Puncte cheie
Prin fotosinteză plantele pot extrage carbonul din atmosferă, sub formă de dioxid de carbon, și îl pot pune în materia vie, aprovizionand constant solul.
Oamenii de știință au descoperit că plantele și organismele din sol par să fi co-evoluat într-o relație reciproc avantajoasă.
Cercetările privind capacitatea terenurilor agricole de a reține cantități crescute de carbon sunt incomplete.
Dacă vrem să restabilim o cantitate mare de carbon în sol, trebuie făcută astfel încât microbii să nu-l consume. În caz contrar, în cele din urmă îl vor arde și îl vor elibera în atmosferă sub formă de dioxid de carbon.
O formă de carbon care rămâne stabilă pe perioade lungi, chiar secole, este humusul. Este compus din molecule complexe care conțin carbon, dar nu este ușor descompus de organismele din sol.
Rezumat
În a doua parte a lucrării sale, Jack Kittredge oferă în primul rând o descriere succintă a procesului de fotosinteză ca un promotor al ciclului carbonului. El oferă apoi o descriere a componentelor solului și a interdependenței acestor componente. Aceasta susține complexitatea solului ca organism viu, plin de viață, în special de viață microbiană. Apoi se pune întrebarea: cât de repede putem restabili suficient carbonul în sol pentru a atenua condițiile meteorologice extreme? Acest lucru conduce discuția la nevoia de carbon stabil al solului și unde este probabil să se găsească acest carbon stabil.
Analiză
Foamea de carbon din sol
Solul este literalmente viu. Este plin de bacterii, ciuperci, alge, protozoare, nematode și multe, multe alte creaturi. Într-o linguriță de pământ sănătos, de fapt, există mai multe microorganisme decât oameni pe pământ. (Hoorman) Desigur, ca forme de viață bazate pe carbon, această comunitate are nevoie de aprovizionare constantă cu materie organică pentru a supraviețui. Acea materie organică (din care aproximativ 58% este carbon) se prezintă sub formă de organisme vii, exsudatele lor, sunt adesea zaharuri simple, și reziduurile lor, adesea carbohidrați precum celuloza. Acești compuși sunt bogați în energie, ușor accesibili organismelor și asimilați rapid de microbii din sol. Timpul de înjumătățire al zaharurilor simple în solurile de suprafață, de exemplu, înainte de a fi consumate, poate fi mai mic de o oră. (Dungait)
Acest apetit extraordinar al organismelor din sol pentru carbon înseamnă că, în sol sănătos, ele consumă rapid materia organică disponibilă. Este preluat în corpurile lor sau este ars pe măsură ce se eliberează energie și dioxid de carbon. Microorganismele din 4.000 mp de porumb din Iowa expiră, de fapt, mai mult dioxid de carbon decât 25 de bărbați sănătoși la locul de muncă. (Albrecht) Odată ce acești microbi mor, carbonul din corpurile lor devine disponibil pentru ca alte organisme să il descompună și să expire.
Activitatea organismelor din sol urmează cicluri sezoniere și zilnice. Nu toate organismele sunt active în același timp. În orice moment, majoritatea sunt abia active sau chiar sunt latente. Disponibilitatea hranei este un factor important care influențează populația și nivelul de activitate al organismelor din sol. (FAO)
Fotosinteză
Dacă carbonul este consumat atât de repede în sol, atunci de ce nu dispare repede?
Răspunsul este că plantele reînnoiesc constant aprovizionarea. De la evoluția lor, acum 3,5 miliarde de ani, plantele au prosperat folosind puterea lor remarcabilă de a scoate carbonul din aer și de a-l introduce în materie vie. Procesul, desigur, se numește fotosinteză, care este predată la majoritatea copiilor de școală.
Funcționează astfel: molecula de clorofilă din frunzele plantelor le permite să absoarbă energia din lumină și să o folosească pentru a descompune moleculele de apă (H20) în atomi de hidrogen și oxigen. Planta eliberează apoi acești atomi de oxigen sub formă de oxigen molecular (doi atomi de oxigen legați împreună – O2) înapoi în atmosferă și stochează temporar atomii de hidrogen. În cea de-a doua etapă a fotosintezei, atomii de hidrogen sunt legați de molecule de dioxid de carbon (CO2) pentru a crea carbohidrați simpli, cum ar fi glucoza de zahăr (C6H12O6).
