DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58845-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40234409
تاريخ النشر: 2025-04-15
المؤلف: Nina L. Friggens وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغير المناخ والتربة المتجمدة
مقدمة
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون *Agrostis capillaris* كنموذج نباتي للتحقيق في تأثيرات المدخلات الكربونية الطازجة (C) على التربة المجمدة سابقًا ضمن إعداد ميسوكوم. على الرغم من أن *A. capillaris* لا تمثل تنوع الغطاء النباتي الموجود في مواقع أخذ العينات الميدانية بشكل كامل، إلا أن معدلات إنباتها العالية وقدرتها على التكيف مع خطوط العرض الشمالية العالية جعلتها خيارًا مناسبًا للتجربة. تم تعقيم البذور باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين بنسبة 30% وتم إعدادها للزراعة في ركيزة مكونة من خزف الحقل والممرات مختلطة مع سماد ذو إطلاق متحكم، مما يضمن توفر المغذيات بشكل كافٍ لنمو النبات الأمثل.
تم تصميم أقسام الميسوكوم لتسهيل نمو الجذور والحفاظ على مستويات رطوبة التربة ثابتة طوال التجربة. تم زراعة البذور بكثافة 1.8 ملغ سم\(^{-2}\) في 15 يونيو 2023، وانبثقت في 26 يونيو 2023. تم ري النباتات كل أسبوعين، مع تعديل كميات المياه وفقًا لمرحلة نموها. بمجرد نضوجها، تم قص سيقان *A. capillaris* شهريًا أو عندما تصل إلى ارتفاع 50 سم أو أكثر، مما يسمح بتقييم مستمر لديناميات النمو ضمن الإطار التجريبي.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام 54 ميسوكوم للتحقيق في تأثيرات استبعاد الجذور وإضافة المغذيات على ديناميات التربة. شمل التصميم التجريبي 31 ميسوكوم مع نظام شبكي لاستبعاد الجذور الزمانية، مما يشمل مجموعة متنوعة من أنواع التربة، ومحتوى الكربون (C)، والنيتروجين (N). تلقت الـ 23 ميسوكوم المتبقية مغذيات إضافية، مع اختيار دقيق لتمثيل الطيف الكامل لخصائص التربة. تم تركيب شبكة نايلون لاستبعاد الجذور بسمك 1 ميكرون في أقسام محددة لإنشاء ضوابط خالية من الجذور، بينما تم قطع الجذور في نقاط زمنية محددة لتقييم مساهمات الجذور الحية مقابل بقايا الجذور في المدخلات الكربونية والمغذيات.
تم تنفيذ إضافة المغذيات باستخدام سماد ذو إطلاق بطيء (Velvit Nutrilong V180) في بداية التجربة، مصمم وفقًا لظروف التربة المحددة لكل ميسوكوم. اختلفت علاجات المغذيات، حيث تلقت إحدى الأقسام لا مغذيات إضافية، وتلقت أخرى مستويات منخفضة (2× نيتروجين الكتلة الميكروبية)، وتلقت ثالثة مستويات عالية (10× نيتروجين الكتلة الميكروبية). من الجدير بالذكر أن قسم التحكم الخالي من الجذور تم معالجته بشكل مشابه للقسم عالي المغذيات. على الرغم من النتائج السابقة التي تشير إلى تأثيرات ضئيلة لإضافات المغذيات على التنفس في التربة الخالية من الجذور، لاحظت هذه التجربة زيادة في التدفقات في علاجات المغذيات العالية، مما أدى إلى تحليل مركز على هذه الظروف مع وبدون جذور.
النتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن تأثيرات إيجابية كبيرة لتفعيل الجذور (RPEs) في كل من التربة النشطة وتربة التجميد التي تم جمعها من أنواع التربة المتأثرة بالتجميد في شمال غرب كندا. استخدمت التحقيقات غرفة نمو نباتية ذات تحكم في درجة الحرارة لقياس تدفقات CO₂ والتوقيعات النظيرية، مما يسمح بتقسيم تدفقات الكربون من التربة إلى مكونات مستمدة من النباتات وأخرى مستمدة من المادة العضوية في التربة (SOM). زادت وجود الجذور بشكل مستمر من تدفقات CO₂ المستمدة من SOM، مع نسبة RPE متوسطة تبلغ 1.31، مما يشير إلى إطلاق صافي للكربون من كلا نوعي التربة. من الجدير بالذكر أن قطع الجذور أدى إلى انخفاض سريع في تدفق CO₂ المستمد من SOM، مما يبرز دور الإفرازات الجذرية الطازجة في دفع هذه التأثيرات.
