Markandning

Markandning avser produktionen av koldioxid när markorganismer respirerar. Detta inkluderar andning av växtrötter , rhizosfären , mikrober och fauna .

Markandning är en viktig ekosystemprocess som frigör kol från marken i form av CO ₂ . CO ₂ tas upp av växter från atmosfären och omvandlas till organiska föreningar i fotosyntesprocessen . Växter använder dessa organiska föreningar för att bygga strukturella komponenter eller andas in dem för att frigöra energi. När växtrespiration sker under jorden i rötterna, bidrar det till markandningen. Med tiden konsumeras växtstrukturkomponenter av heterotrofer . Denna heterotrofa konsumtion frigör CO ₂ och när denna CO ₂ frigörs av underjordiska organismer betraktas det som markandning.

Mängden markandning som sker i ett ekosystem styrs av flera faktorer. Temperaturen, fukten, näringsinnehållet och syrehalten i jorden kan ge extremt olika andningshastigheter. Dessa andningshastigheter kan mätas med en mängd olika metoder. Andra metoder kan användas för att separera källkomponenterna, i detta fall typen av fotosyntesväg ( C3 / C4 ), för de andade växtstrukturerna.

Markens andningshastigheter kan till stor del påverkas av mänsklig aktivitet. Detta beror på att människor har förmågan att och har förändrat de olika styrande faktorerna för markandning i många år. Globala klimatförändringar består av många förändrade faktorer, inklusive stigande atmosfärisk CO ₂ , ökande temperatur och skiftande nederbördsmönster . Alla dessa faktorer kan påverka graden av global markandning. Ökad kvävegödsling av människor har också potential att påverka hastigheten över hela planeten .

Markandning och dess hastighet över ekosystem är extremt viktigt att förstå. Detta beror på att markandning spelar en stor roll i den globala kolkretsloppet såväl som andra näringskretslopp . Växtstrukturers andning frigör inte bara CO ₂ utan även andra näringsämnen i dessa strukturer, såsom kväve. Markandning är också förknippad med positiv feedback med globala klimatförändringar. Positiv feedback är när en förändring i ett system ger respons i samma riktning som förändringen. Därför kan markens andningshastigheter påverkas av klimatförändringar och sedan svara genom att förbättra klimatförändringarna.

Källor till koldioxid i marken

Ett bärbart jordandningssystem som mäter markens CO ₂ -flöde

All cellandning frigör energi, vatten och CO ₂ från organiska föreningar. All andning som sker under jord anses vara markandning. Andning från växtrötter, bakterier, svampar och jorddjur frigör alla CO ₂ i jordar, enligt beskrivningen nedan.

Trikarboxylsyra (TCA) cykel

Trikarboxylsyracykeln (TCA) – eller citronsyracykeln – är ett viktigt steg i cellandningen . I TCA-cykeln oxideras ett socker med sex kolatomer . Denna oxidation producerar CO ₂ och H ₂ O från sockret. Växter, svampar, djur och bakterier använder alla denna cykel för att omvandla organiska föreningar till energi. Det är så majoriteten av markandningen sker på sin mest grundläggande nivå. Eftersom processen är beroende av att syre inträffar kallas detta för aerob andning.

Jäsning

Fermentering är en annan process där celler får energi från organiska föreningar. I denna metaboliska väg erhålls energi från kolföreningen utan användning av syre. Produkterna av denna reaktion är koldioxid och vanligtvis antingen etylalkohol eller mjölksyra . På grund av syrebristen beskrivs denna väg som anaerob andning . Detta är en viktig källa till CO ₂ i markandningen i vattendränkta ekosystem där syre är ont om, som i torvmossar och våtmarker . Men det mesta av CO ₂ som frigörs från marken sker via andning och en av de viktigaste aspekterna av underjordisk andning sker i växtrötterna.

