أنباء وآراء

الفطريات تلعب دورًا أساسيًا في استجابة التربة لثاني أكسيد الكربون

يكشف تحليل لتجارب خُصِّب فيها الهواء المحيط بالنباتات البرية أو التجمعات النباتية بثاني أكسيد الكربون عن وجود تناسق بين التغيرات الناتجة في مخزون التربة من الكربون، والكتلة الحيوية النباتية فوق سطح الأرض.

آنا باستوس، وكاترين فليتشر
  • Published online:

في بحث نُشر مؤخرًا في دورية Nature، يكشف الباحث سيزار تيرر وزملاؤه1عن علاقة تبادلية غير متوقعة بين ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من جهة، والكتلة الحيوية النباتية، ومخزون التربة من الكربون من جهة أخرى. فعلى نقيض السيناريوهات الافتراضية التي ترمِّزها أغلب النماذج الحاسوبية للنظم الإيكولوجية البرِّية، تبين أن تراكم الكربون في التربة لا تربطه علاقة مطردة بكمية الكربون التي تمتصها النباتات من أجل نمو كتلتها الحيوية، عندما تزداد تركيزات ثاني أكسيد الكربون. بل على العكس من ذلك، أظهر واضعو الدراسة أن مستويات تراكم الكربون في التربة ترتفع عندما تزداد الكتلة الحيوية النباتية زيادة طفيفة استجابةً لامتصاص ثاني أكسيد الكربون، وأن تلك المستويات تنخفض عندما يزداد نمو الكتلة الحيوية النباتية بدرجة كبيرة. ويشير تيرر وفريقه البحثي إلى أن علاقات الارتباط التي تجمع بين النباتات والفطريات المتكافلة مع جذور هذه النباتات في التربة تُعَد عاملًا أساسيًّا في هذه العلاقة بين الاستجابة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون فوق سطح التربة، وتحت ذلك السطح.

وجدير بالذكر، أن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يُعتقد أنها أدت إلى زيادة كمية الكربون التي تمتصها النظم الإيكولوجية الأرضية على مستوى العالم خلال العقود القليلة الماضية. وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير التخصيب بثاني أكسيد الكربون2. وتَحدُث هذه الظاهرة نتيجة لأنّ ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في أوراق النباتات يعزِّز عملية البناء الضوئي، ويُحسِّن كفاءة عملية استخدام الموارد (الماء، والضوء، والمواد المغذية مثل النيتروجين) من أجل امتصاص ثاني أكسيد الكربون، ودعم نمو الكتلة الحيوية النباتية3 وقد رُصِدَت أدلة تؤكد تأثير هذا التخصيب في التجارب التي جرى فيها تخصيب الغلاف الجوي المحيط بالنباتات، أو التجمعات النباتية بثاني أكسيد الكربون. بيد أنه على صعيد النظم البيئية الكاملة، يصعب تتبع هذه الاستجابة للتخصيب بثاني أكسيد الكربون، لأن تأثيرات هذا التخصيب تضعف وتتضاءل على امتداد سلسلة من العمليات المتصلة. لذا، فإن حصر مقدار استجابة حوض الكربون الأرضي العالمي لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون يظل تحديًا كبيرًا (انظر: go.nature.com/3vgvhj).

ويمكن القول إنّ طبيعة التغيرات التي تطرأ على كربون التربة تجعل من الصعب رصدها. كما أنّ الدراسات التي تقيس تأثيرات ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون على مخزون التربة من الكربون اتسمت بالغموض وعدم الوضوح4. من هنا، عكف تيرر وزملاؤه على دراسة تلك التأثيرات عن طريق إجراء تحليل تجميعي لإحصاءات 108 من تجارب التخصيب بثاني أكسيد الكربون. ويُقدِّر الباحثون أن تلك الدراسات زاد فيها مخزون التربة من الكربون في المواقع غير الحرجية، ولكنها ظلت على حالها، دون تغيير تقريبًا، في مناطق الغابات. ومن خلال تقييم تأثيرات المتغيرات البيئية المتعددة، خلص الفريق البحثي إلى اكتشاف مدهش، وهو أن التفسير الأمثل للأنماط المرصودة يتمثل في أن التغيرات في مخزون التربة من الكربون ترتبط ارتباطًا عكسيًّا بالتغيُّرات في الكتلة الحيوية النباتية فوق سطح الأرض. إذ إن زيادة تراكم الكربون في الكتلة النباتية الحيوية ارتبط بنقصانه من التربة، في حين كان انخفاض تراكم الكربون في هذه الكتلة مرتبطًا بحصول التربة على الكربون. ولم تتضح تلك العلاقة سوى في التجارب التي لم تُضَف فيها أية مواد مغذية إلى المنظومة الخاضعة للدراسة، وهو ما دفع الباحثين إلى افتراض أن استراتيجيات النباتات في الحصول على المواد المغذية مسؤولة عن ذلك، وهو ما يعتمد بدوره على الفطريات المتكافلة مع جذور هذه النباتات في التربة.

