Дали растителниот биодиверзтитет влијае на циркулирањето на хранливите материи?

Слика 1 : Комплементарноста помеѓу кореновите системи во почвата при услови на повисок биодиверзитет води до поефикасно циркулирање на хранливите материи. Широките стрелки означуваат поголема апсорпција на азот или поголема активност на фосфатазата во екосистеми со поголем диверзитет; тесните стрелки означуваат помала апсорпција на азот или пониска активност на фосфатазата во екосистеми со помал диверзитет. Додека азотот е апсорбиран од корените и се пренесува во надземните делови на растението, фосфатазата се ослободува надолу во почвата, за да обезбеди фосфат кој корените можат да го апсорбираат.

Note for the media: Use of the pictures provided by iDiv is permitted for reports related to this media release only, and under the condition that credit is given to the picture originator.

Open PDF in new window.

Eva Koller-France^1*, Wolfang Wilcke², Yvonne Oelmann¹

¹ Department of Geography/Geoecology, University of Tübingen, Tübingen, Germany
² Institute for Geography and Geoecology, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany

Сите живи нешта, како луѓето, животните, растенијата, па дури и микроорганизмите, имаат потреба од хранливи материи за да живеат, од кои најзначајни се азотот и фосфорот. Како овие елементи циркулираат низ екосистемот е едно од клучните нешта кои треба да откриеме за да сфатиме зашто екосистемите функционираат токму на одредени начини. Едно од прашањата кои си ги поставивме беше дали диверзитетот на организмите, како растенијата и инсектите, е поврзан со циклусот на хранливите материи. Кога растителните заедници се сочинети од голем број на различни растителни видови, навидум, тие можат подобро да ги искористат почвените хранливи материи, за разлика од растителните заедници кои се сочинети од помал број на видови. Ова е можеби така поради нешто што се нарекува комплементарност, што значи дека различни растителни видови успеваат да стигнат до достапните хранливи материи на различни начини, како на пример оние кои се наоѓаат на различни длабочини во почвата. Во оваа научна студија, ќе ги опишеме врските помеѓу растителниот биодиверзитет и циклусите на хранливите материи во почвата и ќе продискутираме за нивното влијание на функционирањето на целиот екосистем.

ЗОШТО НÈ ИНТЕРЕСИРА ЕФЕКТОТ НА БИОДИВЕРЗИТЕТОТ НА ЦИРКУЛИРАЊЕТО НА ХРАНЛИВИТЕ МАТЕРИИ?

Сите живи нешта на планетата имаат потреба од хранливи материи. Во природните екосистеми, овие хранливи материи, од кои најзначајни се азотот и фосфорот, растенијата ги апсорбираат од почвата. Растенија потоа може да бидат изедени од страна на животни или луѓе. Хранливите материи се враќаат во почвата преку животинскиот измет кога животните и растенијата ќе умрат, по што може да бидат повторно апсорбирани од нови растенија. Бидејќи овие настани постојано се повторуваат, ова го нарекуваме циклус на хранливите материи.

Во различни екосистеми и во животни средини со различни услови, циркулирањето на хранливите материи може да се одвива побрзо или побавно, и хранливите материи може да бидат искористени и рециклирани од различни компоненти од системот, повеќе или помалку целосно, што понекогаш прави дебаланс. На пример, понекогаш има повеќе достапни хранливи материи од што е потребно затоа што земјоделците додале премногу ѓубриво во почвата, или затоа што е топол зимски ден кога малите организми во почвата ги рециклираат и ослободуваат хранливите материи од мртвиот материјал, кои не им се потребни на растенијата за време на нивниот неактивен период. Ако има одвишок на хранливи материи во почвата, тие може да бидат пренесени во подземните води или во езерата и потоците. Од таму, тие се пренесуваат во поголемите реки и на крај, во морињата. Доколку овие водни тела примат преголеми количини на хранливи материи, доаѓа до нагло растење на алги, што прави штета на слатководните екосистеми. Во овој случај, преголема количина на нешто добро може да предизвика голем проблем. Токму затоа проучувањето на циклусите на хранливите материи во екосистемите во различни услови е, не само добар начин да се разбере како функционираат екосистемите, но и може да ни помогне со практични совети, како на пример како да ги заштитиме нашите резерви на чиста вода.

Знаеме дека биодиверзитетот (разновидноста на видови во еден екосистем) на еден екосистем учествува во многу процеси во екосистемот, и исто така знаеме дека биодиверзитетот се намалува на глобално ниво. На пример, некои видови на пчели и ретки цвеќиња изумираат, поради што денес многу екосистеми имаат намален диверзитет за разлика од порано. Ова е една од причините зошто сме заинтересирани за тоа како циркулирањето на хранливи материи реагира на промените во биодиверзитетот.

