Các nhà nghiên cứu phát hiện ra chất tiết ra từ rễ có tác động đáng ngạc nhiên và phản trực giác đối với việc lưu trữ carbon trong đất
bởi Đại học Harvard
Sơ đồ khái niệm minh họa ảnh hưởng của tốc độ tiết dịch (a) và thành phần (b) đối với sự hình thành và mất chất hữu cơ liên quan đến khoáng chất (MAOM) khi được trung gian bởi carbon sinh khối vi sinh vật (MBC). Ảnh: Nikhil Chari
Các nghiên cứu về hệ sinh thái hệ sinh thái thường tập trung vào những gì đang xảy ra với thực vật trên mặt đất, chẳng hạn như khám phá quá trình quang hợp hoặc mất nước ở lá. Nhưng những gì đang xảy ra bên dưới mặt đất trong rễ cây cũng quan trọng không kém khi đánh giá các quá trình của hệ sinh thái.
Trong một nghiên cứu mới trên Nature Geoscience các nhà nghiên cứu thuộc Khoa Sinh vật học và Tiến hóa tại Đại học Harvard đã kiểm tra các chất tiết ra từ rễ và tác động của chúng đối với việc lưu trữ carbon trong đất cho thấy các kết quả đáng ngạc nhiên và phản trực giác.
Chất tiết ra từ rễ là các hợp chất carbon hữu cơ (chẳng hạn như đường đơn, axit hữu cơ và axit amin) được giải phóng từ rễ cây sống vào đất. Những phân tử nhỏ này có thể liên kết trực tiếp với các khoáng chất trong đất, khiến chúng trở thành chất điều chỉnh quan trọng đối với sự hình thành và mất cacbon trong đất. Không giống như rác thực vật (chẳng hạn như lá và rễ), phải được phân hủy trước khi có thể ảnh hưởng đến bể chứa carbon của đất, chất tiết ra từ rễ có thể có tác động ngay lập tức đến chất hữu cơ liên quan đến khoáng chất (MAOM), chứa đất "ổn định" có chu kỳ dài. carbon.
Một số nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ CO2 trong khí quyển tăng cao do con người tạo ra có khả năng làm tăng tốc độ dịch tiết của rễ cây và thay đổi thành phần hóa học của dịch tiết của rễ. Tác giả chính Nikhil R. Chari, Ph.D. ứng cử viên, và tác giả cao cấp, Giáo sư Benton N. Taylor đã kiểm tra xem những thay đổi này có thể ảnh hưởng đến lượng cacbon trong đất như thế nào bằng cách kiểm tra mức độ thay đổi tốc độ tiết dịch của rễ và thành phần của dịch tiết ảnh hưởng đến động lực học cacbon tự nhiên của đất trong một khu rừng ôn đới.
Chari và Taylor đã thu thập lõi đất từ Rừng Harvard, một khu rừng gỗ cứng ôn đới ở trung tâm Massachusetts, và ủ chúng trực tiếp trong các ống ly tâm. Sau đó, họ chế tạo ba loại "cocktail" dịch tiết gốc carbon-13 khác nhau gồm đường đơn, axit hữu cơ và axit amin. Họ đưa "cocktail" vào lõi đất thông qua "rễ nhân tạo" ở hai tốc độ khác nhau trong khoảng thời gian ba mươi ngày. Không giống như các nghiên cứu khác, Chari và Taylor không sử dụng đất đồng nhất hoặc đất nhân tạo. Phương pháp lấy mẫu của họ đã bảo tồn một lượng lớn tính không đồng nhất trong các cộng đồng carbon và vi sinh vật trong đất có trong rừng.
Chari nói: “Chúng tôi muốn biết liệu những cơ chế này có ảnh hưởng ở quy mô có ý nghĩa sinh thái hay không. "Chúng tôi đã sử dụng lõi đất nguyên vẹn để kiểm tra xem tác động của chất tiết ra từ rễ có khắc phục được tính không đồng nhất tự nhiên trong hệ thống hay không."
Các nhà nghiên cứu đã đo cả lượng dự trữ carbon ban đầu và cuối cùng trong lõi. Họ phát hiện ra rằng sự đóng góp của chất tiết ra từ rễ vào carbon trong đất được thúc đẩy bởi sự đóng góp vào phần MAOM chu kỳ dài. MAOM là lớp phủ siêu nhỏ trên các hạt đất được tạo ra chủ yếu từ các sản phẩm phụ của vi khuẩn và nấm. MAOM tồn tại trong đất hàng chục năm nghĩa là nó có thể duy trì carbon trong đất trong một thời gian rất dài.