Rotandning

Växter respirerar en del av kolföreningarna som genererades genom fotosyntes. När denna andning sker i rötter, bidrar den till markandningen. Rotandning står för ungefär hälften av all markandning. Dessa värden kan dock variera från 10 till 90 % beroende på de dominerande växttyperna i ett ekosystem och förhållanden under vilka växterna utsätts. Således bestäms mängden CO _{2 som produceras genom rotrespiration av} rotbiomassan och specifika rotrespirationshastigheter. Direkt intill roten finns det område som kallas rhizosfären, som också spelar en viktig roll för markandningen.

Rhizosfärens andning

Rhizosfären är en zon omedelbart intill rotytan med dess närliggande jord . I denna zon finns ett nära samspel mellan växten och mikroorganismer. Rötter släpper kontinuerligt ut ämnen, eller utsöndringar , i jorden. Dessa exsudat inkluderar sockerarter, aminosyror , vitaminer , långkedjiga kolhydrater , enzymer och lysat som frigörs när rotcellerna går sönder. Mängden kol som går förlorad som exsudat varierar avsevärt mellan växtarter. Det har visat sig att upp till 20 % av kolet som förvärvats genom fotosyntes släpps ut i jorden som rotexsudat. Dessa utsöndringar bryts ned främst av bakterier. Dessa bakterier kommer att andas in kolföreningarna genom TCA-cykeln; dock jäsning också närvarande. Detta beror på bristen på syre på grund av större syreförbrukning av roten jämfört med bulkjorden, jord på ett större avstånd från roten. En annan viktig organism i rhizosfären är rotinfekterande svampar eller mykorrhiza . Dessa svampar ökar ytan av växtroten och låter roten möta och förvärva en större mängd marknäringsämnen som är nödvändiga för växttillväxt. I utbyte mot denna fördel kommer växten att överföra socker till svamparna. Svamparna kommer att andas in dessa sockerarter för energi och därigenom öka jordens andning. Svampar, tillsammans med bakterier och jorddjur, spelar också en stor roll i nedbrytningen av strö och organiskt material i jorden .

Jorddjur

Jorddjur betar på populationer av bakterier och svampar samt sväljer och bryter upp skräp för att öka markens andning. Mikrofaunan består av de minsta jorddjuren. Dessa inkluderar nematoder och kvalster . Denna grupp är specialiserad på jordbakterier och svampar. Genom att inta dessa organismer kommer kol som ursprungligen fanns i växtorganiska föreningar och som inkorporerades i bakterie- och svampstrukturer nu att andas av jorddjuret. Mesofauna är jorddjur från 0,1 till 2 millimeter (0,0039 till 0,0787 tum) i längd och kommer att få i sig jordskräp. Det fekala materialet kommer att hålla en större mängd fukt och ha en större yta. Detta kommer att möjliggöra nya angrepp av mikroorganismer och en större mängd markandning. Makrofauna är organismer från 2 till 20 millimeter (0,079 till 0,787 in), såsom daggmaskar och termiter . De flesta makrofaunafragment skräpar ner och utsätter därigenom en större mängd område för mikrobiell attack. Annan makrofauna gräver eller får i sig skräp, vilket minskar markens bulkdensitet, bryter upp markaggregat och ökar markluftningen och infiltrationen av vatten.

Reglering av markandning

Reglering av CO ₂ -produktion i mark beror på olika abiotiska , eller icke-levande, faktorer. Temperatur, markfuktighet och kväve bidrar alla till andningshastigheten i marken.