КАКОВ ЕФЕКТ ИМА БИОДИВЕРЗИТЕТОТ НА АЗОТОТ ВО ПОЧВАТА?

Врската помеѓу биодиверзитетот и азотот (во форма на нитрат, еден од формите на азот кој што е апсорбиран од растенијата) во почвата е доста добро воспоставена во експерименти кои ги проучуваат ефектите на биодиверзитетот на екосистемите [1]. Во овие експерименти, растителниот биодиверзитет се проучува со креирање на мали модели на екосистеми (често тревни површини или пасишта, каде што овие експерименти најлесно се изведуваат) со познат број на видови кои растат во исти животни услови, на пример во истото поле. Ова се прави со сеење на специфична мешавина од семиња во еден обележан квадрат во земјата, кои се нарекува експериментален насад. Овие мали насади редовно се проверуваат за присуството на растенија кои не се намерно засеани, и кои се отстрануваат. Резултатите од експерименталните насади со повисоко или пониско ниво на биодиверзитет можат лесно да се споредат едни со други, бидејќи единствената разлика помеѓу нив би требала да биде бројот на видови кои таму растат.

Преку овие експерименти на пасиштата, можеме да увидиме дека колку е поголем број на растителни видови, толку е помала концентрацијата на азот во почвата, што може доста лесно да се објасни. Доколку растенијата искористат повеќе азот, помала количина останува во почвата. Во екосистемите кои се релативно богати со хранливи материи, ова исто значи дека помала количина на азот ќе биде пренесена во подземните води, со што се заштитуваат подземните води и слатководните екосистеми.

За да ги разбереме овие резултати, мораме да имаме на ум уште еден важен ефект на растителниот биодиверзитет на екосистемите кои не се прихрануваат – зголемувањето на капацитетот на раст на растенијата. Кога има поголем растителен биодиверзитет, најчесто има и поголемо количество на растителна биомаса, како на пример, повеќе сено на ливадите. За произведување на оваа поголема количина на биомаса, потребен е повеќе азот. Секако, ова може да се анализира и на друг начин – повеќе биомаса може да биде произведена доколку растенијата имаат пристап до повеќе азот (и сите останати потребни хранливи материи). Од овој аспект, зборуваме за нешто што се нарекува комплементарност.

РАЗЛИЧНИТЕ ВИДОВИ РАБОТАТ ЗАЕДНО ЗА ДА СТИГНАТ ДО ХРАНЛИВИТЕ МАТЕРИИ

Комплементарноста се однесува на механизами преку кој различни делови од екосистемот (како на пример различни видови) користат различни есенцијални (и ограничени) ресурси од различни локации или во различно време. Искористувањето на ресурсите од еден вид е комплементарно на тоа од друг вид. На овој начин растителните заедници успеваат поцелосно да ги искористат достапните ресурси. Во нашиот пример, ресурсот кој се користи е азотот кој е достапен во почвата. Најверојатно знаете дека растенија го преземаат азотот од почвата преку своите корени. Но, не сите корени се исти. Некои растенија имаат силни и долги корени кои може да достигнат длабоко во почвата, но на патот до таму не се разгрануваат многу. Други пак, имаат корени кои може да ги достигнат само плитките делови од почвата. Доколку ги искомбинираме овие два вида, ќе видиме дека еден вид на растенија земаат вода и хранливи материи од плитката почва, додека другиот вид ги зема истите ресурси од длабокиот дел на почвите (Слика 1). Овие два вида на коренови системи се комплементарни еден на друг, што значи дека хранливите материи кои би биле неискористени во екосистем каде што се присутни само едниот или другиот вид на растенија, сега може да бидат искористени за производство на растителна биомаса која служи како храна на микроорганизмите и животните. Овие два вида на растенија користат различни ниши во просторот, кои ги нарекува просторни ниши. Слично на ова, не сите растенија се развиваат и растат во исто време. Доколку еден вид се развива во рана пролет, а друг вид расте само на лето, тогаш овие два вида нема да ги користат хранливите материи во исто време. Тие користат две временски ниши, или ниши во времето, и тие исто така имаат пристап до хранливи материи и други ресурси многу поцелосно заедно отколку што би имале сами. Па така, кога не само две, туку многу растенија растат заедно, користејќи различни просторни и временски ниши, азотот во почвата се користи многу покомплементарно, со што останува помала количина која ние треба да ја измериме.

