DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.17245
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38511487
تاريخ النشر: 2024-03-01
المؤلف: Arthur A. D. Broadbent وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير عوامل تغير المناخ – تحديدًا انخفاض تغطية الثلوج وتوسع الشجيرات – على الارتباط الموسمي لدورة النيتروجين (N) بين النباتات والميكروبات التربة في المراعي الجبلية. هذه النظم البيئية تشهد ارتفاعًا في درجات الحرارة بمعدل ضعف المعدل العالمي، مما يجعل من الضروري فهم كيفية تأثير دورة المغذيات. تكشف الأبحاث أن تفاعل هذه العوامل المتعلقة بتغير المناخ يعطل الديناميات الموسمية لدورة النيتروجين، خاصة خلال الربيع (بعد ذوبان الثلوج) والخريف (أثناء شيخوخة النباتات).
تشير النتائج إلى انخفاضات كبيرة في امتصاص النيتروجين العضوي من قبل النباتات بنسبة 70% في الربيع و82% في الخريف، إلى جانب انخفاضات في الكتلة الحيوية الميكروبية للتربة بنسبة 19% و38%، على التوالي. على العكس من ذلك، كان هناك زيادة ملحوظة في وفرة الميكروبات المنزعة للنيتروجين في التربة، مع زيادات قدرها 253% في الربيع و136% في الخريف. بالإضافة إلى ذلك، أدى توسع الشجيرات إلى تغيير في موسمية تركيب المجتمع الميكروبي للتربة والستويكيويمياء. تؤكد هذه النتائج على التفاعلات المعقدة بين عوامل تغير المناخ وعمليات دورة المغذيات، مما يبرز الآثار المحتملة لفقدان المغذيات والاحتفاظ بها في النظم البيئية الجبلية.
الطرق
في هذه الدراسة، أجرى المؤلفون تجربة لتلاعب الثلوج وتوسع الشجيرات في مرعى جبلي يهيمن عليه *Nardus stricta* في جبال أوتزال، النمسا، للتحقيق في تأثيرات إزالة الثلوج على ظروف التربة وديناميات الغطاء النباتي. شمل التصميم التجريبي 32 قطعة (2 م × 2 م) مرتبة في تصميم كتلة عشوائية عبر ثمانية كتل، مع علاجين: إزالة الثلوج والتحكم في الثلوج، المطبقين على كل من أنواع الغطاء النباتي المتأثرة بالشجيرات ونوع السيطرة على العشب. تمت إزالة الثلوج يدويًا من قطع إزالة الثلوج إلى عمق حوالي 5 سم في ثلاث مناسبات بين فبراير 2018 وفبراير 2019.
أشارت النتائج إلى أن إزالة الثلوج زادت بشكل كبير من نشاط التجمد والذوبان في التربة وأعادت توقيت ذوبان الثلوج بمتوسط 11 يومًا عبر كلا نوعي الغطاء النباتي (χ² = 90.8، p < .01). بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن متوسط تغطية الثلوج كان أقل بنسبة 13% في القطع المتأثرة بالشجيرات مقارنة بقطع العشب (102 ± 2 سم مقابل 117 ± 2 سم؛ χ² = 6.2، df = 1، p < .05)، مع درجات حرارة التربة ورطوبة أقل عمومًا في قطع الشجيرات. كما لاحظت الدراسة زيادة في وفرة الشجيرات الإريكية الأصلية في الموقع من 2003 إلى 2015، على الأرجح مدفوعة بتغير المناخ، مع كون *Calluna vulgaris* هو النوع السائد. تم تحديد خصائص التربة على أنها بودزول حبيبي ضحل بمتوسط pH قدره 5.1 ونسبة C:N قدرها 16.9، مما يوفر سياقًا للتغيرات البيئية الملحوظة.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التأثير الكبير لتغير المناخ على الديناميات الموسمية لدورة النيتروجين (N) في النظم البيئية الجبلية، خاصة من خلال انخفاض تغطية الثلوج وتوسع الشجيرات الإريكية. تعطل هذه العوامل الارتباط الزمني بين عمليات النيتروجين للنباتات والميكروبات التربة، مما يؤدي إلى انخفاضات كبيرة في امتصاص النيتروجين من قبل النباتات وكتلة النيتروجين الميكروبية في التربة. بشكل محدد، أدى تفاعل هذه العوامل المتعلقة بتغير المناخ إلى انخفاض بنسبة 82% في امتصاص النيتروجين العضوي خلال الخريف، إلى جانب زيادة ملحوظة في وفرة الميكروبات المنزعة للنيتروجين، مما قد يؤدي إلى فقدان النيتروجين عبر المواسم من النظام البيئي.