Acest proces, ca toate reacțiile chimice, este conditionat de disponibilitatea componentelor. Deoarece dioxidul de carbon este prezent în atmosferă la o concentrație atât de scăzută (acum 0,04 la sută), acesta este adesea factorul limitator în acest proces. (RSC) La concentrații mai mari de gaz, va fi extrasă mai multă energie din lumina disponibilă și mai multă apă absorbită de plantă pentru a crește producția de carbohidrați. (Ontl) În alte situații, precum noaptea sau pe timp de secetă, lumina sau apa pot fi factorul limitativ.
Amploarea acestui proces este impresionantă. 4000 mp de grâu într-un an poate absorbi 4000 de kilograme de carbon sub formă de dioxid de carbon, îl poate combina cu apă și îl poate transforma în zahăr. Zahărul rezultat va cântări 10.000 de kilograme. Acest proces este atât de activ încât se estimează că 15% din tot dioxidul de carbon din atmosfera lumii trece prin organisme fotosintetice în fiecare an. (SAPS)
Exudatele radiculare
Fotosinteza, desigur, oferă plantelor și altor organisme fotosintetice (cum ar fi algele albastre-verzi) un rol special în viață. Toate ființele vii sunt pe bază de carbon și trebuie să consume carbon pentru a supraviețui. Dacă poți extrage carbonul din aer, așa cum fac plantele, ai un avantaj major. Dar chiar dacă nu puteți face compuși de carbon, trebuie să îi aveți.
Cum altfel pot microbii din sol să obțină carbon? Îl pot „câștiga”!
Unul dintre cele mai remarcabile lucruri pe care oamenii de știință în sol le învață despre plante și organismele solului este că acestea par să fi co-evoluat într-o relație reciproc avantajoasă.
Când plantele fotosintetizează și produc carbohidrați în cloroplastele lor, ele folosesc unii dintre acești compuși pentru celulele și structura lor, iar o parte este arsa pentru energia vitală. Dar plantele „scurg” sau emană o cantitate semnificativă din acești compuși sub formă de „carbon lichid” în sol. (Jones SOS) Estimările variază, dar între 20 și 40% din carbonul fixat de o plantă prin fotosinteză este transferat în rizosferă (zona de sol care înconjoară imediat rădăcinile). (Walker)
De ce o plantă ar scurge zaharuri în pământ? Ca momeală.
Bacteriile flămânde, ciupercile și alte microorganisme din sol vor apărea rapid pentru a devora exsudatele de rădăcină care conțin carbon. Dar în curând vor mai mult – și cea mai bună modalitate de a le obține este să ajute planta să producă mai mult. Dacă o plantă este sănătoasă și puternică, poate dedica mai multe resurse fotosintezei și poate emana mai mult carbon. Microbii ajută planta în multe moduri diverse pentru a o ajuta să prospere și să producă mai mult carbon lichid.
Pe măsură ce am aflat mai multe despre biochimia solului, am descoperit că, prin exsudatele rădăcinilor, plantele au capacitatea de a controla o mare parte din mediul lor inconjurator – reglementeaza comunitatea microbiană locală a solului, „cumpăra” transporturi de nutrienți de la distanță. pentru a modifica proprietățile chimice și fizice ale solului din apropiere și pentru a inhiba creșterea plantelor concurente.
Simbioza microbiană
Trebuie precizat că o mare parte din ceea ce urmează este încă în studiu. Solurile sunt o frontieră despre care multe lucruri sunt încă de învățat. Comunitatea microbiană este extrem de diversă – între 90 și 99% din speciile din ea nu pot fi cultivate nici măcar în laboratoare cu tehnologii actuale. (Jastrow)
Comunitatea microbiană din sol este formată în peste 90% din bacterii și ciuperci. Raportul exact dintre aceste două tipuri de organisme variază. Solurile netulburate, cum ar fi pășunile și pădurile, vor beneficia de ciuperci ale căror hife sub formă de fir rămân netulburate. Cultivarea sau utilizarea îngrășămintelor sintetice cu azot reduce însă populația fungică.
Un factor major în succesul microbian este dacă mediul lor fizic imediat îi protejează. Protecția poate fi asigurată de argile, despre care oamenii de știință cred că ar putea menține un pH optim, ar putea absorbi metaboliții dăunători și/sau ar putea preveni uscarea. Se crede că porii mici din substratul local sunt folositi ca adapost de organismele mai mici, pentru a nu fi mancate de organismele mai mari, cum ar fi protozoarele. (Six) S-a raportat că organismele protejate mor cu o rată de mai puțin de 1% pe zi, în timp ce până la 70% dintre cele neprotejate pot ceda zilnic.
