میکروب‌های خاک و نقش حیاتی آنها در سرنوشت کربن زمین و تغییرات اقلیمی

خاک؛ مخزن عظیم کربن

خاک‌های جهان بزرگ‌ترین مخازن کربن روی زمین به شمار می‌روند. برآوردها حاکی از آن است که مقدار کربن ذخیره‌شده در خاک تقریباً سه برابر بیشتر از کل کربن موجود در جو زمین است. این ویژگی خاک را به یکی از عوامل کلیدی در تنظیم چرخه کربن و در نتیجه آینده آب‌وهوای سیاره تبدیل کرده است.

با این حال، اگر حتی بخش کوچکی از این ذخایر عظیم کربن به شکل دی‌اکسید کربن وارد جو شود، می‌تواند روند گرمایش جهانی را به طور قابل توجهی تسریع کند. پرسش مهمی که برای دانشمندان مطرح بوده، این است که چه عواملی تعیین می‌کنند کربن در خاک باقی بماند یا به جو آزاد شود.

نقش محوری رطوبت خاک

پژوهش تازه‌ای که توسط محققان دانشگاه اوکلاهما انجام شده، نشان می‌دهد رطوبت خاک یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین‌کننده در این فرآیند است. بر اساس نتایج این تحقیق، هرچه خاک مرطوب‌تر باشد، احتمال باقی ماندن کربن در آن بیشتر خواهد بود.

آزمایش ۱۲ ساله در اوکلاهما

برای رسیدن به این نتیجه، پژوهشگران یک آزمایش بلندمدت ۱۲ ساله را روی ۴۸ قطعه زمین در ایالت اوکلاهما اجرا کردند. در این آزمایش، واکنش خاک به دو عامل مهم، یعنی افزایش دما و تغییر میزان بارندگی، بررسی شد.

• شبیه‌سازی گرمایش: برخی از قطعات زمین در شرایط دمایی طبیعی نگهداری شدند، اما تعدادی دیگر با استفاده از پرتوهای فروسرخ تا حدود سه درجه سلسیوس گرم شدند تا شرایط اقلیمی گرم‌تر آینده شبیه‌سازی شود.
• کنترل رطوبت: پژوهشگران همچنین میزان آب دریافتی هر قطعه زمین را کنترل کردند. برای ایجاد شرایط خشکسالی از سازه‌هایی موسوم به پناهگاه بارانی استفاده شد که مانع رسیدن بارش به زمین می‌شدند. در مقابل، برای شبیه‌سازی سال‌های پربارش نیز به برخی قطعات آب اضافی افزوده شد تا شرایط مرطوب‌تر ایجاد شود.

در طول این مطالعه، دانشمندان هر سال وضعیت هر قطعه زمین را به‌دقت بررسی کردند. آنها مقدار کل کربن موجود در خاک، میزان زیست‌توده گیاهی و مقدار کربنی را که از خاک به صورت گاز آزاد می‌شود، اندازه‌گیری کردند. علاوه بر این، مواد ژنتیکی جوامع میکروبی موجود در خاک نیز تجزیه و تحلیل شد تا تغییرات جمعیت باکتری‌ها و قارچ‌ها مشخص شود.

نتایج کلیدی پژوهش

نتایج این پژوهش تفاوت‌های چشمگیری را آشکار کرد:

• در شرایط خشکسالی و همزمان با افزایش دما، حدود ۱۲.۲ درصد از کربن خاک از دست رفته است.
• در مقابل، در شرایطی که خاک مرطوب باقی مانده بود، میزان کربن خاک حدود ۶.۷ درصد افزایش یافته است.

نکته قابل توجه این بود که این تفاوت نه به دلیل تغییرات در گیاهان سطح زمین، بلکه عمدتاً ناشی از فعالیت میکروب‌های ساکن در خاک بوده است.

شرایط گرم و خشک باعث ایجاد فشار و استرس برای میکروب‌ها می‌شود. در چنین شرایطی، این موجودات برای زنده ماندن ناچارند کربن بیشتری مصرف کنند و بخش قابل توجهی از آن را به شکل دی‌اکسید کربن وارد جو کنند.

در مقابل، زمانی که خاک هم گرم و هم مرطوب است، میکروب‌ها بخش بیشتری از کربن را برای رشد و تکثیر خود مصرف می‌کنند و مقدار کمتری از آن به صورت گاز آزاد می‌شود.

پیامدهای نگران‌کننده برای آینده اقلیم

پژوهشگران در مقاله خود تأکید کرده‌اند که این نتایج نشان‌دهنده نقش محوری فرآیندهای میکروبی در تنظیم بازخورد میان کربن خاک و اقلیم است. درک دقیق این فرآیندها برای پیش‌بینی قابل اعتماد تغییرات ذخایر کربن خاک در جهانی گرم‌تر و احتمالاً خشک‌تر اهمیت حیاتی دارد.

یکی از نگران‌کننده‌ترین نتایج این مطالعه آن بود که در شرایط خشکسالی، میکروب‌ها توانسته‌اند برخی از پایدارترین و قدیمی‌ترین ذخایر کربن خاک را تجزیه کنند؛ ذخایری که پیش‌تر تصور می‌شد برای قرن‌ها در خاک باقی خواهند ماند. این موضوع نشان می‌دهد در صورت تداوم گرمایش زمین و افزایش خشکسالی‌ها، احتمال آزاد شدن گسترده کربن‌های باستانی از خاک وجود دارد؛ پدیده‌ای که می‌تواند روند تغییرات اقلیمی را به شدت تشدید کند.

بر اساس این یافته‌ها، پژوهشگران تأکید می‌کنند مدل‌های اقلیمی آینده باید رفتار و نقش میکروب‌های خاک را به طور جدی در نظر بگیرند تا بتوانند پیش‌بینی‌های دقیق‌تری درباره چرخه کربن و آینده اقلیم زمین ارائه دهند.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Climate Change منتشر شده است.