Oddychanie gleby

Oddychanie gleby odnosi się do produkcji dwutlenku węgla podczas oddychania organizmów glebowych . Obejmuje to oddychanie korzeni roślin , ryzosfery , drobnoustrojów i fauny .

Oddychanie gleby jest kluczowym procesem ekosystemowym , który uwalnia węgiel z gleby w postaci CO ₂ . CO ₂ jest pobierany przez rośliny z atmosfery i przekształcany w związki organiczne w procesie fotosyntezy . Rośliny wykorzystują te związki organiczne do budowy elementów konstrukcyjnych lub oddychają nimi w celu uwolnienia energii. Kiedy oddychanie roślin zachodzi pod ziemią w korzeniach, dodaje się do oddychania gleby. Z biegiem czasu składniki strukturalne roślin są konsumowane przez heterotrofy . Ta heterotroficzna konsumpcja uwalnia CO ₂ , a kiedy ten CO ₂ jest uwalniany przez organizmy podziemne, uważa się to za oddychanie gleby.

Ilość oddychania gleby, która występuje w ekosystemie, jest kontrolowana przez kilka czynników. Temperatura, wilgotność, składników odżywczych i poziom tlenu w glebie mogą powodować bardzo zróżnicowane tempo oddychania. Te szybkości oddychania można mierzyć różnymi metodami. Do oddzielenia składników źródłowych, w tym przypadku typu szlaku fotosyntezy ( C3 / C4 ), respirowanych struktur roślinnych, można zastosować inne metody.

Na tempo oddychania gleby duży wpływ może mieć działalność człowieka. Dzieje się tak, ponieważ ludzie mają zdolność i od wielu lat zmieniają różne czynniki kontrolujące oddychanie gleby. globalną zmianę klimatu składa się wiele zmieniających się czynników, w tym rosnący poziom CO _{2 w atmosferze} , rosnąca temperatura i zmieniające się rozkłady opadów . Wszystkie te czynniki mogą wpływać na tempo globalnego oddychania gleby. Zwiększone nawożenie azotem przez ludzi może również wpłynąć na wskaźniki na całej planecie .

Zrozumienie oddychania gleby i jego tempa w różnych ekosystemach jest niezwykle ważne. Dzieje się tak dlatego, że oddychanie gleby odgrywa dużą rolę w globalnym obiegu węgla , jak również w innych cyklach składników odżywczych . Oddychanie struktur roślinnych uwalnia nie tylko CO ₂ , ale także inne składniki odżywcze w tych strukturach, takie jak azot. Oddychanie gleby jest również związane z pozytywnym sprzężeniem zwrotnym z globalnymi zmianami klimatycznymi. Pozytywne sprzężenie zwrotne ma miejsce wtedy, gdy zmiana w systemie wywołuje reakcję w tym samym kierunku co zmiana. W związku z tym zmiany klimatu mogą wpływać na tempo oddychania gleby, a następnie reagować poprzez nasilenie zmian klimatycznych.

Źródła dwutlenku węgla w glebie

Przenośny system oddychania gleby mierzący strumień CO _{2 w glebie}

Wszystkie procesy oddychania komórkowego uwalniają energię, wodę i CO ₂ ze związków organicznych. Każde oddychanie, które zachodzi pod ziemią, jest uważane za oddychanie gleby. Oddychanie korzeni roślin, bakterii, grzybów i zwierząt żyjących w glebie uwalnia CO ₂ w glebie, jak opisano poniżej.

Cykl kwasu trikarboksylowego (TCA).

Cykl kwasu trikarboksylowego (TCA) – lub cykl kwasu cytrynowego – jest ważnym etapem oddychania komórkowego. W cyklu TCA utlenia się sześciowęglowy cukier . To utlenianie wytwarza CO ₂ i H ₂ O z cukru. Rośliny, grzyby, zwierzęta i bakterie wykorzystują ten cykl do przekształcania związków organicznych w energię. W ten sposób większość oddychania gleby zachodzi na najbardziej podstawowym poziomie. Ponieważ proces ten opiera się na zajściu tlenu, nazywa się to oddychaniem tlenowym.

Fermentacja

Fermentacja to kolejny proces, w którym komórki pozyskują energię ze związków organicznych. W tym szlaku metabolicznym energia pochodzi ze związku węgla bez użycia tlenu. Produktami tej reakcji są dwutlenek węgla i zazwyczaj alkohol etylowy lub kwas mlekowy . Ze względu na brak tlenu szlak ten określa się mianem oddychania beztlenowego . Jest to ważne źródło CO ₂ podczas oddychania gleby w podmokłych ekosystemach, w których brakuje tlenu, jak na torfowiskach i terenach podmokłych . Jednak większość CO ₂ uwalniany z gleby zachodzi poprzez oddychanie, a jeden z najważniejszych aspektów oddychania podziemnego zachodzi w korzeniach roślin.