وقد أشارت دراسة سابقة5 إلى أن زيادة طفيفة فقط في الكتلة النباتية الحيوية الموجودة فوق سطح الأرض تحدث في النباتات المُخصَّبة بثاني أكسيد الكربون، والتي تتكافل مع فطريات في جذورها (هي الفطريات الجذرية الشجرية، أو اختصارًا AM). وتستخدم هذه النباتات شبكة ممتدة من الخيوط الفطرية المتشعبة التي تساعد على نمو الغطاء النباتي فوق سطح الأرض، وهذا النمو من شأنه تعزيز امتصاص النيتروجين من محلول التربة. غير أن الفطريات الجذرية الشجرية لديها في الوقت ذاته قدرة محدودة على "استخلاص" النيتروجين من المادة العضوية في التربة. ولذا، فإن بقاء النيتروجين في التربة يحد من زيادة نمو الكتلة الحيوية للنباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الشجرية استجابةً لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون. وعلى النقيض من ذلك، تُظهِر الأنواع النباتية المتكافلة مع مجموعة مختلفة من فطريات التربة (الفطريات الجذرية الخارجية، أو اختصارًا ECM) زيادة أكبر في نمو الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض، في دراسات التخصيب بثاني أكسيد الكربون؛ وذلك لأن بعضًا من الكربون الموجود بها، يُخصَّص لهذه الفطريات الجذرية الخارجية التي يمكنها استخلاص النيتروجين5، مع ذلك، يُعتقَد أن استخلاص الفطريات الجذرية الخارجية للمواد المغذية يُسرِّع وتيرة عملية تحلل المواد العضوية في التربة.

ويرى تيرر وزملاؤه في الوقت الراهن أن النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الشجيرية تنتج في تجارب التخصيب بثاني أكسيد الكربون زيادة في مخزون التربة من الكربون، أكبر من تلك التي تنتجها النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الخارجية. ويشير الباحثون إلى أن هذا يرجع إلى أن النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الشجيرية تخصِّص المزيد من الكربون للجذور الدقيقة، والمُركَّبات التي تفرزها الجذور؛ مما يؤدي إلى تراكم الكربون في التربة (الشكل 1أ). وعلى النقيض من ذلك، يؤدي حصول النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الخارجية على المغذيات إلى زيادة معدل دوران المواد العضوية في التربة، وبالتالي نقصان تلك المواد من التربة (الشكل 1ب). وبوجه عام، سيؤدي ذلك إلى علاقة تبادلية على مستوى النظام الإيكولوجي بين كمية الكربون المحتجزة في النباتات، وتلك المحتجزة في الغلاف الجوي الذي جرى تخصيبه بثاني أكسيد الكربون.

الشكل 1 | آثار مفترضة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يشير تيرر وزملاؤه1 إلى أن تكافُل النباتات مع أنواع مختلفة من الفطريات الجذرية في التربة يؤثر على استجابات النباتات والتربة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. أ. النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الشجيرية (وهي في هذه الدراسة تتضمن الأعشاب، وبعض الأشجار) لا "تستخلص" النيتروجين (المادة المغذية) من التربة، وبالتالي لا تنتج قدرًا كبيرًا من الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض، عندما ترتفع مستويات ثاني أكسيد الكربون. وبدلًا من ذلك، فإنها تخصص الكربون للجذور الدقيقة والمواد التي تفرزها الجذور، مما يؤدي إلى تراكم الكربون في التربة. ويؤدي ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تنفس الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في التربة إلى إعادة الكربون إلى الغلاف الجوي. ب. تستخلص النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الخارجية(والتي تضم الأشجار فقط في هذه الدراسة) النيتروجين من التربة. ويؤدي امتصاصها له إلى زيادة أكبر في نمو الكتلة الحيوية، مقارنةً بها في الحالة أ، غير أن استخلاص المواد المغذية من التربة يزيد من معدل تحلل المواد العضوية في التربة. وهكذا، فإن كمية الكربون في التربة تتناقص استجابةً لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون؛ ويكون تنفس الميكروبات في التربة أكبر مما هو عليه في الحالة أ.