РАСТИТЕЛЕН БИОДИВЕРЗИТЕТ И ФОСФОР ВО ПОЧВАТА

Логично е да се претпостави дека влијанието на биодиверзитетот кое го опишавме за азотот во почвата важи и за фосфорот во почвата. Двата се главни хранливи материи, и двата можат да го ограничат производството на биомасата. Но, иако на прв поглед е изненадувачки, ова не е нешто што се откри во експериментите за биодиверзитет, во кои ја набљудување разновидноста на видовите во еден екосистем за да го проучиме влијанието на биодиверзитетот на овие екосистеми. Честопати, концентрацијата на достапен фосфат, хемиската форма на фосфор која што е апсорбирана од растенијата, се толку ниски во почвата на системите што ги проучуваме, што едноставно нема никакви остатоци за да се измерат како што е случајот со азотот. Па, дали растителниот биодиверзитет воопшто има некакво влијание на циклусот на фосфорот?

Краткиот одговор е да, веројатно. Знаеме дека има повеќе фосфор во растителната биомаса на системите со поголем диверзитет и дека овој ефект – слично на азотот – е предизвикан од поголемата количина на биомаса која е резултат на поголемата апсорпција на фосфор од растенијата [2]. Прашањето е како систем со поголем диверзитет може да апсорбира повеќе фосфат иако ние не можеме да ги видиме резултатите при почвени анализи.

За да се пристапи до почвениот фосфат, и растенијата и микроорганизмите користат ензими (супстанци кои се посредници на одредени хемиски реакции) за да го разделат фосфатот од покомплексни хемиски молекули кои постојат во почвениот хумус, органскиот дел од почвата што нам ни е познат и како компост. Ние можеме да ја измериме брзината и функционирањето на фосфатазата, ензимот кој е одговорен за произведување на достапен фосфат на овој начин, што ни дозволува да процениме колку фосфат е ослободен од почвата за користење на растенијата или микроорганизмите. Во екосистемите каде што растителниот биодиверзитет е повисок, наоѓаме поголема активност на почвената фосфатаза (Слика 1) [3]. Ова покажува дека иако не можеме да ја видиме поголемата апсорпција на фосфорот од почвите со поголем растителен биодиверзитет на ист начин како што можеме за азотот, можеме да видиме дека има поефикасен пристап до фосфор во почвите преку повисока активност на фосфатазата. Ова е еден начин преку кој растителниот биодиверзитет може да влијае на циркулирањето на фосфорот низ екосистемите.

ЗНАЧЕЊЕТО НА БИОДИВЕРЗИТЕТОТ ЗА ФУНКЦИОНИРАЊЕТО НА ЕКОСИСТЕМИТЕ

Па, што значи сѐ ова? Општата претпоставка е дека со постојаните глобални промени, повеќе видови ќе бидат загубени од екосистемот и биодиверзитетот ќе продолжи да се намалува. Со намалувањето на биодиверзитетот, голема е веројатноста дека и циркулирањето на азотот и фосфорот ќе биде помалку ефикасно, што значи дека и екосистемите ќе бидат помалку способни да го задржат и да го рециклираат азотот и фосфорот од тоа што е сега. Ова е голема промена во екосистемот и може да биде еден од факторите кои ќе придонесе за намалување на продуктивноста на екосистемот. Намалувањето на биодиверзитетот исто така може да донесе и до губење на хранливи материи од системот, како на пример нитрати кои се однесени во подземните води. Вишокот нитрати може да бидат причина за загадување доколку влезат во водата за пиење и исто така може да имаат негативни ефекти на водните системи до кои се пренесени, како на пример зголемување на растот на алгите. А истовремено, овие хранливи материи тогаш не се повеќе достапни на растенија, микроорганизмите или животните од првичните екосистеми, што доведува до системи кои се веројатно посиромашни со хранливи материи и помалку способни за да одржат организмите кои живеат во нив.

ПОИМНИК

Биодиверзитет
едноставно кажано, бројот на видови во еден екосистем.

Биомаса
вкупната количина на маса која што е присутна во компонентите од екосистемот, како растенијата или животните. На пример, растителната биомаса, за која зборувавме во оваа научна статија, може да биде дефинирана како целата жива материја од корени, стебла, лисја, цвеќиња и плодови на растенијата. Во умерените климатски подрачја, биомасата не е постојана, и најчесто се зголемува од пролетта до доцното лето и се намалува на есен.

Ензими
мали молекули кои ја забрзуваат (био-) хемиската реакција во или надвор од клетките.

Продуктивност на екосистемот
количината на органски материи, како растителна биомаса, која што е произведена во екосистемот за одреден период. Добар пример за ова би било колку жито или сено може да се собере во текот на една година од одредено поле.