تؤكد النتائج على تعقيد التفاعلات بين تأثيرات تغير المناخ، كاشفة أنه بينما زادت كل من انخفاض تغطية الثلوج وتوسع الشجيرات بشكل فردي من امتصاص النيتروجين العضوي، كانت آثارها المشتركة متعارضة، مما قلل بشكل كبير من امتصاص النيتروجين عبر المواسم. يشكل هذا الاضطراب تهديدًا لإنتاجية النظام البيئي واحتفاظ النيتروجين، حيث يمكن أن تعيق الفجوة بين توفر النيتروجين في التربة وطلب النباتات نمو النباتات ودورة المغذيات. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث في التأثيرات التفاعلية لعوامل تغير المناخ المتعددة على ديناميات المغذيات في هذه النظم البيئية الضعيفة، حيث إن فهم هذه التفاعلات أمر حاسم للتنبؤ باستجابات النظام البيئي المستقبلية للتغيرات المناخية المستمرة.
DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.17245
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38511487
Publication Date: 2024-03-01
Author(s): Arthur A. D. Broadbent et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the impact of climate change factors—specifically reduced snow cover and shrub expansion—on the seasonal coupling of nitrogen (N) cycling between plants and soil microbes in alpine grasslands. These ecosystems are experiencing warming at twice the global average rate, making it critical to understand how nutrient cycling is affected. The research reveals that the interplay of these climate change factors disrupts the seasonal dynamics of N cycling, particularly during spring (post-snow melt) and autumn (during plant senescence).
The findings indicate significant declines in plant organic N uptake by 70% in spring and 82% in autumn, alongside reductions in soil microbial biomass N of 19% and 38%, respectively. Conversely, there was a marked increase in soil denitrifier abundances, with increases of 253% in spring and 136% in autumn. Additionally, shrub expansion altered the seasonality of soil microbial community composition and stoichiometry. These results underscore the complex interactions between climate change factors and nutrient cycling processes, highlighting potential implications for nutrient loss and retention in alpine ecosystems.
Methods
In this study, the authors conducted a snow manipulation and shrub expansion experiment in an alpine grassland dominated by *Nardus stricta* in the Oetztal Alps, Austria, to investigate the effects of snow removal on soil conditions and vegetation dynamics. The experimental design included 32 plots (2 m × 2 m) arranged in a randomized block design across eight blocks, with two treatments: snow removal and snow control, applied to both shrub-invaded and grass control vegetation types. Snow was manually removed from the snow removal plots to a depth of approximately 5 cm on three occasions between February 2018 and February 2019.
The results indicated that snow removal significantly increased freeze-thaw activity in the soil and advanced snow melt timing by an average of 11 days across both vegetation types (χ² = 90.8, p < .01). Additionally, mean snow cover was found to be 13% lower in shrub-invaded plots compared to grass plots (102 ± 2 cm vs. 117 ± 2 cm; χ² = 6.2, df = 1, p < .05), with soil temperature and moisture generally lower in shrub plots. The study also noted an increase in native ericaceous shrub abundance at the site from 2003 to 2015, likely driven by climate change, with *Calluna vulgaris* being the dominant species. The soil characteristics were identified as a shallow haplic podzol with a mean pH of 5.1 and a C:N ratio of 16.9, providing context for the observed ecological changes.
Discussion
The discussion highlights the significant impact of climate change on the seasonal dynamics of nitrogen (N) cycling in alpine ecosystems, particularly through reduced snow cover and the expansion of ericaceous shrubs. These factors disrupt the temporal coupling between plant and soil microbial N processes, leading to substantial reductions in plant N-uptake and soil microbial biomass N. Specifically, the interaction of these climate change factors resulted in an 82% decrease in organic N-uptake during autumn, alongside a marked increase in denitrifier abundances, which could lead to cross-seasonal N losses from the ecosystem.
The findings underscore the complexity of interactions between climate change impacts, revealing that while both reduced snow cover and shrub expansion individually increased organic N-uptake, their combined effects were antagonistic, significantly diminishing N-uptake across seasons. This disruption poses a threat to ecosystem productivity and N retention, as the mismatch between soil N availability and plant demand could hinder plant growth and nutrient cycling. The study emphasizes the need for further research into the interactive effects of multiple climate change factors on nutrient dynamics in these vulnerable ecosystems, as understanding these interactions is crucial for predicting future ecosystem responses to ongoing climate changes.