Wielka rola małych organizmów, czyli dzięki komu gleba jest magazynem węgla

Podczas spaceru po lesie nasz wzrok chętnie spoczywa na zielonych liściach drzew, rudej kicie wiewiórki czy czerwonym kapeluszu muchomora. Rzadko jednak rozmyślamy nad tym, co kryje się pod dywanem z puszystego mchu lub warstwą jesiennych liści. Tymczasem gleby, czy to w lesie, czy w parku, na łące lub polu, są podstawą funkcjonowania ekosystemów lądowych. To w nich znajdują się martwe tkanki organizmów, które są poddawane recyklingowi i w postaci składników odżywczych trafiają do roślin. Proces ten pełni ważną funkcję w rolnictwie, gdyż jego sprawny przebieg zapewnia uzyskanie wysokich plonów przy jednoczesnym ograniczeniu ilości stosowanych nawozów sztucznych. Gleby odgrywają również znaczącą rolę w cyklu wody, ponieważ zaopatrują nas w wodę pitną. Wreszcie magazynują materię organiczną, co wpływa na regulację klimatu. Według najnowszych szacunków gromadzą więcej węgla niż rośliny i atmosfera razem wzięte! Niestety działalność człowieka powoduje uwalnianie zmagazynowanej w nich materii organicznej, która powraca do atmosfery w postaci dwutlenku węgla (CO₂). I tak np. w trakcie przekształcania lasu w pola uprawne do powietrza trafia ok. 25% węgla uwięzionego w powierzchniowych 30 cm gleby. Straty te dokładają swoją cegiełkę do krążącego obecnie w atmosferze antropogenicznego CO₂.

Brama do podziemnego świata

Termin „gleba” oznacza wierzchnią warstwę skorupy ziemskiej, która wchodzi w nieustanne interakcje z hydrosferą, atmosferą i żywymi organizmami. W zależności od rodzaju skały źródłowej, klimatu, topografii oraz wieku gleby jej grubość waha się od kilku metrów (dno doliny) do zaledwie kilku lub kilkunastu centymetrów (góry, stoki). Gleba jest ośrodkiem bardzo złożonym, zbudowanym przede wszystkim z matrycy mineralnej (powstałej w wyniku degradacji skały macierzystej, np. gliny), wody, gazów oraz materii organicznej, wytwarzanej przez żywe organizmy, której głównym składnikiem jest węgiel. Wejście do tego świata tworzone jest przez zawarty w komórkach roślinnych chlorofil, który przekształca pochłonięty z powietrza CO₂ w materię organiczną. Kiedy rośliny lub ich części obumierają (liście, korzenie, kwiaty, łodygi, pnie…), materia ta trafia do gleby, gdzie stanowi podstawowe źródło pokarmu dla żyjących w niej organizmów. Wykorzystując obumarłą materię organiczną, stworzenia te ją mineralizują. Węgiel, metabolizowany poprzez oddychanie, jest przekształcany w CO₂, który wraca do atmosfery, podczas gdy inne pierwiastki, jak azot czy fosfor (w postaci fosforanów i azotanów), są zużywane jako cenne składniki odżywcze przez rośliny. Cykl ten stanowi podstawę funkcjonowania ekosystemów lądowych.

Część materii organicznej nie zostaje jednak zmineralizowana (przynajmniej na początku), wyłączając z obiegu atmosferycznego na dziesiątki, a nawet setki lat pochłonięty przez chlorofil CO₂. Ta niezmineralizowana frakcja jest stopniowo integrowana z glebą różnymi sposobami. Z jednej strony rozpuszczone w wodzie deszczowej związki organiczne przesiąkają wraz z nią w głąb gleby. Z drugiej – małe fragmenty materii organicznej są stopniowo zasypywane, w szczególności dzięki działalności dżdżownic. Dzięki temu głębiej żyjące mikroorganizmy rozwijają się kosztem tak powstałego „koktajlu odżywczego”, a kiedy obumierają, same stają się materią organiczną, która ulega dalszym przekształceniom.