Temperatur

Graf som visar markens andning vs. marktemperaturen

Temperaturen påverkar nästan alla aspekter av andningsprocesser. Temperaturen kommer att öka andningen exponentiellt till ett maximum, vid vilken punkt andningen kommer att minska till noll när den enzymatiska aktiviteten avbryts. Rotandningen ökar exponentiellt med temperaturen i dess låga intervall när andningshastigheten främst begränsas av TCA-cykeln. Vid högre temperaturer blir transporten av socker och ämnesomsättningsprodukter den begränsande faktorn. Vid temperaturer över 35 °C (95 °F), börjar rotandningen att stängas av helt. Mikroorganismer delas in i tre temperaturgrupper; kryofiler , mesofiler och termofiler . Kryofiler fungerar optimalt vid temperaturer under 20 °C (68 °F), mesofiler fungerar bäst vid temperaturer mellan 20 och 40 °C (104 °F) och termofiler fungerar optimalt vid över 40 °C (104 °F). I naturliga jordar finns många olika kohorter eller grupper av mikroorganismer. Dessa kohorter kommer alla att fungera bäst under olika förhållanden, så andning kan förekomma över ett mycket brett intervall. Temperaturökningar leder till högre markandning tills höga värden hämmar mikrobiell funktion, detta är samma mönster som ses med markfuktighetsnivåer.

Markfuktighet

Markfuktighet är en annan viktig faktor som påverkar markandningen. Markandningen är låg i torra förhållanden och ökar till ett maximum vid mellanliggande fuktnivåer tills den börjar minska när fukthalten utesluter syre. Detta tillåter anaeroba förhållanden att råda och hämma aerob mikrobiell aktivitet. Studier har visat att markfuktighet endast begränsar andningen vid de lägsta och högsta förhållandena med en stor platå som existerar vid mellanliggande markfuktighetsnivåer för de flesta ekosystem. Många mikroorganismer har strategier för tillväxt och överlevnad under låga jordfuktighetsförhållanden. Under förhållanden med hög jordfuktighet tar många bakterier i sig för mycket vatten vilket gör att deras cellmembran lyserar eller går sönder. Detta kan temporärt minska hastigheten på markandningen, men lyseringen av bakterier orsakar en ökning av resurserna för många andra bakterier. Denna snabba ökning av tillgängliga labila substrat orsakar kortvarigt förbättrad markandning. Rotandningen kommer att öka med ökande markfuktighet, särskilt i torra ekosystem; emellertid kommer individuella arters rotrespirationsrespons på markfuktighet att variera kraftigt från art till art beroende på livshistoriska egenskaper. Övre nivåer av markfuktighet kommer att dämpa rotandningen genom att begränsa tillgången till atmosfäriskt syre. Med undantag för våtmarksväxter, som har utvecklat specifika mekanismer för rotluftning, är de flesta växter inte anpassade till våtmarksmiljöer med låg syrehalt . Den andningsdämpande effekten av förhöjd markfuktighet förstärks när markandningen också sänker markens redox genom bioelektrogenes . Jordbaserade mikrobiella bränsleceller håller på att bli populära pedagogiska verktyg för naturvetenskapliga klassrum.

Kväve

Kväve påverkar direkt markandningen på flera sätt. Kväve måste tas upp med rötterna för att främja växternas tillväxt och liv. Mest tillgängligt kväve finns i form av NO ₃₋ , vilket kostar 0,4 enheter CO ₂ att komma in i roten eftersom energi måste användas för att flytta den uppför en ^{koncentrationsgradient} . Väl inne i roten måste NO ₃ ⁻ reduceras till NH ₃ . Detta steg kräver mer energi, vilket motsvarar 2 enheter CO ₂ per reducerad molekyl. I växter med bakteriella symbionter , som fixerar atmosfäriskt kväve, är den energimässiga kostnaden för växten att förvärva en molekyl NH ₃ från atmosfärisk N ₂ 2,36 CO ₂ . Det är viktigt att växter tar upp kväve från jorden eller förlitar sig på symbionter för att fixera det från atmosfären för att säkerställa tillväxt, reproduktion och långsiktig överlevnad.