Oddychanie korzeni

Rośliny oddychają niektórymi związkami węgla, które powstały w procesie fotosyntezy. Kiedy to oddychanie zachodzi w korzeniach, dodaje się do oddychania gleby. Oddychanie korzeni odpowiada za około połowę całego oddychania gleby. Jednak wartości te mogą wahać się od 10 do 90% w zależności od dominujących typów roślin w ekosystemie i warunków, którym rośliny są poddawane. Tak więc ilość CO _{2 wytwarzanego przez oddychanie korzeni jest określona przez} biomasę korzeni i określone tempo oddychania korzeni. Bezpośrednio obok korzenia znajduje się obszar zwany ryzosferą, który również odgrywa ważną rolę w oddychaniu gleby.

Oddychanie ryzosfery

Ryzosfera to strefa bezpośrednio przylegająca do powierzchni korzenia wraz z sąsiadującą z nią glebą . W tej strefie zachodzi ścisła interakcja między rośliną a mikroorganizmami. Korzenie w sposób ciągły uwalniają substancje lub wydzieliny do gleby. Te wysięki obejmują cukry, aminokwasy , witaminy , długołańcuchowe węglowodany , enzymy i lizaty , które są uwalniane, gdy komórki korzeni pękają. Ilość węgla traconego w wydzielinach różni się znacznie w zależności od gatunku rośliny. Wykazano, że do 20% węgla pozyskanego w procesie fotosyntezy jest uwalniane do gleby w postaci wydzielin korzeniowych. Te wydzieliny są rozkładane głównie przez bakterie. Bakterie te będą oddychać związkami węgla w cyklu TCA; jednak fermentacja jest również obecna. Wynika to z braku tlenu spowodowanego większym zużyciem tlenu przez korzeń w porównaniu z ziemią masową, glebą w większej odległości od korzenia. Innym ważnym organizmem w ryzosferze są grzyby infekujące korzenie lub mikoryzy . Grzyby te zwiększają powierzchnię korzenia rośliny i umożliwiają korzeniowi napotkanie i pobranie większej ilości składników odżywczych gleby niezbędnych do wzrostu roślin. W zamian za tę korzyść roślina przekaże grzybom cukry. Grzyby będą oddychać tymi cukrami w celu uzyskania energii, zwiększając w ten sposób oddychanie gleby. Grzyby wraz z bakteriami i zwierzętami glebowymi odgrywają również dużą rolę w rozkładzie ściółki i materii organicznej gleby .

Zwierzęta glebowe

Zwierzęta glebowe pasą się na populacjach bakterii i grzybów, a także połykają i rozdrabniają ściółkę, aby zwiększyć oddychanie gleby. Mikrofauna składa się z najmniejszych zwierząt glebowych. Należą do nich nicienie i roztocza . Ta grupa specjalizuje się w bakteriach glebowych i grzybach. Spożywając te organizmy, węgiel, który początkowo znajdował się w organicznych związkach roślinnych i został włączony do struktur bakteryjnych i grzybowych, będzie teraz wdychany przez zwierzę żyjące w glebie. Mezofauna to zwierzęta glebowe o długości od 0,1 do 2 milimetrów (0,0039 do 0,0787 cala) i połykają ściółkę glebową. Kał _ materiał zatrzyma większą ilość wilgoci i będzie miał większą powierzchnię. Pozwoli to na nowy atak mikroorganizmów i większą ilość oddychania gleby. Makrofauna to organizmy o wielkości od 2 do 20 milimetrów (0,079 do 0,787 cala), takie jak dżdżownice i termity . Większość makrofauny fragmentuje ściółkę, narażając w ten sposób większy obszar na atak drobnoustrojów. Inne makrofauny kopią nory lub połykają ściółkę, zmniejszając gęstość gleby, rozbijając agregaty glebowe i zwiększając napowietrzanie gleby oraz infiltrację wody.

Regulacja oddychania gleby

Regulacja produkcji CO ₂ w glebie jest spowodowana różnymi czynnikami abiotycznymi lub nieożywionymi. Temperatura, wilgotność gleby i azot mają wpływ na tempo oddychania gleby.