تتميز الدراسة أيضًا بالديناميات الزمنية لـ RPEs بين التربة النشطة وتربة التجميد. لوحظت تأثيرات إيجابية لـ RPEs في تربة الطبقة النشطة بشكل أساسي خلال الأيام الـ 185 الأولى، مع انخفاض لاحق في تأثيرات التفعيل، مما يشير إلى وجود مجموعة محدودة من الكربون القابل للتفعيل. بالمقابل، أظهرت تربة التجميد تأثيرات إيجابية مستدامة لـ RPEs طوال التجربة، مع تجاوز نسب RPE 1.5 بعد اليوم 300، مما يشير إلى زيادة القابلية للتفعيل مع مرور الوقت. تسلط هذه النتائج الضوء على الإمكانية المتزايدة لتفكيك الكربون المخزن في تربة التجميد، مما قد يؤدي إلى تفاقم حلقة التغذية الراجعة بين انبعاثات CO₂ من التجميد وارتفاع درجة حرارة الأرض.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على العوامل التي تؤثر على حجم تأثيرات تفعيل الجذور الإيجابية (RPEs) في تربة التجميد والتربة النشطة. يقترح أن التأثيرات الإيجابية الأقوى والأكثر استمرارية في تربة التجميد قد تعزى إلى المجتمعات الميكروبية في الطبقات التربة الأقدم والأعمق التي تكون أكثر محدودية من حيث توفر الكربون القابل للتغيير (C) والطاقة مقارنة بتربة الطبقة النشطة. يدعم ذلك معدلات أقل من إطلاق CO₂ لكل وحدة C في تربة التجميد (p = 0.029، F = 5.395، df = 1) وعلاقة سلبية كبيرة بين نسبة RPE والتدفق التراكمي لـ CO₂ المستمد من المادة العضوية في التربة (SOM) (p = 0.0015، F = 12.37، df = 29). بالإضافة إلى ذلك، تشير الدراسة إلى أن الإفرازات الجذرية، وخاصة الأحماض العضوية، قد تعزز من توفر المادة العضوية الميكروبية في تربة التجميد المعدنية، مما يساهم بشكل أكبر في التأثيرات الملاحظة.
تستكشف البحث أيضًا تأثير إضافات المغذيات على RPEs، كاشفة أن هذه الإضافات تقلل مؤقتًا من تأثيرات التفعيل في كلا نوعي التربة، وخاصة في تربة التجميد (p = 0.0037، F = 8.53). يُعزى هذا الانخفاض إلى تخفيف القيود الغذائية الميكروبية، مما يقلل من الحاجة إلى استخراج النيتروجين الميكروبي ويقلل بالتالي من تأثيرات التفعيل الإيجابية. ومع ذلك، مع انخفاض توفر المغذيات مع مرور الوقت، يُلاحظ العودة إلى تأثيرات RPEs الإيجابية، مما يشير إلى أنه بينما يمكن أن تؤجل إضافات المغذيات تأثيرات التفعيل، إلا أنها لا تقضي عليها تمامًا. تؤكد النتائج على التفاعل المعقد بين القيود الغذائية الميكروبية والنباتية في دفع RPEs وتبرز ضرورة المزيد من البحث لفهم هذه الآليات في أنواع تربة التجميد المختلفة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أن RPEs تساهم بشكل كبير في إطلاق الكربون من التجميد، مما يجب دمجه في النماذج التي تتنبأ بتغذية الكربون من التجميد وتأثيراتها على الميزانية العالمية للكربون.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58845-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40234409
Publication Date: 2025-04-15
Author(s): Nina L. Friggens et al.
Primary Topic: Climate change and permafrost
Introduction
In this study, the researchers utilized *Agrostis capillaris* as a model plant to investigate the effects of fresh carbon (C) inputs on previously frozen soils within a mesocosm setup. Although *A. capillaris* does not fully represent the diversity of vegetation found at the field sampling sites, its high germination rates and adaptability to high northern latitudes made it a suitable choice for the experiment. The seeds were sterilized with a 30% hydrogen peroxide solution and prepared for sowing in a substrate composed of Field and Fairway Ceramics mixed with a controlled-release fertilizer, ensuring adequate nutrient availability for optimal plant growth.