Bacteriile
Bacteriile sunt chimisti uimitori. Un grup dintre acestea, numit rizobacterii care promovează creșterea plantelor (PGPR), își desfășoară magia ajutând plantele printr-o serie de căi biochimice. Unii pot „fixa” azotul din atmosferă, punându-l într-o formă care este disponibilă plantelor. Altele pot sintetiza fitohormoni care îmbunătățesc etapele de creștere a plantelor. Altele pot solubiliza fosfatul, un nutrient esențial relativ insolubil, și îl pot face disponibil pentru creșterea plantelor sau pot produce fungicide naturale pentru a ajuta plantele să reziste bolilor fungice. (Velivelli) Un PGPR a fost izolat din multe plante comune, inclusiv grâu, trifoi alb și usturoi. Această bacterie produce diferite antibiotice, substanțe care luptă împotriva agenților patogeni și ajută plantele să reziste bolilor.
Ciupercile
Un alt exemplu de simbioză microbiană este cel al ciupercilor micorizice arbusculare. În această simbioză, ciuperca colonizează două medii diferite, rădăcinile plantei gazdă și solul înconjurător, conectându-le pe cele două cu hifele sale lungi. Acest lucru permite plantei gazdă să aibă o absorbție îmbunătățită a apei și a nutrienților minerali condusă de-a lungul acelor hife. Această relație a fost documentată în legătură cu multe minerale, inclusiv fosfor, azot, zinc și cupru. (Jansa) După unele estimări, peste 90% dintre plantele terestre se bucură de această asociere cu ciupercile micorizale arbusculare. (Cairney)
Unii oameni de știință estimează că 85 până la 90% din nutrienții de care au nevoie plantele sunt obținute prin schimbul de carbon, unde exsudatele rădăcinilor furnizează energie microbiană în schimbul mineralelor sau oligoelementelor care altfel nu ar fi disponibile plantei. (Jones SOS)
In aceste relații beneficiază ambele părți, fără niciun cost. Singura energie suplimentară necesară este furnizată de lumina soarelui, care permite plantei, acum mai puternice, să producă mai mulți compuși pentru a energiza și susține microorganismele.
Agregate de sol
Un aspect important al acestei povești este structura solului numită „agregat”. Dacă strangeti un pumn de pământ sănătos și apoi eliberați, ar trebui să arate ca o grămadă de mazăre. Acestea sunt agregatele. Dacă solul rămâne în bucăți mari, atunci nu este bine agregat. Agregatele sunt suficient de stabile pentru a rezista la eroziunea vântului și a apei, dar suficient de poroase pentru a lăsa aerul, apa și rădăcinile să se miște prin ele.
Agregatele sunt unitatea fundamentală a funcției solului și joacă un rol ca cel al nodulilor rădăcinilor la leguminoase, creând un spațiu protejat. (Jones SOS) Agregatul este ajutat să se formeze de hifele ciupercilor micorizice care creează o „pungă lipicioasă” care învăluie particulele de sol. (Jastrow) Exsudatele de carbon lichid din rădăcinile plantelor și ciupercile permit producerea de cleiuri și gume pentru a forma pereții agregatelor. (Jones SOS)
În interiorul acelor pereți, are loc o activitate biologică intensa, alimentată de exsudatele de carbon. Majoritatea agregatelor sunt conectate la rădăcinile plantelor, adesea rădăcini fine hrănitoare, sau la rețele fungice micorizice prea mici pentru a fi văzute. Conținutul de umiditate în interiorul unui agregat este mai mare decât în exterior și există o presiune mai mică a oxigenului în interior. Acestea sunt proprietăți importante care permit fixarea azotului și alte activități biochimice. (Jones SOS)
Unul dintre adezivii importanți care ține agregatele împreună este o glicoproteină numită „glomalin”. Glomalina și stabilitatea agregatelor de sol par a fi strâns asociate. (Nichols) Descoperită în 1996, glomalina este acum considerată de unii oameni de știință că reprezintă 27% din carbonul din sol și că durează mai mult de 40 de ani, în funcție de condiții. Glomalina pare să fie produsă de ciuperci micorizice arbusculare folosind carbon lichid exsudat de plante. Poate permite hifelor fungice să se lege de particulele de rădăcină și de sol și să facă punte peste spațiile de aer. (Comis)
Acum că știm mai multe despre sol și despre modul în care carbonul este pompat în el de către plante pentru a încuraja relațiile simbiotice cu microbii, putem pune din nou întrebarea:
Cât de repede putem restabili suficient carbon în sol pentru a atenua condițiile meteorologice extreme?