Temperatura

Wykres przedstawiający oddychanie gleby w funkcji temperatury gleby

Temperatura wpływa na prawie wszystkie aspekty procesów oddychania. Temperatura zwiększy oddychanie wykładniczo do maksimum, w którym to momencie oddychanie spadnie do zera, gdy aktywność enzymatyczna zostanie przerwana. Oddychanie korzeni wzrasta wykładniczo wraz z temperaturą w jej dolnym zakresie, gdy szybkość oddychania jest ograniczona głównie przez cykl TCA. W wyższych temperaturach transport cukrów i produktów przemiany materii staje się czynnikiem ograniczającym. W temperaturach powyżej 35 ° C (95 ° F) oddychanie korzeni zaczyna się całkowicie zatrzymywać. Mikroorganizmy dzielą się na trzy grupy temperaturowe; kriofile , mezofile i termofile . Kriofile działają optymalnie w temperaturach poniżej 20 ° C (68 ° F), mezofile działają najlepiej w temperaturach od 20 do 40 ° C (104 ° F), a termofile działają optymalnie w temperaturze powyżej 40 ° C (104 ° F). W naturalnych glebach istnieje wiele różnych kohort lub grup mikroorganizmów. Wszystkie te kohorty będą funkcjonowały najlepiej w różnych warunkach, więc oddychanie może zachodzić w bardzo szerokim zakresie. Wzrost temperatury prowadzi do szybszego oddychania gleby, dopóki wysokie wartości nie spowalniają funkcji drobnoustrojów, jest to ten sam wzór, który obserwuje się w przypadku poziomów wilgotności gleby.

Wilgotność gleby

Wilgotność gleby jest kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na oddychanie gleby. Oddychanie gleby jest niskie w suchych warunkach i wzrasta do maksimum przy pośrednich poziomach wilgotności, aż zaczyna spadać, gdy zawartość wilgoci wyklucza tlen. Pozwala to na panowanie warunków beztlenowych i obniżenie aktywności drobnoustrojów tlenowych. Badania wykazały, że wilgotność gleby ogranicza oddychanie tylko w najniższych i najwyższych warunkach, z dużym płaskowyżem występującym przy pośrednich poziomach wilgotności gleby w większości ekosystemów. Wiele mikroorganizmów posiada strategie wzrostu i przetrwania w warunkach niskiej wilgotności gleby. W warunkach wysokiej wilgotności gleby wiele bakterii pobiera zbyt dużo wody, powodując lizę lub pękanie błony komórkowej. Może to tymczasowo zmniejszyć tempo oddychania gleby, ale liza bakterii powoduje wzrost zasobów wielu innych bakterii. Ten szybki wzrost dostępnych nietrwałych substratów powoduje krótkotrwałe wzmożone oddychanie gleby. Oddychanie korzeni wzrośnie wraz ze wzrostem wilgotności gleby, zwłaszcza w suchych ekosystemach; jednak reakcja oddychania korzeni poszczególnych gatunków na wilgotność gleby będzie się znacznie różnić w zależności od gatunku, w zależności od cech historii życia. Wyższe poziomy wilgoci w glebie osłabią oddychanie korzeni poprzez ograniczenie dostępu tlenu atmosferycznego. Z wyjątkiem roślin wodno-błotnych, które wykształciły specyficzne mechanizmy napowietrzania korzeni, większość roślin nie jest przystosowana do glebowych środowisk wodno-błotnych z niski poziom tlenu . Efekt tłumienia oddychania przez podwyższoną wilgotność gleby jest wzmacniany, gdy oddychanie gleby również obniża redoks gleby poprzez bioelektrogenezę . Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe oparte na glebie stają się popularnymi narzędziami edukacyjnymi w klasach przedmiotów ścisłych.

Azot

Azot bezpośrednio wpływa na oddychanie gleby na kilka sposobów. Azot musi być pobierany przez korzenie, aby stymulować wzrost i życie roślin. Większość dostępnego azotu występuje w postaci NO ₃^{− , którego} wejście do korzenia kosztuje 0,4 jednostki CO _{2 , ponieważ do przesunięcia go w górę} gradientu stężenia potrzebna jest energia . Wewnątrz korzenia NO ₃⁻ musi zostać zredukowane do NH ₃ . Ten krok wymaga więcej energii, co równa się 2 jednostkom CO ₂ na zredukowaną cząsteczkę. W roślinach z symbiontami bakteryjnymi , które wiążą azot atmosferyczny, koszt energetyczny poniesienia przez roślinę jednej cząsteczki NH ₃ z atmosferycznego N ₂ wynosi 2,36 CO ₂ . Istotne jest, aby rośliny pobierały azot z gleby lub polegały na symbiontach w celu wiązania go z atmosfery, aby zapewnić wzrost, rozmnażanie i długoterminowe przetrwanie.