Các lõi đất nguyên vẹn được ủ trong các ống ly tâm (nắp màu xanh) với rễ nhân tạo được kết nối với hệ thống bơm thủ công cung cấp các dung dịch dịch tiết khác nhau cho mỗi lõi. Ảnh: Nikhil Chari
Ở tốc độ tiết dịch gốc cao hơn, nhóm carbon MAOM không thay đổi ngay cả khi đóng góp dịch tiết gốc cho MAOM tăng lên. Nhưng ở tốc độ tiết dịch ở rễ thấp hơn, Chari và Taylor đã quan sát thấy sự tích lũy carbon MAOM ròng, mặc dù sự đóng góp của dịch tiết không lớn bằng.
Chari cho biết: “Bạn sẽ nghĩ rằng nếu bạn tăng tốc độ tiết dịch của rễ thì bạn sẽ tăng lượng carbon đưa vào đất, tạo thành nhiều carbon hơn cho đất,” Chari nói, “nhưng thay vào đó, chúng tôi đã tìm thấy một tác động ngược lại bù đắp cho sự gia tăng lượng carbon.”
Các nhà nghiên cứu gọi đây là hiệu ứng mồi. Sự mồi xảy ra khi đầu vào của carbon đất mới thúc đẩy sự phân hủy carbon đất cũ. Tỷ lệ tiết dịch gốc được tăng cường dường như làm tăng tỷ lệ mồi MAOM so với tỷ lệ hình thành MAOM.
Taylor cho biết: "Các nguyên tắc đầu tiên gợi ý rằng chúng ta càng đẩy nhiều carbon vào đất thông qua quá trình thoát ra, thì càng nhiều carbon sẽ tích lũy trong các phần MAOM này. Trong khi thực tế, điều đó dường như không đúng như vậy," Taylor nói. "Trong thực tế, bạn nhận được nhiều sự hình thành MAOM hơn, nhưng bạn cũng mất đi nhiều hơn và nó sẽ cân bằng lại. Bạn không thực sự nhận được nhiều carbon hơn bám vào đất, ngay cả khi bạn đẩy nhiều hơn vào."
Chari và Taylor cũng tìm thấy các hợp chất tiết ra khác nhau, mỗi hợp chất có tác dụng khác nhau đối với carbon trong đất. Glucose (đường đơn giản) tạo ra doanh thu MAOM cao hơn cả khi hình thành và mất đi, nhưng không có sự tích lũy ròng MAOM. Trong khi axit succinic (axit hữu cơ) và axit aspartic (axit amin) làm giảm tỷ lệ hình thành MAOM, nhưng lại dẫn đến sự tích lũy carbon MAOM ròng. Thật thú vị, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng axit amin có tác động tích cực đặc biệt mạnh mẽ trong việc tăng sự hình thành cacbon sinh khối vi sinh vật, trong khi axit hữu cơ thì không. Những phát hiện này một lần nữa cho thấy cộng đồng vi sinh vật lớn hơn giúp tăng cường hiệu ứng mồi của vi sinh vật. Kết quả xác nhận thêm rằng sự gia tăng dự đoán về tỷ lệ tiết dịch ở rễ và sự chuyển hướng sang đường đơn do sự thay đổi toàn cầu gây ra có thể làm giảm khả năng lưu trữ carbon của đất.
Taylor cho biết: “Những thay đổi này đang diễn ra khắp nơi bên dưới bề mặt đất, nhưng ngay cả những thay đổi nhỏ trong quá trình này cũng có thể có ý nghĩa rất lớn đối với việc lưu trữ carbon trong đất”. "Mọi người biết rằng các quá trình trong lá rất quan trọng, nhưng mọi rễ cây dưới chân chúng ta đều có tác động rất lớn đến lượng cacbon trong đất. Và lượng CO2 tăng cao, sự nóng lên hoặc các tác nhân gây biến đổi khí hậu khác có thể khiến lượng cacbon mất đi trong đất tăng một cách không tương xứng với lượng cacbon trong đất sự hình thành."
Trong tương lai, Chari và Taylor tiếp tục đo lường những thay đổi về tốc độ và thành phần của chất tiết ra từ rễ dưới điều kiện CO2 tăng cao và sự nóng lên trong nhiều hệ sinh thái khác nhau, bao gồm rừng ôn đới, đồng cỏ và các cánh đồng nông nghiệp trồng ngô và đậu tương.