Am văzut mai sus că o parte per milion de dioxid de carbon din atmosferă conține 2,125 gigatone de carbon. Dacă acesta este cazul, și suntem la 400 ppm și trebuie să revenim la 350, trebuie să restabilim 50 ppm, sau 106,25 Gt de carbon, în sol.
Știm că tot acel carbon se va avea loc în sol pentru că de acolo a venit. De la începutul erei industriale am scos 136 Gt de carbon din sol prin defrișarea terenurilor și agricultură .
Cât de repede putem pune acel carbon înapoi? În ultimii 20 de ani, de când oamenii s-au gândit la refacerea carbonului în sol, s-au făcut multe studii pentru a măsura viteza cu care fotosinteza agricolă poate acumula carbon in sol. Am analizat o serie de studii, efectuate în ultimul deceniu, care acoperă multe tipuri diferite de sol de pe cinci continente și diferite tipuri de agricultură. Studiile folosesc metodologii diferite și, desigur, raportează rezultate destul de divergente. Dar citind aceste studii, mai multe lucruri sunt evidente.
Sistemele de creștere perene pot restabili mai mult carbon decât majoritatea altor metode agricole. Toate testele pe pășuni au raportat cantități excepționale de carbon restaurat, de la 1 până la 3,2 tone metrice de carbon per 4000 mp anual și în medie de 2,4 tone. (Machmuller, Rodale, IFOAM) Am găsit puține studii despre sistemele de cultură perene care construiesc cantități mari de carbon din sol, dar există unele dovezi cum culturile lemnoase perene pot face acest lucru. Un studiu a constatat că solurile miniere degradate au câștigat 2,8 tone metrice de carbon per 4000mp pe an atunci când au fost plantate cu salcami și au fost gestionate ca o cultură de biomasă într-un sistem de rotație scurtă. (Quinkenstein) Trebuie făcute mai multe cercetări înainte de a putea evalua pe deplin contribuția culturilor perene lemnoase sau erbacee la refacerea carbonului din sol.
Utilizarea îngrășămintelor chimice sintetice, în special azotul și fosforul, va reduce serios sau în multe cazuri chiar va elimina orice acumulare de carbon din sol. Utilizarea adecvată a gunoiului de grajd și a compostului, totuși, nu pare să împiedice creșterea carbonului din sol. (Jones SOS, Rodale)
Studiile asupra culturilor pe rânduri, chiar și atunci când sunt crescute fără substanțe chimice sintetice, au raportat câștiguri de carbon mai mici decât studiile pe pășuni, variind de la 0,23 la 1,5 tone pe acru, cu o medie de 0,55 tone. (Khorramdel, IFOAM)
Calitatea practicilor agricole studiate a fost variabilă, în special pentru testele de cultură pe rânduri. Practic, toate studiile asupra culturilor pe rânduri care au raportat câștiguri semnificative au fost cele care au folosit gunoi de grajd sau compost în loc de îngrășăminte chimice. Dar măsura în care alte principii ale construcției de carbon, cum ar fi menținerea solului mereu acoperit cu plante, utilizarea unui spectru larg de culturi de acoperire și minimizarea lucrărilor de sol, nu este clară. Cu toate acestea, este de remarcat faptul că, în cazul celui mai mare câștig de carbon raportat pentru culturile pe rânduri, restabilind 1,66 tone per 4000mp de porumb, studiul a folosit practici organice de ne-arătură. (Khorramdel)
Având în vedere aceste medii de probă, să facem câteva calcule de bază despre potențialul agriculturii de a restabili 106,25 Gt de carbon în sol.
FAO spune că există 8,3 miliarde de acri de pajiști pe glob și 3,8 miliarde de acri de terenuri cultivate. Dacă toată lumea ar fi dispușa să folosească practicile de construire a carbonului pe acele suprafete anual, pajiştile, cu o medie de 2,5 tone per acru, ar putea restaura 21,6 Gt, iar terenurile cultivate, cu o medie de 0,5 tone pe acru, ar putea reface 2,1 Gt. Acest lucru ne oferă un total de 23,7 gigatone pe an. Deoarece suntem interesați să restaurăm 106.25 Gt, asta înseamnă că o putem face în mai puțin de 5 ani!