Innym sposobem, w jaki azot wpływa na oddychanie gleby, jest rozkład ściółki . Ściółka o wysokiej zawartości azotu jest uważana za ściółkę wysokiej jakości i jest łatwiej rozkładana przez mikroorganizmy niż ściółka o niskiej jakości. Degradacja celulozy , wytrzymałego związku budulcowego roślin, jest również procesem ograniczonym do azotu i będzie wzrastać wraz z dodawaniem azotu do ściółki.

Metody pomiaru

Istnieją różne metody pomiaru szybkości oddychania gleby i określania źródeł. Metody można podzielić na metody terenowe i laboratoryjne. Najpowszechniejsze metody terenowe obejmują wykorzystanie długoterminowych, samodzielnych systemów przepływu gleby do pomiaru w jednym miejscu w różnych momentach; badanie systemów oddychania gleby w celu dokonania pomiarów w różnych miejscach iw różnym czasie. Wykorzystanie stosunków izotopów stabilnych może mieć zastosowanie zarówno w pomiarach laboratoryjnych, jak i terenowych.

Oddychanie gleby można mierzyć samodzielnie lub z dodanymi składnikami odżywczymi i (węglowymi) substratami, które dostarczają mikroorganizmom źródeł pożywienia. Oddychanie gleby bez dodatku składników pokarmowych i substratów nazywa się podstawowym oddychaniem gleby (BR). Z dodatkiem składników pokarmowych (często azotu i fosforu) oraz substratów (np. cukrów) nazywa się to oddychaniem gleby wywołanym przez podłoże (SIR). Zarówno w pomiarach BR, jak i SIR zawartość wilgoci można regulować za pomocą wody.

Metody terenowe

Długoterminowe, samodzielne systemy pomiaru strumienia gleby do pomiaru w jednym miejscu w czasie

Zautomatyzowany system wymiany CO _{2 w glebie}

Systemy te mierzą w jednym miejscu przez długi czas. Ponieważ mierzą tylko w jednym miejscu, często stosuje się wiele stacji, aby zmniejszyć błąd pomiaru spowodowany zmiennością gleby na małych odległościach. Zmienność gleby można badać za pomocą przyrządów pomiarowych do oddychania gleby.

Długoterminowe przyrządy są zaprojektowane tak, aby pomiędzy pomiarami w jak największym stopniu wystawić miejsce pomiaru na działanie warunków otoczenia.

Rodzaje samodzielnych instrumentów długoterminowych

Układy zamknięte, niestacjonarne

Systemy zamknięte wykonują pomiary krótkoterminowe (zwykle tylko przez kilka minut) w komorze uszczelnionej nad gruntem. Szybkość wypływu CO _{2 z gleby} jest obliczana na podstawie zwiększonego CO ₂ wewnątrz komory. Ponieważ ciągłe gromadzenie się CO ₂ leży w naturze zamkniętych komór , okresy pomiaru są skracane do minimum, aby osiągnąć wykrywalny, liniowy wzrost stężenia, unikając nadmiernego gromadzenia się CO ₂ wewnątrz komory w miarę upływu czasu.

zarówno informacje o poszczególnych testach , jak i dobowe pomiary oddychania CO _{2 .} Często takie systemy mierzą również temperaturę gleby, wilgotność gleby i PAR ( promieniowanie aktywne fotosyntetycznie ). Zmienne te są zwykle zapisywane w pliku pomiarowym wraz z wartościami CO ₂ .

W celu określenia respiracji gleby i nachylenia wzrostu CO ₂ naukowcy wykorzystali analizę regresji liniowej, algorytm Pedersena (2001) oraz regresję wykładniczą . Istnieje więcej opublikowanych odniesień do analizy regresji liniowej; jednak algorytm Pedersena i metody analizy regresji wykładniczej również mają swoich zwolenników. Niektóre systemy oferują wybór metod matematycznych.

Podczas korzystania z regresji liniowej wiele punktów danych jest przedstawianych na wykresie, a punkty można dopasować do równania regresji liniowej, które zapewni nachylenie. To nachylenie może zapewnić szybkość oddychania gleby za pomocą równania , gdzie F $to$ szybkość gleby, , to objętość komory A to powierzchnia gleby pokryta przez komorę. Ważne jest, aby pomiar nie trwał dłużej, ponieważ wzrost stężenia CO ₂ w komorze spowoduje również wzrost stężenia CO ₂ w porowatej wierzchniej warstwie profilu glebowego. Ten wzrost stężenia spowoduje niedoszacowanie tempa oddychania gleby z powodu dodatkowego magazynowania CO ₂ w glebie.

