Alexandra Kravchenko, Professor aan de Michigan State University in het Department of Plant, Bodem- en microbiële wetenschappen, en verschillende van haar collega's hebben onlangs een nieuw mechanisme ontdekt dat bepaalt hoe koolstof wordt opgeslagen in de bodem, dat de klimaatbestendigheid van teeltsystemen zou kunnen verbeteren en ook hun ecologische voetafdruk zou kunnen verkleinen.

De bevindingen, vorige week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie , onthullen het belang van de bodemporiestructuur voor het stimuleren van de accumulatie en bescherming van bodemkoolstof.

"Begrijpen hoe koolstof wordt opgeslagen in de bodem is belangrijk om na te denken over oplossingen voor klimaatverandering, " zei Phil Robertson, Universitair Distinguished Professor of Plant, Bodem- en microbiële wetenschappen, en een co-auteur van de studie. "Het is ook behoorlijk belangrijk om na te denken over bodemvruchtbaarheid en daarom, gewasproductie."

De studie werd uitgevoerd door het MSU Great Lakes Bioenergy Research Center, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, en het Kellogg Biological Station Long-term Ecological Research-programma, gefinancierd door de National Science Foundation, of NSF, en het werd ondersteund door de afdeling Aardwetenschappen van NSF.

Over een periode van negen jaar, onderzoekers bestudeerden vijf verschillende teeltsystemen in een gerepliceerd veldexperiment in het zuidwesten van Michigan. Van de vijf teeltsystemen, alleen de twee met een hoge plantendiversiteit resulteerden in hogere niveaus van bodemkoolstof. Kravchenko en haar collega's gebruikten röntgenmicrotomografie en enzymmapping op microschaal om te laten zien hoe poriestructuren de microbiële activiteit en koolstofbescherming in deze systemen beïnvloeden, en hoe plantendiversiteit vervolgens de ontwikkeling van bodemporiën beïnvloedt die bevorderlijk zijn voor een grotere koolstofopslag.

John Schade, van de NSF-afdeling Milieubiologie, zei dat de resultaten het begrip van hoe koolstof en klimaat kunnen interageren in microbiële planten- en bodemgemeenschappen kunnen veranderen.

"Dit is een duidelijke demonstratie van een uniek mechanisme waarmee biologische gemeenschappen de omgeving kunnen veranderen, met fundamentele gevolgen voor koolstofcycli, ' zei Schade.

"Een ding dat wetenschappers altijd geneigd zijn aan te nemen, is dat de plaatsen waar de nieuwe koolstof in de bodem terechtkomt, ook de plaatsen zijn waar het door microben wordt verwerkt en vervolgens wordt opgeslagen en beschermd, " zei Kravchenko. "Wat we hebben gevonden is dat om beschermd te worden, de koolstof moet bewegen; het kan niet worden beschermd op dezelfde plaats waar het binnenkomt."

Wetenschappers hebben traditioneel geloofd dat bodemaggregaten, clusters van gronddeeltjes, waren de belangrijkste locaties voor stabiele koolstofopslag.

recent bewijs, echter, toont aan dat de meest stabiele koolstof het resultaat lijkt te zijn van microben die organische verbindingen produceren die vervolgens worden geadsorbeerd aan minerale bodemdeeltjes. Uit het onderzoek blijkt verder dat door wortelstelsels gecreëerde bodemporiën een ideale habitat vormen waar dit kan gebeuren.

Van bijzonder belang zijn bodems uit ecosystemen met een grotere plantendiversiteit. Bodems van herstelde prairie-ecosystemen, met veel verschillende plantensoorten, had veel meer poriën van de juiste grootte voor stabiele koolstofopslag dan een pure stand van switchgrass.

"Wat we vonden in inheemse prairie, waarschijnlijk vanwege alle interacties tussen de wortels van verschillende soorten, is dat de hele bodemmatrix is ​​bedekt met een netwerk van poriën, "Zei Kravchenko. "Dus, de afstand tussen de locaties waar de koolstofinvoer plaatsvindt, en de minerale oppervlakken waarop het kan worden beschermd is zeer kort.

"Dus, er wordt veel koolstof gewonnen door de bodem. In monocultuur switchgrass was het porienetwerk veel zwakker, dus de microbiële metabolieten hadden een veel langere weg om naar de beschermende minerale oppervlakken te reizen, " legde Kravchenko uit.

Robertson zei dat het onderzoek boeren ertoe kan aanzetten zich te concentreren op plantendiversiteit wanneer ze proberen de koolstofopslag in de bodem te vergroten.

"Vroeger dachten we dat de belangrijkste manier om meer koolstof in de bodem te brengen, is om planten meer biomassa te laten produceren als wortels of als residu dat op het bodemoppervlak achterblijft om te ontbinden, ' zei Robertson.

"Wat dit onderzoek aantoont, is dat er slimmere manieren zijn om koolstof op te slaan dan dergelijke brute force-benaderingen. Als we gewassen kunnen ontwerpen of kweken met worteleigenschappen die dit soort bodemporositeit bevorderen en daarom de koolstofstabilisatie in de bodem bevorderen, dat zou een behoorlijk slimme manier zijn om systemen te ontwerpen die sneller koolstof kunnen bouwen."

Nick Haddad, directeur van het Kellogg Biological Station Long-term Ecological Research-programma, zei onderzoek dat voortbouwt op deze bevindingen en manieren zal blijven ontdekken om de duurzaamheid van landbouwecosystemen en landschappen te verbeteren.

"Langdurig onderzoek toont verrassende manieren waarop een diversiteit aan planten de microben ten goede kan komen die nodig zijn voor een veerkrachtig landbouwsysteem, ', voegde Haddad eraan toe.