Jordkväve i gräsmarker som täcker nästan en tredjedel av jordens yta är en avgörande ingrediens för att producera mat och hejda klimatförändringar.

Med hjälp av resultat från ett första globalt experiment någonsin, ett internationellt forskarlag som inkluderar en ekolog från University of Guelph får en tydligare bild av hur kväve i gräsmarker driver växttillväxt för livsmedelsproduktion och ekosystems hälsa.

Denna globala fältstudie ger en mer detaljerad baslinje för globala kvävenivåer och förbättrar vår förståelse av naturliga kvävecykler samt effekterna av utbredd övergödsling genom jordbruk, sa professorn i integrativ biologi Andrew MacDougall.

Tillsammans med andra medlemmar i det globala Nutrient Network (NutNet), han är en av nästan 40 internationella medförfattare världen över till en ny tidning som nyligen publicerades i Naturkommunikation .

MacDougall sa att lagets fältmätningar utförda under en enda växtsäsong på sex kontinenter kommer att ge forskare mer exakt information om kvävecykling och dess tillgänglighet för växter än mer konventionella labbbaserade uppskattningar.

Även om laboratoriemarkstudier vanligtvis är billigare än fältarbete, han sa, "Labbåtgärder kanske inte fångar verkliga processer. Att förstå kvävets kretslopp är avgörande för att förstå global växtproduktion, kolets kretslopp, effekterna av atmosfäriskt kol, matproduktion."

Kväve är ett av de viktigaste växtnäringsämnena. Genom en process som kallas mineralisering, jordmikrober omvandlar naturligt organiskt kväve till en oorganisk form som växter kan använda. Jordbrukare över hela världen tillför också kväve till grödor som en nyckelingrediens i gödningsmedel.

Arbetar på 30 gräsmarker, inklusive MacDougalls fälttomt på Vancouver Island, teammedlemmarna isolerade jordprover med hjälp av metallcylindrar som satts in i jorden. Forskarna spårade markegenskaper och klimatvariabler som temperatur och fukt under en enda växtsäsong.

Dessa provkärnor grävdes upp och analyserades av huvudförfattaren Anita Risch, en forskare vid det schweiziska federala skogsinstitutet, Snö- och landskapsforskning.

Som en procentandel av markvolymen, kvävenivåerna bland de 30 platserna varierade från spårmängder i New Mexicos öknar i USA till 1,4 procent av den totala jordvolymen i Lancaster i Storbritannien. Nitrogenmineraliseringshastigheten var så hög som 1,4 milligram av grundämnet per kilo jord per dag.

Genom att kontrollera växternas tillväxt och produktivitet på gräsmarker, kväve styr hur mycket gräs som växer och hur många djur – inklusive boskap – som kan leva där.

Från Kanadas Prairie-provinser till de argentinska pampas till Krimhalvön, MacDougall sa, "60 procent av världens gräsmarker stöder boskapsbete." När en växande befolkning konsumerar mer mat, han sa, mänsklig påverkan kommer bara att öka – från direkt bete av boskap till omvandling av gräsmarker för grödor som majs och soja som behövs för att mata dessa djur.

Kväve kan också påverka hur mycket av växthusgasen koldioxid som finns i gräsmarker istället för att fly till atmosfären. Huruvida CO ₂ är sekvestrerad i jord eller frigörs beror på aktiviteten hos markmikrober som gör kväve tillgängligt för växter.

Den kvävemineraliseringsprocessen använder markkol. Varmare temperaturer och blötare förhållanden som förväntas under klimatförändringarna kan påskynda den processen och leda till att mer kol släpps ut i atmosfären. "Kol lagras i jordar så länge det inte bryts ned av mikrober, sa MacDougall.

Forskare vet att naturliga gräsmarker innehåller mycket mindre kväve än i områden som befruktas av människor. NutNet-teammedlemmarna genomförde också gödslingsexperiment på sina gräsmarker, även om dessa resultat inte är tillgängliga ännu.

Med hänvisning till jordbruksmetoder, MacDougall sa "Vi tenderar att övertillföra kväve. Att veta mineraliseringshastigheter och hur mycket kväve som finns i jorden redan kan hjälpa oss att kalibrera hur mycket vi lägger till."

Att kalla studienätverket för ett "globalt observatorium, " han lade till, "Vi försöker bestämma gräsmarksproduktiviteten och hur den formas av mark och klimat och mänsklig påverkan."

NutNet är ett internationellt forskningssamarbete som inleddes 2007 och baserat på University of Minnesota. En invigningsmedlem i nätverket, MacDougall har arbetat sedan 1999 på Vancouver Island studieplats som ägs av Nature Conservancy of Canada.