Systemy otwarte, stacjonarne

Systemy trybu otwartego są zaprojektowane do znajdowania szybkości przepływu gleby po osiągnięciu równowagi w komorze pomiarowej. Powietrze przepływa przez komorę, zanim komora zostanie zamknięta i uszczelniona. z komory wszelkich poziomów CO _{2 spoza otoczenia przed pomiarem.} Po zamknięciu komory świeże powietrze jest pompowane do komory z kontrolowanym i programowalnym natężeniem przepływu. Miesza się on z CO ₂ z gleby i po pewnym czasie zostaje osiągnięta równowaga. Badacz określa punkt równowagi jako różnicę CO ₂ pomiary pomiędzy kolejnymi odczytami, w czasie, który upłynął. Podczas testu szybkość zmian powoli maleje, aż do spełnienia kryteriów szybkości zmian określonych przez klienta lub maksymalnego czasu wybranego dla oznaczenia. Strumień gleby lub szybkość zmian jest następnie określana po osiągnięciu warunków równowagi w komorze. Natężenia i czasy przepływu w komorze są programowalne, dokładnie mierzone i wykorzystywane w obliczeniach. Systemy te mają otwory wentylacyjne zaprojektowane tak, aby zapobiegać możliwemu niedopuszczalnemu gromadzeniu się częściowego CO ₂ ciśnienie omówione w systemach w trybie zamkniętym. Ponieważ ruch powietrza wewnątrz komory może powodować wzrost ciśnienia w komorze lub zewnętrzne wiatry mogą powodować obniżenie ciśnienia w komorze, zastosowano odpowietrznik zaprojektowany tak, aby był jak najbardziej odporny na wiatr.

Systemy otwarte nie są również tak wrażliwe na zmiany struktury gleby lub problemy z rezystancją warstwy granicznej na powierzchni gleby. Przepływ powietrza w komorze przy powierzchni gruntu ma na celu zminimalizowanie zjawisk oporu warstwy granicznej.

Systemy trybu hybrydowego

Istnieje również system hybrydowy. Posiada otwór wentylacyjny, który został zaprojektowany tak, aby był jak najbardziej odporny na wiatr i zapobiegał możliwemu niedopuszczalnemu wzrostowi ciśnienia częściowego CO ₂ , ale jest zaprojektowany do działania jak system w trybie zamkniętym pod innymi względami.

Zbadaj systemy oddychania gleby – do testowania zmienności oddychania CO ₂ w różnych miejscach iw różnym czasie

Pomiar przestrzennej zmienności respiracji gleby w terenie

Są to przyrządy w trybie otwartym lub zamkniętym, które są przenośne lub półprzenośne. Mierzą one zmienność oddychania CO _{2 gleby w różnych miejscach iw różnym czasie.} W przypadku tego typu przyrządów kołnierze glebowe, które można podłączyć do geodezyjnego przyrządu pomiarowego, są wkładane do gruntu i pozostawia się grunt do ustabilizowania na pewien czas. Wprowadzenie kołnierza glebowego tymczasowo narusza glebę, tworząc artefakty pomiarowe. Z tego powodu często umieszcza się kilka kołnierzy glebowych w różnych miejscach. Kołnierze glebowe są wsunięte na tyle głęboko, aby ograniczyć boczną dyfuzję CO ₂ . Po ustabilizowaniu gleby naukowiec przechodzi następnie z jednego kołnierza do drugiego zgodnie z projektem eksperymentalnym, aby zmierzyć oddychanie gleby.

Pomiarowe systemy oddychania gleby można również wykorzystać do określenia liczby długoterminowych, samodzielnych instrumentów czasowych, które są wymagane do osiągnięcia akceptowalnego poziomu błędu. Różne lokalizacje mogą wymagać różnej liczby długoterminowych samodzielnych jednostek ze względu na większą lub mniejszą zmienność oddychania gleby.