الشكل 1 | آثار مفترضة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يشير تيرر وزملاؤه1 إلى أن تكافُل النباتات مع أنواع مختلفة من الفطريات الجذرية في التربة يؤثر على استجابات النباتات والتربة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. أ. النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الشجيرية (وهي في هذه الدراسة تتضمن الأعشاب، وبعض الأشجار) لا "تستخلص" النيتروجين (المادة المغذية) من التربة، وبالتالي لا تنتج قدرًا كبيرًا من الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض، عندما ترتفع مستويات ثاني أكسيد الكربون. وبدلًا من ذلك، فإنها تخصص الكربون للجذور الدقيقة والمواد التي تفرزها الجذور، مما يؤدي إلى تراكم الكربون في التربة. ويؤدي ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تنفس الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في التربة إلى إعادة الكربون إلى الغلاف الجوي. ب. تستخلص النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الخارجية(والتي تضم الأشجار فقط في هذه الدراسة) النيتروجين من التربة. ويؤدي امتصاصها له إلى زيادة أكبر في نمو الكتلة الحيوية، مقارنةً بها في الحالة أ، غير أن استخلاص المواد المغذية من التربة يزيد من معدل تحلل المواد العضوية في التربة. وهكذا، فإن كمية الكربون في التربة تتناقص استجابةً لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون؛ ويكون تنفس الميكروبات في التربة أكبر مما هو عليه في الحالة أ.

كبر الصورة

وتفترض غالبية نماذج أنظمة الأرض التي تفسر عمليات تدوير الكربون الأرضي أن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي سيزيد من نمو النباتات؛ مما يؤدي إلى إنتاج المزيد من النفايات النباتية، وبالتالي إلى زيادة مخزون التربة من الكربون6. من هنا، قارن واضعو الدراسة بين التغيرات في كربون التربة والكتلة الحيوية النباتية فوق سطح الأرض، التي تتنبأ بها نماذج مختلفة، سواء على صعيد عمليات محاكاة لِسِتّ تجارب للتخصيب بثاني أكسيد الكربون في الهواء الطلق، أو على صعيد عمليات محاكاة عالمية للارتفاعات التاريخية والمستقبلية في مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ولم تتكرر في أي من هذه النماذج العلاقة العكسية بين احتجاز الكربون في التربة، ونمو الكتلة الحيوية النباتية، التي رُصِدَت في الدراسة الحالية.

وهكذا، تقدم النتائج التي توصل إليها تيرر وزملاؤه المشاركون في الدراسة تحذيرًا عاجلًا آخر، مفاده أن النماذج المناخية الحالية تبالغ في تقدير كمية الكربون التي ستحتجزها النظم الإيكولوجية الأرضية مع ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ليس فقط لأن هذه النماذج تتجاهل إلى حد كبير شح المواد الغذائية، وإنما أيضًا لأنها تبالغ في تقدير كمية الكربون التي يمكن احتجازها في التربة، لا سيما في النظم الإيكولوجية للغابات7. بيد أن الدراسة الجديدة تكشف أيضًا أن الأراضي العشبية، وأراضي الشجيرات، وغيرها من النظم الإيكولوجية التي لديها بالفعل مخزون مرتفع من الكربون في التربة تملك قدرة كبيرة على تجميع المزيد من الكربون في التربة، مع ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون. وهكذا تعزز هذه النتائج الدعوات السابقة لحماية مخزون الكربون الحالي في التربة، للتخفيف من آثار التغير المناخي8.

غير أن تجارب التخصيب بثاني أكسيد الكربون المدرجة في الإحصاء التحليلي التجميعي الذي أجراه تيرر وفريقه البحثي تشوبها بعض أوجه القصور. إذ تميل هذه التجارب إلى دراسة المنظومات معتدلة المناخ، كما أن معظم مناطق الغابات التي شملتها الدراسة تتكافل مع الفطريات الجذرية الخارجية، في حين أن جميع الأراضي العشبية في الدراسة تتكافل مع الفطريات الجذرية الشجيرية. كما لم ير الباحثون أن ثمة تأثير جوهري لنوع النظام الإيكولوجي على الاستجابات المرصودة لثاني أكسيد الكربون. رغم ذلك، لا يزال من غير المعروف ما إذا كانت العلاقة العكسية التي أشار إليها الباحثون بين احتجاز الكربون فوق سطح الأرض، وتحته، والتي تختلف في حال النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الشجيرية، عنها في حال النباتات المتكافلة مع الفطريات الجذرية الخارجية، تنطبق على الغابات وحدها، أم لا9. وثمة حاجة الآن إلى مزيد من التجارب، لا سيما في النظم الإيكولوجية الاستوائية، من أجل تناوُل هذه القضايا.