Carbonul stabil
Desigur, dacă vrem să restabilim o cantitate mare de carbon în sol, trebuie făcută astfel încât microorganismele să nu-l consume. În caz contrar, în cele din urmă îl vor arde și îl vor elibera din nou în atmosferă sub formă de dioxid de carbon. Multe studii au analizat tratamentele pentru materia organică din sol pentru a vedea dacă au ajutat la conservarea acesteia. Un studiu de 10 ani a comparat încorporarea reziduurilor de materie organică într-o parcelă și eliminarea acestora dintr-o parcelă similară. Un altul a durat 31 de ani și a comparat diferite rotații și aplicații de îngrășăminte în diferite parcele, variind cu până la 50% cantitatea de carbon returnată în sol. Un al treilea a comparat o parcelă în care reziduurile de cultură au fost arse timp de mulți ani cu o altă parcelă în care reziduurile au fost încorporate în sol. La sfârșitul fiecăruia dintre aceste studii, cercetătorii care măsoară materia organică din sol nu au putut găsi diferențe semnificative între parcele, în ciuda diferențelor de management. (Kirkby)
Dacă microorganismele se vor înmulți și vor consuma orice carbon este prezent, nu vom putea niciodată să construim niveluri mai mari în sol. Și totuși, din punct de vedere istoric, nivelurile de materie organică din sol de 6 până la 10 la sută au fost comune și, pe alocuri, au fost măsurate până la 20 la sută. (LaSalle) Ce a împiedicat organismele din sol să descompună materia organică în trecut?
O formă de carbon care pare să rămână stabilă de ani de zile, chiar secole, este humusul. Este compus din molecule complexe care conțin carbon, dar nu este ușor descompus de viața din sol. Oamenii de știință nu sunt pe deplin de acord cu privire la modul în care se formează humusul sau la modul în care acesta rezistă la descompunere. Unii cred că humusul este o formă foarte recalcitrantă (rezistenta la descompunere) de carbon formată prin descompunerea microbiană a rădăcinilor și a produselor din rădăcină. (Ontl)
Alții cred că mecanismele care permit conservarea fizică a carbonului din sol implică fie capacitatea sa de a rezista atacului enzimelor microbiene prin „adsorbție” de minerale, fie protecția în agregatele solului. Primul sugerează legarea chimică cu particulele de argilă suficient de puternice pentru a rezista atacului enzimelor. Acesta din urmă ar putea proteja moleculele de un atac enzimatic, menținând oxigenul sau alte elemente în descompunere în afara agregatului de sol. O altă teorie implică inaccesibilitatea carbonului din sol la atacul microbian din cauza adâncimii sale în sol. (Dungait)
Cu toate acestea, unii oameni de știință sunt de părere că varianta stabila a carbonului este produsa nu din reziduurile de materie organică din sol, ci din carbonul lichid însuși. Această teorie vede humusul ca o creație construită de organismele din sol, mai degrabă decât un produs al materiei organice în descompunere. (Meléndrez, Jones Ietter)
Studiile care susțin această părere sugerează faptul că humusul este un complex organo-mineral compus din aproximativ 60% carbon, între 6 și 8% azot și legat chimic de mineralele din sol, inclusiv fosfor, sulf, fier și aluminiu. Există chiar și unele dovezi că compoziția humusului se bazează pe rapoarte specifice dintre componentele sale principale, nu numai între carbon și azot, ci și între carbon și sulf. (Kirkby) Un cercetător susține că humusul se poate forma numai în microsite-uri specializate ale solului, cum ar fi agregatele, unde azotul este fixat activ și fosforul și sulful sunt solubilizați (Jones Ietter).
Concluzie
În partea a treia a acestei lucrări, Jack Kittredge pune întrebarea critică: cum putem restabili carbonul din sol? El descrie apoi, în detaliu considerabil, procedurile și practicile care vor promova refacerea carbonului în solurile agricole. El subliniază, de asemenea, beneficiile pe care aceasta le oferă prin promovarea unui sol sănătos și rezistent. Lucrarea se încheie cu o declarație clară a importanței restabilirii carbonului în sol.
Sursa:
https://www.futuredirections.org.au/publication/soil-carbon-restoration-can-biology-do-the-job-part-two/