Metody izotopowe

Rośliny pozyskują CO ₂ i wytwarzają związki organiczne za pomocą jednego z trzech szlaków fotosyntezy . Dwie najbardziej rozpowszechnione ścieżki to _C3 i _C4 . Rośliny C ₃ są najlepiej przystosowane do chłodnych i wilgotnych warunków, podczas gdy rośliny C ₄ dobrze radzą sobie w gorących i suchych ekosystemach. Ze względu na różne enzymy fotosyntetyczne między dwoma szlakami, preferencyjnie nabywane są różne izotopy węgla . izotopy są tym samym pierwiastkiem i różnią się liczbą neutronów, przez co jeden izotop jest cięższy od drugiego. Dwa stabilne izotopy węgla to ¹² C i ¹³ C. Szlak _C3 będzie bardziej dyskryminował cięższy izotop niż szlak _C4 . Spowoduje to, że struktury roślin wytwarzane z roślin C4 _będą bardziej wzbogacone w cięższy izotop, a zatem wydzieliny z korzeni i ściółka z tych roślin również będą bardziej wzbogacone. Kiedy węgiel w tych strukturach jest wdychany, _CO2 pokaże podobny stosunek obu izotopów. Naukowcy wyhodują roślinę C ₄ na glebie, na której wcześniej rosła roślina C ₃ lub odwrotnie. Wykonując pomiary respiracji gleby i analizując stosunki izotopowe CO2, _można określić, czy respiracja gleby to głównie stary czy niedawno utworzony węgiel. Na przykład kukurydza, roślina C ₄ , była uprawiana na glebie, na której wcześniej uprawiano pszenicę jarą , roślinę C _{3 .} Wyniki wykazały oddychanie _C3 SOM w ciągu pierwszych 40 dni, ze stopniowym liniowym wzrostem wzbogacenia w ciężkie izotopy do dnia 70. Dni po 70 wykazały powolne wzbogacenie do szczytu w dniu 100. Analizując dane dotyczące stabilnych izotopów węgla, możliwe jest określenie składników źródłowych oddychał SOM, który został wyprodukowany przez różne szlaki fotosyntezy.

Oddychanie indukowane podłożem w terenie przy użyciu stabilnych izotopów

Jednym z problemów związanych z pomiarem oddychania gleby w terenie jest to, że nie można odróżnić oddychania mikroorganizmów od oddychania korzeni roślin i zwierząt żyjących w glebie. Można temu zaradzić, stosując techniki stabilnych izotopów. Cukier trzcinowy to cukier C4, _który może pełnić rolę znacznika izotopowego. Cukier trzcinowy ma nieco wyższą zawartość ¹³ C (δ ¹³ C ≈ −10 ‰) niż endogenny (naturalny) węgiel w ekosystemie C ₃ (δ ¹³ C=-25 do -28‰). Cukier trzcinowy można spryskać glebę w roztworze i przeniknie do górnej warstwy gleby. Tylko mikroorganizmy będą wdychać dodany cukier, ponieważ korzenie oddychają wyłącznie produktami węglowymi, które są przyswajane przez roślinę w procesie fotosyntezy. Analizując δ ¹³ C CO _{2 wydzielającego się z gleby z dodatkiem cukru trzcinowego lub bez niego,} można obliczyć frakcję C ₃ (korzeń i drobnoustroje) i C _{4 (oddychanie drobnoustrojów).}

Oddychanie w terenie przy użyciu stabilnych izotopów może być wykorzystywane jako narzędzie do pomiaru oddychania drobnoustrojów in situ bez zakłócania społeczności drobnoustrojów poprzez mieszanie składników odżywczych w glebie, tlenu i zanieczyszczeń gleby, które mogą być obecne.

Reakcje na zakłócenia spowodowane przez człowieka

W ciągu ostatnich 160 lat ludzie zmienili sposób użytkowania gruntów i praktyki przemysłowe, które zmieniły klimat i globalne cykle biogeochemiczne . Zmiany te wpłynęły na szybkość oddychania gleby wokół planety. Ponadto coraz częstsze ekstremalne zjawiska klimatyczne, takie jak fale upałów (obejmujące zaburzenia wysokich temperatur i związane z nimi intensywne susze), po których następują intensywne opady deszczu, wpływają na społeczności drobnoustrojów i fizykochemię gleby oraz mogą powodować zmiany w oddychaniu gleby.

Podwyższony dwutlenek węgla

Od czasów rewolucji przemysłowej ludzie emitują do atmosfery ogromne ilości CO _{2 .} Emisje te znacznie wzrosły w czasie i spowodowały wzrost poziomu CO _{2 w atmosferze na świecie} do najwyższego poziomu od ponad 750 000 lat. Oddychanie gleby wzrasta, gdy ekosystemy są narażone na podwyższone poziomy CO ₂ . Przeprowadzono liczne badania wzbogacania wolnego powietrza CO _{2 (FACE) w celu przetestowania oddychania gleby przy przewidywanym przyszłym podwyższonym poziomie CO}₂ warunki. Niedawne badania FACE wykazały znaczny wzrost oddychania gleby z powodu zwiększonej biomasy korzeni i aktywności mikrobiologicznej. Stwierdzono, że oddychanie gleby wzrasta do 40,6% w miodowych w Tennessee i lasach topolowych w Wisconsin w warunkach podwyższonego poziomu CO _{2 .} Jest bardzo prawdopodobne, że poziomy CO ₂ przekroczą poziomy stosowane w tych eksperymentach FACE do połowy tego stulecia z powodu zwiększonego wykorzystania przez ludzi paliw kopalnych i praktyk związanych z użytkowaniem gruntów.

