Alexandra Kravchenko, Michigan State University professor vid Department of Plant, Mark- och mikrobiologiska vetenskaper, och flera av hennes kollegor upptäckte nyligen en ny mekanism som avgör hur kol lagras i jordar som kan förbättra odlingssystemens klimatmotståndskraft och även minska deras koldioxidavtryck.

Resultaten, publicerades förra veckan i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation , avslöja vikten av markens porstruktur för att stimulera markens kolansamling och skydd.

"Att förstå hur kol lagras i marken är viktigt för att tänka på lösningar för klimatförändringar, "sa Phil Robertson, University Distinguished Professor of Plant, Mark- och mikrobiologiska vetenskaper, och medförfattare till studien. "Det är också ganska viktigt för sätt att tänka på markens bördighet och därför, produktion av grödor."

Studien genomfördes genom MSU Great Lakes Bioenergy Research Center, finansierad av U.S. Department of Energy, och Kellogg Biological Station långsiktiga ekologiska forskningsprogram finansierat av National Science Foundation, eller NSF, och den stöddes av NSF:s avdelning för geovetenskap.

Under en period av nio år, forskare studerade fem olika odlingssystem i ett upprepat fältexperiment i sydvästra Michigan. Av de fem beskärningssystemen, endast de två med hög växtdiversitet resulterade i högre nivåer av markkol. Kravchenko och hennes kollegor använde röntgenmikrotomografi och mikroskala enzymkartläggning för att visa hur porstrukturer påverkar mikrobiell aktivitet och kolskydd i dessa system, och hur växternas mångfald sedan påverkar utvecklingen av markporer som bidrar till större kollagring.

John Schade, från NSF-avdelningen för miljöbiologi, sa att resultaten kan förändra förståelsen för hur kol och klimat kan interagera i växt- och markmikrobiella samhällen.

"Detta är en tydlig demonstration av en unik mekanism genom vilken biologiska samhällen kan förändra miljön, med grundläggande konsekvenser för koldioxidens kretslopp, "Sa Schade.

"En sak som forskare alltid tenderar att anta är att de platser där det nya kolet kommer in i jorden också är de platser där det bearbetas av mikrober och sedan lagras och skyddas, ", sa Kravchenko. "Vad vi har funnit är att för att skyddas, kolet måste röra sig; den kan inte skyddas på samma plats där den kommer in."

Forskare har traditionellt trott jordaggregat, kluster av jordpartiklar, var de främsta platserna för stabil kollagring.

Senaste bevis, dock, visar att det mest stabila kolet verkar vara resultatet av mikrober som producerar organiska föreningar som sedan adsorberas på jordmineralpartiklar. Forskningen visar vidare att jordporer skapade av rotsystem ger en idealisk livsmiljö där detta kan inträffa.

Av särskild betydelse är jordar från ekosystem med högre växtdiversitet. Jordar från återställda prärieekosystem, med många olika växtarter, hade många fler porer av rätt storlek för stabil kollagring än ett rent bestånd av switchgrass.

"Vad vi hittade i inhemsk prärie, förmodligen på grund av alla interaktioner mellan olika arters rötter, är att hela jordmatrisen är täckt av ett nätverk av porer, "Sa Kravchenko." Alltså, avståndet mellan de platser där koltillförseln sker, och mineralytorna på vilka det kan skyddas är mycket korta.

"Så, mycket kol samlas in av jorden. I monokultur switchgrass var pornätverket mycket svagare, så de mikrobiella metaboliterna hade en mycket längre väg att resa till de skyddande mineralytorna, "förklarade Kravchenko.

Robertson sa att forskningen kan få bönder att fokusera på växtmångfald när de försöker öka markens kollagring.

"Vi brukade tro att det huvudsakliga sättet att lägga mer kol i marken är att låta växter producera mer biomassa antingen som rötter eller som rester kvar på markytan för att bryta ned, "Sa Robertson.

"Vad den här forskningen pekar på är att det finns smartare sätt att lagra kol än sådana brute force-metoder. Om vi ​​kan designa eller odla grödor med rotegenskaper som gynnar denna typ av jordporositet och därför som gynnar markens kolstabilisering, det skulle vara ett ganska smart sätt att designa system som kan bygga kol snabbare."

Nick Haddad, chef för Kellogg Biological Station Long-term Ecological Research-program, nämnda forskning som bygger på dessa rön kommer att fortsätta att upptäcka sätt att förbättra hållbarheten i jordbrukets ekosystem och landskap.

"Långsiktig forskning visar överraskande sätt att en mångfald av växter kan gynna mikroberna som behövs för ett spänstigt jordbrukssystem, " lade Haddad till.