وتُعد النظم الإيكولوجية الاستوائية ذات إسهام رئيس في حوض الكربون الأرضي العالمي10، لكن من المعروف أنها لا تنال حقها من الدراسة؛ فعمليات الرصد الميداني نادرة، كما أن التجارب العملية التي أُجريت في تلك النظم الإيكولوجية12،11 - مثل تجارب التخصيب بثاني أكسيد الكربون، أو إضافات المغذيات – تتسم بِقِلّتها. ومن الصعوبة بمكان تقييم العمليات التي تجري تحت سطح الأرض في المناطق الاستوائية؛ حيث يكون لحالات ندرة المواد المغذية المختلفة دور مؤثر12. وتُقدم الدراسة التي أجراها تيرر وزملاؤه إطارًا واعدًا، يمكن مد نطاقه لوصف التفاعلات المختلفة بين النباتات والتربة، في مجموعة متنوعة من النظم الإيكولوجية البرية في المستقبل.

وبوجه عام، تستمر تجارب التخصيب بثاني أكسيد الكربون لبضع سنوات فحسب، أو ما يزيد قليلًا على عقد من الزمن، على أقصى تقدير13. ومن غير المرجح أن تتيح مثل هذه الأطر الزمنية تحديد تأثيرات ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون على موت النباتات، وتشكيلة الأنواع النباتية، وزمن دوران الكربون في التربة؛ وجميعها عوامل تستطيع أن تؤثر على احتجاز النظم الإيكولوجية للكربون بطرق مختلفة على المدى الطويل. بيد أنه يمكن دمج فهْم الآليات المُكتسَب من التجارب بشأن العلاقة بين دورة الكربون ودورة المغذيات في نماذج حاسوبية؛ وهو ما سيتيح لنا حصر حجم حوض الكربون الأرضي في العقود القادمة. وقد بدأت التفاعلات بين النباتات وفطريات التربة المتكافلة معها، إضافة إلى العوامل المؤثرة والعمليات الجوهرية الأخرى التي تجري تحت سطح الأرض، مثل المجتمعات الميكروبية، في تحفيز جهود نمذجة بالفعل15،14. والآن، تدعو دراسة تيرر وزملائه الباحثين إلى اختبار الفرضيات المتعلقة بالعمليات التي تقف وراء الاستجابات المُنسَّقة لارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون، سواء فوق سطح الأرض، أَم أسفله. ويمكن لهذه الدراسات أن تكون بمثابة خطوة حقيقية إلى الأمام فيما يتعلق بفهمنا لمصير حوض الكربون الأرضي.

References

  1. Terrer, C. et al. Nature 591, 599–603 (2021). | article
  2. Ciais, P. et al. in Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (eds Stocker, T. F. et al.) Ch.6, 465–570 (Cambridge Univ. Press, 2014).  | article
  3. Drake, B. G., Gonzàlez-Meler, M. A. & Long, S. P. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 48, 609–639 (1997). | article
  4. Walker, A. P. et al. New Phytol. 229, 2413–2445 (2021). | article
  5. Terrer, C., Vicca, S., Hungate, B. A., Phillips, R. P. & Prentice, I. C. Science 353, 72–74 (2016). | article
  6. Tian, H. et al. Global Biogeochem. Cycles 29, 775–792 (2015). | article
  7. Fleischer, K. et al. Nature Geosci. 12, 736–741 (2019). | article
  8. Bossio, D. A. et al. Nature Sustain. 3, 391–398 (2020). | article
  9. Jiang, M. et al. Glob. Change Biol. 26, 5856–5873 (2020). | article
  10. Ahlström, A., Schurgers, G., Arneth, A. & Smith, B. Environ. Res. Lett. 7, 044008 (2012). | article
  11. Norby, R. J. et al. New Phytol. 209, 17–28 (2016). | article
  12. Lugli, L. F. et al. New Phytol. 230, 116–128 (2021). | article
  13. Ainsworth, E. A. & Long, S. P. New Phytol. 165, 351–372 (2005). | article
  14. Lawrence, D. M. et al. J. Adv. Model. Earth Syst. 11, 4245–4287 (2019). | article
  15. Yu, L., Ahrens, B., Wutzler, T., Schrumpf, M. & Zaehle, S. Geosci. Model Dev. 13, 783–803 (2020). | article

آنا باستوس تعمل في قسم التكامل الكيميائي الجيولوجي الحيوي بمعهد ماكس بلانك للكيمياء الجيولوجية الحيوية، جينا 07745، ألمانيا.

كاترين فليتشر تعمل في قسم الإشارات الكيميائية الجيولوجية الحيوية بمعهد ماكس بلانك للكيمياء الجيولوجية الحيوية، جينا 07745، ألمانيا.

وعنوان البريد الإلكتروني الخاص بهما هو: abastos@bgc-jena.mpg.de & kfleischer@bgc-jena.mpg.de