Ett annat sätt som kväve påverkar jordens andning är genom nedbrytning av strö . Strö med hög kvävehalt anses vara av hög kvalitet och bryts lättare ned av mikroorganismer än skräp av låg kvalitet. Nedbrytning av cellulosa , en seg växtstrukturförening, är också en kvävebegränsad process och kommer att öka med tillsats av kväve till strö.

Metoder för mätning

Det finns olika metoder för mätning av markens andningshastighet och bestämning av källor. Metoder kan delas in i fält- och laboratoriebaserade metoder. De vanligaste fältmetoderna inkluderar användningen av långvariga fristående jordflödessystem för mätning på en plats vid olika tidpunkter; kartlägga markandningssystem för mätning av olika platser och vid olika tidpunkter. Användningen av stabila isotopförhållanden kan användas både i laboratorie- och fältmätningar.

Markandningen kan mätas ensam eller med tillsatta näringsämnen och (kol)substrat som förser mikroorganismerna med matkällor. Markandning utan några tillsatser av näringsämnen och substrat kallas för basal jordandning (BR). Med tillsats av näringsämnen (ofta kväve och fosfor) och substrat (t.ex. sockerarter) kallas det substratinducerad jordandning (SIR). I både BR- och SIR-mätningar kan fukthalten justeras med vatten.

Fältmetoder

Långsiktiga fristående jordflödessystem för mätning på en plats över tid

Ett automatiserat mark CO ₂ utbytessystem

Dessa system mäter på en plats under långa tidsperioder. Eftersom de bara mäter på en plats är det vanligt att använda flera stationer för att minska mätfel orsakade av markvariation över små avstånd. Jordvariabiliteten kan testas med mätinstrument för markandning.

Långtidsinstrumenten är utformade för att utsätta mätplatsen för omgivningsförhållanden så mycket som möjligt mellan mätningarna.

Typer av långsiktiga fristående instrument

Slutna, icke-stabila system

Slutna system tar korttidsmätningar (vanligtvis endast under några minuter) i en kammare förseglad över jorden. Hastigheten för markens CO ₂ -utflöde beräknas på basis av CO ₂ ökat inne i kammaren. Eftersom det ligger inom stängda kammares natur som CO ₂ fortsätter att ackumuleras, reduceras mätperioderna till ett minimum för att uppnå en detekterbar, linjär koncentrationsökning, vilket undviker en överdriven uppbyggnad av CO 2 _inuti kammaren över tiden.

Både individuell analysinformation och dygnsinformation om CO ₂ -andning är tillgänglig. Det är också vanligt att sådana system även mäter marktemperatur, markfuktighet och PAR ( fotosyntetiskt aktiv strålning) . Dessa variabler registreras normalt i mätfilen tillsammans med CO ₂ -värden.

För bestämning av markandning och lutningen av CO ₂ -ökningen har forskare använt linjär regressionsanalys, Pedersen (2001) algoritm och exponentiell regression . Det finns fler publicerade referenser för linjär regressionsanalys; Pedersen-algoritmen och metoderna för exponentiell regressionsanalys har dock också sina följande. Vissa system erbjuder ett urval av matematiska metoder.

När du använder linjär regression ritas flera datapunkter i graf och punkterna kan förses med en linjär regressionsekvation, som ger en lutning. Denna lutning kan ge markandningshastigheten med ekvationen ${\displaystyle F=bV/A} ,$ där F är markandningens hastighet, b är lutningen, V är volymen av kammaren och A är den yta av jorden som täcks av kammaren. Det är viktigt att mätningen inte tillåts löpa över en längre tid eftersom ökningen av CO ₂ -koncentrationen i kammaren också ökar koncentrationen av CO ₂ i det porösa översta lagret av markprofilen. Denna ökning av koncentrationen kommer att orsaka en underskattning av markens andningshastighet på grund av att ytterligare CO ₂ lagras i jorden.

