Träd som växer på toppen av den kala bergsgraniten i södra Sierra Nevada är beroende av näringsämnen från vindblåst atmosfäriskt damm - mer än 50 procent - jämfört med näringsämnen från underliggande berggrund.

University of Wyoming forskare ledde en studie som fann detta överraskande resultat genom att mäta isotoper av neodym i berggrunden, jord, damm och tallbarr i levande träd. Genom att använda detta välbegränsade system, gruppen kunde kombinera världsomspännande data för att visa att detta fenomen inte är begränsat till Sierra Nevada, och att främmande damm sannolikt befruktar växter på många platser över hela världen.

"Träd i Sierra Nevada använder dammet för näringsämnen, säger Cliff Riebe, en docent vid UW:s institution för geologi och geofysik. "Det här är ett nytt fynd."

Riebe var andra författare till en tidning, med titeln "Globala mönster av näringstillförsel av damm och berggrund till Montane Ecoystems, " som publicerades idag (6 december) i Vetenskapens framsteg , en avkomma publikation av Science. Onlinetidskriften publicerar betydande, innovativ originalforskning som flyttar fram vetenskapens gränser och utökar de standarder för spetskompetens som fastställts av vetenskapen.

Lindsay Arvin, en UW masterstudent från Chicago med huvudämne i geologi och geofysik, var tidningens huvudförfattare. Arvin tog prover på levande barr i Sierra Nevada, främst en barrskogsmiljö, under sommaren 2015.

Senare samma höst, Arvin reste till Sarah Aciegos laboratorium vid University of Michigan, där hon arbetade med Molly Blakowski, en doktorand vid University of Michigan, att bearbeta prover. Särskilt, de var intresserade av att utvinna neodym, ett grundämne i det periodiska systemet associerat med fosforhaltiga mineraler, som är en viktig källa till växtnäringsämnen.

"Likheten i kemiskt beteende mellan neodym och fosfor gör neodymisotoper till en användbar analog för att spåra upptaget av fosfor i växtsystem, " säger Aciego, nu adjungerad professor vid UW. "I detta fall, vi kunde spåra neodymium från två källor - främmande damm från Asien och Central Valley of California, och berggrunden i granit."

"Vi använde två fingeravtryck för att spåra näringsämnena. Damm har ett isotopiskt fingeravtryck, och berggrunden har ett annat isotopiskt fingeravtryck, Riebe förklarar. "Tallbarr visar graden av blandning av de två fingeravtrycken. Jordar visar också en blandning av de två."

Dessa observationer tyder på att dammhärledda näringsämnen kan vara avgörande för bergsekosystemen – även när näringstillförseln från berggrunden är betydande, avslutar tidningen.

"Medan andra studier har visat att damm kan öka det totala elementära flödet i ekosystem, detta är den första studien för att kvantifiera överföringen av neodym och, genom ombud, fosfor, från damm till växter, " förklarar Aciego. "Dessutom, inflytandet är mycket högre än jag förväntade mig och antyder att element i damm kan ha en mycket större inverkan på globala ekosystem än vad som tidigare antagits."

Flera tidigare studier har kvantifierat upptaget av dammhärledda näringsämnen i stabila eller långsamt eroderande landskap. Men, endast ett fåtal har kvantifierat dammhärledda näringsämnen i bergsekosystem med betydande erosionshastigheter.

Riebe säger att hans forskargrupp tog två befintliga datauppsättningar - en global databas med erosionshastigheter sammanställd 2011 och en global modell av dammflöden skapad 2014 - för att titta på effekterna av damm över hela världen.

"Denna kombination av tidigare datamängder gör att vi kan se var damm är viktigt i världen, " säger Riebe. "En överraskande upptäckt är att damm kan vara viktigare än man tidigare trott på många ställen, inklusive Appalacherna och Västeuropa."

"Begreppet jordens "kritiska zon" ger oss ramen för att se på miljön ur ett större perspektiv och att se det globala inflytandet av vad som ansågs vara regionala processer, säger Richard Yuretich, programdirektör för National Science Foundation (NSF) Critical Zone Observatories Program, som finansierade studien. "Denna forskning visar att damm som transporteras i atmosfären runt om i världen är en viktig källa till näringsämnen för växter i alla miljöer, även där dess bidrag inte är uppenbart. Jorden bibehåller sin balans, ofta på överraskande sätt."

Riebe ser ett samband mellan sin senaste forskning och det femåriga, $20 miljoner NSF-anslag UW fick i september för att användas för mikrobiell forskning. Med hjälp av banbrytande tekniker – inklusive DNA-sekvensering och beräkningsmodellering – hoppas forskare lära sig fördelningen och de ekologiska konsekvenserna av mikrober, producera insikter som kommer att hjälpa Wyomingites att ta itu med en mängd olika utmaningar – från att hantera markområden, skog och vattenresurser, till återvinning av områden som störs av mineralutvinning, för att förbättra grödans produktivitet.

"De mikrobiella samhällena i damm från olika källor kan skilja sig åt, " säger Riebe. "Som en del av nästa Wyoming EPSCoR-program (Established Program to Stimulate Competitive Research), vi kan försöka förstå om damm från avlägsna källor påverkar Wyomings mikrobiom. Det kan vara från Röda öknen eller Asien."