Ocieplenie klimatu

W wyniku wzrostu temperatury gleby wzrasta poziom CO ₂ w naszej atmosferze, a tym samym rośnie średnia średnia temperatura Ziemi. Wynika to z działalności człowieka, takiej jak wycinanie lasów , obnażanie gleby i rozwój, który niszczy autotrof procesy. Wraz z utratą fotosyntetyzujących roślin pokrywających i ochładzających powierzchnię gleby, energia podczerwieni wnika w glebę, podgrzewając ją i powodując wzrost bakterii heterotroficznych. Heterotrofy w glebie szybko degradują materię organiczną, a struktura gleby kruszy się, w ten sposób rozpuszcza się w strumieniach i rzekach do morza. Znaczna część materii organicznej zmiecionej podczas powodzi spowodowanych wycinką lasów trafia do ujść rzek , mokradeł i ostatecznie do otwartego oceanu. Zwiększone zmętnienie wód powierzchniowych powoduje biologiczne zapotrzebowanie na tlen i ginie więcej organizmów autotroficznych. Poziom dwutlenku węgla wzrasta wraz ze zwiększonym oddychaniem bakterii glebowych po wzroście temperatury z powodu utraty pokrywy glebowej.

Jak wspomniano wcześniej, temperatura ma duży wpływ na szybkość oddychania gleby. Może to mieć najbardziej drastyczny wpływ na Arktykę . Duże zapasy węgla są zamknięte w zamarzniętej wiecznej zmarzlinie . Wraz ze wzrostem temperatury ta wieczna zmarzlina topnieje i zaczynają dominować warunki tlenowe, co znacznie zwiększa tempo oddychania w tym ekosystemie.

Zmiany w opadach

Ze względu na zmieniające się wzorce temperatur i zmieniające się warunki oceaniczne oczekuje się, że wzorce opadów będą się zmieniać pod względem lokalizacji, częstotliwości i intensywności. Oczekuje się większych i częstszych burz, gdy oceany będą w stanie przekazać więcej energii do tworzących się systemów burzowych. Może to mieć największy wpływ na suche lub suche ekosystemy. Wykazano, że oddychanie gleby w suchych ekosystemach wykazuje dynamiczne zmiany w cyklu deszczowym . Tempo oddychania w suchej glebie zwykle gwałtownie wzrasta do bardzo wysokiego poziomu po opadach deszczu, a następnie stopniowo maleje w miarę wysychania gleby. Wraz ze wzrostem częstotliwości i intensywności opadów na obszarze bez wcześniejszych intensywnych opadów można wnioskować o dramatycznym wzroście oddychania gleby.

Nawożenie azotem

Od początku Zielonej Rewolucji w połowie ubiegłego stulecia wyprodukowano ogromne ilości nawozów azotowych i wprowadzono je do prawie wszystkich systemów rolniczych. Doprowadziło to do wzrostu azotu dostępnego dla roślin w ekosystemach na całym świecie z powodu spływów rolniczych i nawożenia napędzanego wiatrem . Jak omówiono wcześniej, azot może mieć znaczący pozytywny wpływ na poziom i szybkość oddychania gleby. Stwierdzono, że wzrost zawartości azotu w glebie zwiększa oddychanie ciemnych roślin, stymuluje określone tempo oddychania korzeni i zwiększa całkowitą biomasę korzeni. Dzieje się tak, ponieważ wysokie dawki azotu są związane z wysokim tempem wzrostu roślin. Wysokie tempo wzrostu roślin doprowadzi do zwiększonego oddychania i biomasy stwierdzonej w badaniu. Dzięki temu wzrostowi produktywności można zapewnić wzrost aktywności gleby, a tym samym oddychanie.

Znaczenie

Oddychanie gleby odgrywa znaczącą rolę w globalnym obiegu węgla i składników odżywczych, a także jest motorem zmian klimatu. Role te są ważne dla naszego zrozumienia świata przyrody i zachowania człowieka.

Globalny obieg węgla

Oddychanie gleby odgrywa kluczową rolę w regulacji obiegu węgla na poziomie ekosystemu iw skali globalnej. Każdego roku około 120 petagramów (Pg) węgla są pobierane przez rośliny lądowe i podobna ilość jest uwalniana do atmosfery poprzez oddychanie ekosystemów. Globalne gleby zawierają do 3150 μg węgla, z czego 450 μg występuje na terenach podmokłych, a 400 μg na trwale zamarzniętych glebach. Gleby zawierają ponad czterokrotnie więcej węgla niż atmosfera. Naukowcy oszacowali, że oddychanie gleby odpowiada za 77 μg węgla uwalnianego do atmosfery każdego roku. Ten poziom uwalniania jest większy niż uwalnianie węgla ze antropogenicznych (56 μg rocznie), takich jak paliwa kopalne palenie. Zatem niewielka zmiana oddychania gleby może poważnie zmienić równowagę między stężeniem CO _{2 w atmosferze} a zapasami węgla w glebie. Podobnie jak oddychanie gleby może odgrywać znaczącą rolę w globalnym obiegu węgla, może również regulować globalny obieg składników odżywczych .