Öppna, steady-state system

Öppet lägessystem är utformade för att hitta jordflödeshastigheter när mätning av kammarjämvikt har uppnåtts. Luft strömmar genom kammaren innan kammaren stängs och förseglas. Detta rensar alla icke-omgivande CO ₂ -nivåer från kammaren före mätning. Efter att kammaren är stängd pumpas frisk luft in i kammaren med en kontrollerad och programmerbar flödeshastighet. Detta blandas med CO ₂ från marken, och efter en tid uppnås jämvikt. Forskaren specificerar jämviktspunkten som skillnaden i CO ₂ -mätningar mellan successiva avläsningar, under en förfluten tid. Under analysen minskar förändringshastigheten långsamt tills den uppfyller kundens kriterier för förändringshastighet, eller den maximala valda tiden för analysen. Jordflödet eller förändringshastigheten bestäms sedan när jämviktsförhållanden har uppnåtts i kammaren. Kammarflödeshastigheter och tider är programmerbara, noggrant uppmätta och används i beräkningar. Dessa system har ventiler som är utformade för att förhindra en möjlig oacceptabel uppbyggnad av partiellt CO ₂ -tryck som diskuteras under stängda system. Eftersom luftrörelsen inuti kammaren kan orsaka ökat kammartryck, eller yttre vindar kan ge minskat kammartryck, tillhandahålls en ventil som är utformad för att vara så vindtät som möjligt.

Öppna system är inte heller lika känsliga för variationer i markstrukturen eller för gränsskiktsmotståndsproblem vid markytan. Luftflödet i kammaren vid markytan är utformat för att minimera gränsskiktets motståndsfenomen.

Hybridlägessystem

Ett hybridsystem finns också. Den har en ventilationsöppning som är designad för att vara så vindtät som möjligt och förhindra eventuell oacceptabel partiell CO ₂ -trycksuppbyggnad, men är utformad för att fungera som ett designsystem med stängt läge i andra avseenden.

Undersök markandningssystem – för att testa variationen av CO ₂ -andning på olika platser och vid olika tidpunkter

Mätning av rumslig variation av markandningen i fält

Dessa är antingen öppna eller stängda instrument som är bärbara eller semi-portabla. De mäter CO ₂ markens andningsvariabilitet på olika platser och vid olika tidpunkter. Med denna typ av instrument sätts jordkragar som kan anslutas till undersökningsmätinstrumentet i marken och jorden får stabilisera sig under en tid. Införandet av jordkragen stör tillfälligt jorden, vilket skapar mätartefakter. Av denna anledning är det vanligt att ha flera jordkragar insatta på olika ställen. Jordkragar sätts in tillräckligt långt för att begränsa lateral diffusion av CO ₂ . Efter markstabilisering går forskaren sedan från en krage till en annan enligt experimentell design för att mäta markandningen.

Undersökningssystem för markandning kan också användas för att fastställa antalet långtidsfristående tidsinstrument som krävs för att uppnå en acceptabel felnivå. Olika platser kan kräva olika antal långtidsfristående enheter på grund av större eller mindre variation i markandningen.