The mesocosm compartments were designed to facilitate root growth and maintain consistent soil moisture levels throughout the experiment. Seeds were sown at a density of 1.8 mg cm\(^{-2}\) on June 15, 2023, and germinated by June 26, 2023. The plants were watered biweekly, with water amounts adjusted according to their growth stage. Once mature, the shoots of *A. capillaris* were clipped monthly or when they reached a height of 50 cm or more, allowing for ongoing assessment of growth dynamics within the experimental framework.
Methods
In this study, 54 mesocosms were utilized to investigate the effects of root exclusion and nutrient addition on soil dynamics. The experimental design included 31 mesocosms with a temporal root exclusion mesh regime, encompassing a diverse range of soil types, carbon (C), and nitrogen (N) content. The remaining 23 mesocosms received additional nutrients, with careful selection to represent the full spectrum of soil characteristics. A 1 µm root exclusion nylon mesh was installed in specific compartments to create root-free controls, while roots were severed at designated time points to assess the contributions of live roots versus root litter to carbon and nutrient inputs.
Nutrient addition was implemented using a slow-release fertilizer (Velvit Nutrilong V180) at the experiment’s onset, tailored to the specific soil conditions of each mesocosm. The nutrient treatments varied, with one compartment receiving no additional nutrients, another receiving low levels (2× microbial biomass N), and a third receiving high levels (10× microbial biomass N). Notably, the root-free control compartment was treated similarly to the high nutrient compartment. Despite previous findings indicating minimal effects of nutrient additions on respiration in root-free soils, this experiment observed increased fluxes in the high nutrient treatments, leading to a focused analysis on these conditions with and without roots.
Results
The results of this study reveal significant positive rhizosphere priming effects (RPEs) in both active layer and permafrost soils collected from various permafrost-affected soil types in northwest Canada. The investigation utilized a temperature-controlled plant-growth chamber to measure CO₂ fluxes and isotopic signatures, allowing for the partitioning of soil carbon effluxes into plant-derived and soil organic matter (SOM)-derived components. The presence of roots consistently increased SOM-derived CO₂ fluxes, with an average RPE ratio of 1.31, indicating net carbon release from both soil types. Notably, severing roots led to a rapid decline in SOM-derived CO₂ flux, underscoring the role of fresh root exudates in driving these priming effects.
The study further distinguishes the temporal dynamics of RPEs between active layer and permafrost soils. Positive RPEs in active layer soils were observed primarily within the first 185 days, with a subsequent decline in priming effects, suggesting a limited pool of carbon susceptible to priming. In contrast, permafrost soils exhibited sustained positive RPEs throughout the experiment, with RPE ratios exceeding 1.5 after day 300, indicating a greater vulnerability to priming over time. These findings highlight the potential for increased mineralization of carbon stored in permafrost soils, which could exacerbate the feedback loop between permafrost CO₂ emissions and global warming.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the factors influencing the magnitude of positive rhizosphere priming effects (RPEs) in permafrost and active layer soils. It suggests that the stronger and more persistent positive priming effects in permafrost soils may be attributed to microbial communities in older, deeper soil layers being more limited by labile carbon (C) and energy availability compared to active layer soils. This is supported by lower rates of CO₂ release per unit C in permafrost soils (p = 0.029, F = 5.395, df = 1) and a significant negative relationship between the RPE ratio and cumulative soil organic matter (SOM)-derived CO₂ flux (p = 0.0015, F = 12.37, df = 29). Additionally, the study indicates that root exudates, particularly organic acids, may enhance the microbial availability of organic matter in mineral permafrost soils, further contributing to the observed priming effects.
The research also explores the impact of nutrient additions on RPEs, revealing that such additions temporarily reduce priming effects in both soil types, particularly in permafrost soils (p = 0.0037, F = 8.53). This reduction is attributed to alleviated microbial nutrient limitations, which diminishes the need for microbial N-mining and subsequently lowers positive priming effects. However, as nutrient availability declines over time, a return to positive RPEs is observed, suggesting that while nutrient additions can delay priming effects, they do not eliminate them entirely. The findings underscore the complex interplay between microbial and plant nutrient limitations in driving RPEs and highlight the necessity for further research to understand these mechanisms in different permafrost soil types. Overall, the study emphasizes that RPEs significantly contribute to carbon release from permafrost, which should be integrated into models predicting permafrost carbon feedbacks and their implications for the global carbon budget.