Cykl składników odżywczych

Głównym składnikiem oddychania gleby jest rozkład ściółki, który uwalnia CO ₂ do środowiska, jednocześnie unieruchamiając lub mineralizując składniki odżywcze. Podczas rozkładu składniki odżywcze, takie jak azot, są unieruchamiane przez drobnoustroje w celu ich własnego wzrostu. Gdy te drobnoustroje są połykane lub giną, do gleby dodaje się azot. Azot jest również mineralizowany w wyniku degradacji białek i kwasów nukleinowych w ściółce. Ten zmineralizowany azot jest również dodawany do gleby. Dzięki tym procesom tempo wprowadzania azotu do gleby jest sprzężone z tempem oddychania drobnoustrojów. Badania wykazały, że tempo oddychania gleby było związane z tempem obrotu mikrobiologicznego i mineralizacji azotu. Zmiany globalnych cykli mogą dalej wpływać na zmianę klimatu planety.

Zmiana klimatu

Jak wspomniano wcześniej, CO ₂ uwalniany w wyniku oddychania gleby jest gazem cieplarnianym , który będzie nadal zatrzymywać energię i zwiększać średnią globalną temperaturę, jeśli stężenie będzie nadal rosło. Wraz ze wzrostem temperatury na świecie rośnie tempo oddychania gleby na całym świecie, co prowadzi do wyższego stężenia CO ₂ w atmosferze, co ponownie prowadzi do wyższych temperatur na świecie. To jest przykład pozytywnej opinii pętla. Szacuje się, że wzrost temperatury o 2°C doprowadzi do uwolnienia do atmosfery dodatkowo 10 μg węgla rocznie w wyniku oddychania gleby. To większa ilość niż obecne antropogeniczne emisje dwutlenku węgla. Istnieje również możliwość, że ten wzrost temperatury uwolni węgiel zmagazynowany w trwale zamarzniętych glebach, które obecnie topnieją. Modele klimatyczne sugerują, że to pozytywne sprzężenie zwrotne między oddychaniem gleby a temperaturą doprowadzi do zmniejszenia ilości węgla zmagazynowanego w glebie do połowy XXI wieku.

Streszczenie

Oddychanie gleby jest kluczowym procesem ekosystemowym, który uwalnia węgiel z gleby w postaci dwutlenku węgla. Węgiel jest magazynowany w glebie jako materia organiczna i jest wdychany przez rośliny, bakterie, grzyby i zwierzęta. Kiedy to oddychanie zachodzi pod ziemią, uważa się, że oddychanie gleby. Temperatura, wilgotność gleby i azot regulują tempo przemiany węgla zawartego w glebowych związkach organicznych w CO ₂ . Do pomiaru oddychania gleby stosuje się wiele metod; jednak zamknięta komora dynamiczna i stosowanie stabilnych stosunków izotopów to dwie najbardziej rozpowszechnione techniki. Ludzie zmienili atmosferyczny CO ₂ poziomy, wzorce opadów i wskaźniki nawożenia, z których wszystkie odegrały znaczącą rolę w szybkości oddychania gleby. Zmiany tych wskaźników mogą zmieniać globalne cykle węgla i składników odżywczych, a także odgrywać znaczącą rolę w zmianach klimatu.

Wang Y, AmundsoR, Trumbore S (1999). „Wpływ zmiany użytkowania gruntów na obrót C w glebie” (PDF) . Globalne cykle biogeochemiczne . 13 (1): 47–57. Bibcode : 1999GBioC..13...47W . doi : 10.1029/1998GB900005 .
Su B. (2005) Interakcje między cyklami węgla, azotu i wody w ekosystemie w warunkach zmian globalnych: wyniki doświadczeń polowych i mezokosmicznych. University of Oklahoma, Norman, ok.
Flanagan L i Veum A. (1974) Zależności między oddychaniem, utratą wagi, temperaturą i wilgocią w pozostałościach organicznych w tundrze. Organizmy glebowe i rozkład w tundrze. 249–277.

Linki zewnętrzne

Scholia ma profil oddychania gleby (Q889453) .

Oddychanie podziemne , Duke University