Isotopmetoder

Växter förvärvar CO ₂ och producerar organiska föreningar med hjälp av en av tre fotosyntesvägar . De två vanligaste vägarna är C3- _och C4 _- processerna. C ₃ -växter är bäst anpassade till svala och våta förhållanden medan C ₄ -växter klarar sig bra i varma och torra ekosystem. På grund av de olika fotosyntetiska enzymerna mellan de två vägarna, förvärvas företrädesvis olika kolisotoper . Isotoper är samma grundämne som skiljer sig i antalet neutroner, vilket gör en isotop tyngre än den andra. De två stabila kolisotoperna är ¹² C och ¹³ C. C ₃ -vägen kommer att diskriminera den tyngre isotopen mer än C ₄ -vägen. Detta kommer att göra växtstrukturerna som produceras av C ₄ -växter mer anrikade i den tyngre isotopen och därför kommer även rotexsudat och strö från dessa växter att bli mer anrikade. När kolet i dessa strukturer andas in, kommer CO ₂ att visa ett liknande förhållande mellan de två isotoperna. Forskare kommer att odla en C ₄ -växt på jord som tidigare var upptagen av en C ₃ -växt eller vice versa. Genom att ta markrespirationsmätningar och analysera isotopförhållandena för CO ₂ kan det fastställas om markandningen är mestadels gammal jämfört med nyligen bildat kol. Till exempel odlades majs, en C _{4 -växt, på jord där} vårvete , en C ₃ -växt, tidigare odlats. Resultaten visade andning av C ₃ SOM under de första 40 dagarna, med en gradvis linjär ökning av tung isotopanrikning fram till dag 70. Dagarna efter 70 visade en långsammare anrikning till en topp vid dag 100. Genom att analysera stabila kolisotopdata är det möjligt att bestämma källkomponenterna för respirerad SOM som producerades av olika fotosyntetiska vägar.

Substratinducerad andning i fält med hjälp av stabila isotoper

Ett problem vid mätning av markandning i fält är att andning av mikroorganismer inte kan särskiljas från andning från växtrötter och jorddjur. Detta kan övervinnas med hjälp av stabila isotoptekniker. Rörsocker är ett C ₄ - socker som kan fungera som ett isotopiskt spårämne. Rörsocker har en något högre förekomst av ¹³ C (δ ¹³ C ≈ −10‰) än det endogena (naturliga) kolet i ett C ₃ -ekosystem (δ ¹³ C=−25 till −28‰). Rörsocker kan sprayas på jorden i en lösning och kommer att infiltrera den övre jorden. Endast mikroorganismer kommer att andas det tillsatta sockret eftersom rötter uteslutande andar kolprodukter som assimileras av växten via fotosyntes. Genom analyser av δ ¹³ C av CO ₂ som utvecklas från jorden med eller utan tillsats av rörsocker, kan andelen C ₃ (rot och mikrobiell) och C ₄ (mikrobiell andning) beräknas.

Fältandning med stabila isotoper kan användas som ett verktyg för att mäta mikrobiell andning in situ utan att störa de mikrobiella samhällena genom att blanda marknäringsämnen, syre och markföroreningar som kan förekomma.

Svar på mänsklig störning

Under de senaste 160 åren har människor förändrat markanvändning och industriella metoder, vilket har förändrat klimatet och de globala biogeokemiska kretsloppen . Dessa förändringar har påverkat graden av markandning runt planeten. Dessutom kommer allt vanligare extrema klimathändelser som värmeböljor (som involverar störningar i höga temperaturer och associerade intensiva torka), följt av intensiva nederbörd, påverkan på mikrobiella samhällen och markens fysikaliska kemi och kan inducera förändringar i markens andning.

Förhöjd koldioxid

Sedan den industriella revolutionen har människor släppt ut enorma mängder CO ₂ i atmosfären. Dessa utsläpp har ökat kraftigt över tiden och har ökat de globala atmosfäriska CO ₂ -nivåerna till de högsta på över 750 000 år. Markandningen ökar när ekosystemen utsätts för förhöjda halter av CO ₂ . Flera studier av anrikning av CO _{2 med fri luft} (FACE) har utförts för att testa markandning under förutspådda framtida förhöjda CO ₂ -förhållanden. Nyligen genomförda FACE-studier har visat stora ökningar i markens andning på grund av ökad rotbiomassa och mikrobiell aktivitet. Markandningen har visat sig öka med upp till 40,6 % i en sötgummiskog i Tennessee och poppelskogar i Wisconsin under förhöjda CO ₂ -förhållanden. Det är extremt troligt att CO ₂ -nivåerna kommer att överstiga de som används i dessa FACE-experiment i mitten av detta århundrade på grund av ökad mänsklig användning av fossila bränslen och markanvändningsmetoder.