БИБЛИОГРАФИЈА

1. Oelmann Y, Buchmann N, Gleixner G, Habekost M, Roscher C, Rosenkranz S, Schulze E, Steinbeiss S, Temperton VM, Weigelt A, et al. Plant diversity effects on aboveground and belowground N pools in temperate grassland ecosystems: Development in the first 5 years after establishment. Global Biogeochem Cy (2011) 25:n/a-n/a. doi:10.1029/2010gb003869
2. Oelmann Y, Richter AK, Roscher C, Rosenkranz S, Temperton VM, Weisser WW, Wilcke W. Does plant diversity influence phosphorus cycling in experimental grasslands? Geoderma (2011) 167:178–187. doi:10.1016/j.geoderma.2011.09.012
3. Hacker N, Ebeling A, Gessler A, Gleixner G, Macé OG, Kroon H, Lange M, Mommer L, Eisenhauer N, Ravenek J, et al. Plant diversity shapes microbe‐rhizosphere effects on P mobilisation from organic matter in soil. Ecol Lett (2015) 18:1356–1365. doi:10.1111/ele.12530

EDITED BY: Malte Jochum, German Centre for Integrative Biodiversity Research Halle-Jena-Leipzig (iDiv)

CITATION: Koller-France E, Wilcke W and Oelmann Y (2021) Does Plant Biodiversity Influence Nutrient Cycles? Front. Young Minds 9:557532. doi: 10.3389/frym.2021.557532

CONFLICT OF INTEREST: The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.

COPYRIGHT © 2021 Koller-France, Wilcke and Oelmann. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

МЛАДИ РЕЦЕЗЕНТИ

МАКЕНЗИ, ВОЗРАСТ: 14
Моето име е Макензи, и јас сакам музика (да свирам и да слушам), книги (посебно фантазија) и спорт (тенис ми е омилен). Исто така сакам наука, математика и јазици, но најомилено ми е да одам на кампување со ранец.

РОЗ, ВОЗРАСТ: 14
Здраво. Јас имам 14 години и живеам во Канада. Јас сакам да плетам, да хеклам и да читам.

АВТОРИТЕ

EVAKOLLER-FRANCE
Ева е еколог на екосистемите, заинтересирана за ефектите на сите видови глобални промени врз циркулирањето на јаглеродот и хранливите материи во екосистемите. Таа ги поминала формативните години од своите докторски студии талкајќи низ Арктикот за да ги проучи ефектите на промените во животната средина врз циркулирањето на јаглеродот и хранливите материи во екосистемите, и сега таа е истражувач на пост-докторски студии за експериментот Џена (http://www.the-jena-experiment.de/), истражувајќи ги долгорочните ефекти на богатството од растителни видови врз циркулирањето на азот и фосфор. *ekoller@gmail.com

WOLFGANG WILCKE
Волфганг Вилке студираше геоекологија на Универзитетот во Бајреут и е сега професор по Геоморфологија и почвени науки во Карлсруне Технолошкиот Институт (KIT) откако истражуваше и предаваше на Техничкиот универзитет во Берлин, Јоханес Гутенберг Институтот во Маинз и Универзитетот во Берне. Неговите истражувачки интереси се фокусирани на ефектите на промените во животната средина, вклучувајќи ги климатските промени, промените во користењето на земјиштето, таложење на хранливи материи, загадување и загуба на биодиверзитетот, врз циркулирањето на елементите помеѓу почвата и растенијата. Тој користи техники како хемиски анализи на почвата, долгорочни набљудување на промените на елементите и стабилни изотопи.

YVONNE OELMANN
Ивон е научник за почвите и работи на циркулирањето на јаглеродот и хранливите материи во екосистемите. Таа ги работеше своите докторски студии на ефектите на растителниот диверзитет врз циркулирањето на хранливите материи во почвите на пасиштата (http://www.the-jena-experiment.de/). Како Пост Док, таа ги прошири своите перспективи на оваа проблематика со тоа што се фокусираше на шумските екосистеми, вклучувајќи го и влијанието на човекот. Од 2011 таа е назначена како професор и од тогаш работи на циркулирањето на јаглерод и хранливи материи во пасишта и шуми низ светот.

ПРЕВОД

ANASTAZIJA DIMITROVA
Ss. Cyril and Methodius University in Skopje, Hans Em Faculty of Forest Sciences, Landscape Architecture and Environmental Engineering, Skopje, North Macedonia

FUNDING (TRANSLATION)

The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).

CITATION (TRANSLATION)

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

Recommended citation format: Koller-France E, Wilcke W and Oelmann Y (2025) Does plant biodiversity influence nutrient cycles? (Macedonian translation: Anastazija Dimitrova). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2021, doi: 10.3389/frym.2021.557532