergrond in de natuurkunde en systeemtheorie ligt, brengt enorme urgentie in zijn werk over klimaatverandering. Zijn onderzoek richt zich op vier gebieden:bosecosystemen, grasland, bodem, en fenologie, die Zhu beschrijft als 'de kalender van de natuur'.

Zhu is vastbesloten om solide bijdragen te leveren aan een veld waarin veel van het bewijs onvolledig en niet overtuigend is.

"We weten dat de omgeving verandert, maar hoe het de aarde en haar systemen beïnvloedt, is een grote vraag, " zei hij. "Als wetenschappers, we hebben de verantwoordelijkheid om dit probleem correct uit te werken - het is een probleem dat belangrijk is voor wetenschappers en het grote publiek."