Klimatuppvärmning

På grund av den ökade temperaturen i jorden ökar CO ₂ -nivåerna i vår atmosfär, och som sådan stiger jordens medeltemperatur. Detta beror på mänskliga aktiviteter som skogsröjning , jordborttagning och utveckling som förstör autotrofa processer . Med förlusten av fotosyntetiska växter som täcker och kyler jordens yta tränger den infraröda energin in i jorden och värmer upp den och orsakar en ökning av heterotrofa bakterier. Heterotrofer i marken bryter snabbt ner det organiska materialet och markstrukturen smulas sönder, så att den löses upp i bäckar och floder i havet. Mycket av det organiska materialet som svepts bort i översvämningar orsakade av skogsröjning går in i flodmynningar , våtmarker och så småningom ut i det öppna havet. Ökad grumlighet i ytvattnet orsakar biologiskt syrebehov och fler autotrofa organismer dör. Koldioxidhalterna stiger med ökad andning av jordbakterier efter att temperaturen stiger på grund av förlust av jordtäcke.

Som tidigare nämnts påverkar temperaturen i hög grad markandningens hastighet. Detta kan ha det mest drastiska inflytandet i Arktis . Stora lager av kol är låsta i den frusna permafrosten . Med en ökning av temperaturen smälter denna permafrost och aeroba förhållanden börjar råda, vilket kraftigt ökar andningshastigheten i det ekosystemet.

Förändringar i nederbörd

På grund av temperaturskiftande mönster och förändrade oceaniska förhållanden förväntas nederbördsmönstren ändras i läge, frekvens och intensitet. Större och mer frekventa stormar förväntas när haven kan överföra mer energi till de bildade stormsystemen. Detta kan ha störst inverkan på xeriska , eller torra, ekosystem. Det har visat sig att markandningen i torra ekosystem visar dynamiska förändringar inom en regncykel . Andningshastigheten i torr jord sprängs vanligtvis till en mycket hög nivå efter nederbörd och minskar sedan gradvis när jorden torkar. Med en ökning av nederbördsfrekvensen och intensiteten över ett område utan tidigare omfattande nederbörd, kan en dramatisk ökning av markandningen antas.

Kvävegödsling

Sedan den gröna revolutionen började i mitten av förra seklet har enorma mängder kvävegödsel producerats och introducerats i nästan alla jordbrukssystem. Detta har lett till ökningar av växttillgängligt kväve i ekosystem runt om i världen på grund av avrinning från jordbruket och vinddriven gödsling . Som diskuterats tidigare kan kväve ha en betydande positiv effekt på nivån och hastigheten av markandningen. Ökning av markkväve har visat sig öka växternas mörka andning, stimulera specifika hastigheter för rotandning och öka den totala rotbiomassan. Detta beror på att höga kvävehastigheter är förknippade med höga växttillväxthastigheter. Hög växttillväxt kommer att leda till den ökade andningen och biomassan som finns i studien. Med denna ökning av produktiviteten kan en ökning av markaktiviteter och därför andning garanteras.

Betydelse

Markandning spelar en betydande roll i de globala kol- och näringsämnenas kretslopp och är en drivkraft för klimatförändringar. Dessa roller är viktiga för vår förståelse av den naturliga världen och mänskligt bevarande.

Global koldioxidcykel

Markandning spelar en avgörande roll i regleringen av kolets kretslopp på ekosystemnivå och på global skala. Varje år tas cirka 120 petagram (Pg) kol upp av landväxter och en liknande mängd släpps ut i atmosfären genom ekosystemandning. De globala jordarna innehåller upp till 3150 Pg kol, varav 450 Pg finns i våtmarker och 400 Pg i permanent frusna jordar. Jordarna innehåller mer än fyra gånger så mycket kol som atmosfären. Forskare har uppskattat att markandningen står för 77 Pg kol som släpps ut i atmosfären varje år. Denna nivå av utsläpp är högre än kolutsläppen på grund av antropogena källor (56 Pg per år) såsom förbränning av fossila bränslen . En liten förändring i markens andning kan alltså allvarligt förändra balansen mellan atmosfärens CO ₂ -koncentration kontra markens kollager. Ungefär som markandning kan spela en betydande roll i den globala kolcykeln, kan den också reglera den globala näringskretsloppet .

Cykling av näringsämnen

En viktig komponent i markandningen är från nedbrytningen av skräp som släpper ut CO ₂ till miljön samtidigt som näringsämnen immobiliseras eller mineraliseras . Under nedbrytningen immobiliseras näringsämnen som kväve av mikrober för sin egen tillväxt. När dessa mikrober intas eller dör tillsätts kväve till jorden. Kväve mineraliseras också från nedbrytningen av proteiner och nukleinsyror i strö. Detta mineraliserade kväve tillsätts också till jorden. På grund av dessa processer kopplas mängden kväve som tillförs marken med hastigheten för mikrobiell andning. Studier har visat att hastigheten för markandning var associerad med hastigheten för mikrobiell omsättning och kvävemineralisering. Förändringar av de globala cyklerna kan ytterligare verka för att förändra klimatet på planeten.

Klimatförändring

Som tidigare nämnts är den CO ₂ som frigörs av markandning en växthusgas som kommer att fortsätta att fånga energi och öka den globala medeltemperaturen om koncentrationerna fortsätter att stiga. När den globala temperaturen stiger, kommer också hastigheten för markens andning över hela världen att leda till en högre koncentration av CO ₂ i atmosfären, vilket återigen leder till högre globala temperaturer. Detta är ett exempel på en positiv återkopplingsslinga . Det uppskattas att en temperaturhöjning med 2° Celsius kommer att leda till ytterligare utsläpp av 10 Pg kol per år till atmosfären från markandning. Detta är en större mängd än nuvarande antropogena koldioxidutsläpp. Det finns också en möjlighet att denna temperaturökning kommer att frigöra kol som lagras i permanent frusna jordar, som nu smälter. Klimatmodeller har föreslagit att denna positiva återkoppling mellan markandning och temperatur kommer att leda till en minskning av marklagrat kol i mitten av 2000-talet.

Sammanfattning

Markandning är en viktig ekosystemprocess som frigör kol från marken i form av koldioxid. Kol lagras i jorden som organiskt material och andas in av växter, bakterier, svampar och djur. När denna andning sker under marken anses det som markandning. Temperatur, markfuktighet och kväve reglerar alla hastigheten för denna omvandling från kol i markens organiska föreningar till CO ₂ . Många metoder används för att mäta markandningen; den stängda dynamiska kammaren och användningen av stabila isotopförhållanden är dock två av de vanligaste teknikerna. Människor har förändrat atmosfäriska CO ₂ -nivåer, nederbördsmönster och befruktningshastigheter, som alla har haft en betydande roll för markens andningshastighet. Förändringarna i dessa hastigheter kan förändra de globala kol- och näringsämnenas kretslopp samt spela en betydande roll i klimatförändringarna.

• Wang Y, AmundsoR, Trumbore S (1999). "Effekten av förändrad markanvändning på C-omsättningen i jordar" ( PDF) . Globala biogeokemiska cykler . 13 (1): 47–57. Bibcode : 1999GBioC..13...47W . doi : 10.1029/1998GB900005 .
• Su B. (2005) Interaktioner mellan ekosystemets kol-, kväve- och vattenkretslopp under global förändring: Resultat från fält- och mesokosmosexperiment. University of Oklahoma, Norman, OK.
• Flanagan L och Veum A. (1974) Samband mellan andning, viktminskning, temperatur och fukt i organiska rester i tundra. Jordens organismer och nedbrytning i Tundra. 249–277.

externa länkar

• Underjordisk andning , Duke University