Zasoby materii organicznej w glebie mają zatem głównie pochodzenie roślinne. Jednak między florą a materią organiczną ustabilizowaną w glebie zachodzą różnorodne procesy, które na razie słabo jeszcze poznaliśmy. Zrozumienie funkcjonowania ziemi jest procesem żmudnym i wymagającym ciągłego przemieszczania się między różnymi skalami przestrzennymi (od warstwy gliny do całego krajobrazu), przez wszystkie sieci troficzne (od bakterii do dżdżownic) oraz przy uwzględnieniu tego, że na proces magazynowania węgla w niej wpływają różnorodne mechanizmy działające w szerokiej perspektywie czasowej: od kilku dni do setek lat.

Życie po życiu liści

Opadające jesienią liście, po których na wiosnę nie ma już śladu, to namacalny dowód zdolności gleby do przekształcania materii organicznej. Proces ten intensywnie badano w XX w. Wykazano, że powstającą z obumarłych liści materię organiczną można podzielić na dwa rodzaje. Materia labilna – wymywana przez wodę i konsumowana przez różne populacje bakterii i grzybów – szybko znika z gleby. Z kolei materia stabilna jest trwalsza i mniej chętnie konsumowana przez mikroorganizmy, a zatem rozkłada się znacznie wolniej. Zaliczamy do niej w szczególności ligninę, czyli naturalny polimer spajający tkanki roślin, oraz taniny (garbniki naturalne), stanowiące chemiczną obronę przed mikroorganizmami chorobotwórczymi i roślinożercami. Wyniki te doprowadziły do wniosku, że to właśnie materia stabilna stanowi główny magazyn węgla w glebie. Ale prace prowadzone w ciągu ostatniej dekady i intensywniejszy dialog między ekologami a specjalistami z zakresu gleboznawstwa zmodyfikowały tę wizję. Okazało się, że zaskakująco duża część węgla pochodzącego z labilnej materii organicznej również może gromadzić się w glebie.

Próbując wyjaśnić ten fenomen, amerykańska badaczka Francesca Cotrufo przeprowadziła serię eksperymentów z liśćmi różnych gatunków drzew. Od pierwszych chwil ich rozkładu niektóre mikroorganizmy – głównie grzyby i bakterie – intensywnie namnażają się zarówno w ściółce, jak i w glebie pod nią. Z czasem te dwa ośrodki wzbogacają się znacznie w substancje odżywcze. Mikroorganizmy oraz wytworzone przez nie substancje odżywcze przenoszone są ze ściółki w głąb gleby przez wodę deszczową. Jednak cała ta materia organiczna nie jest dostępna dla innych organizmów żyjących głębiej w glebie. Okazuje się, że wypłukane ze ściółki bakterie i grzyby łączą się silnie z cząstkami mineralnymi obecnymi w glebie – w szczególności z gliną – i pozostają w takim stanie nawet wtedy, gdy obumrą. Co więcej, wytworzone przez te mikroorganizmy substancje odżywcze również tworzą połączenia ze wspomnianymi cząstkami mineralnymi i są przez to silnie stabilizowane w podłożu. Zatem chociaż zaliczana do labilnej, materia ta jest magazynowana w glebie i przez to wykluczona z cyklu węgla nawet na setki lat!

Jednocześnie w grę wchodzi jeszcze jeden mechanizm: z biegiem czasu małe fragmenty ściółki liściowej stopniowo penetrują glebę i przekształcają się, zwłaszcza dzięki żyjącym tam zwierzętom, w agregaty. Te skupiska materii stają się odporne na działanie różnego rodzaju mikroorganizmów, co umożliwia ich przetrwanie w stanie nienaruszonym nawet przez kilka dekad. Zarówno absorpcja materii organicznej na minerałach, jak i proces tworzenia się skupisk materii organicznej w glebie w znaczącym stopniu zatem zmniejszają ilość krążącego w atmosferze dwutlenku węgla.

Sięgając do korzeni

Nie tylko liście, ale również korzenie roślin bierze się pod uwagę w badaniach zdolności magazynowania węgla przez glebę. Dotyczy to w szczególności korzeni chłonnych, czyli bardzo cienkich włókien, przez które rośliny pobierają wodę i składniki mineralne. Korzenie te odnawiają się bardzo szybko. Gdy tylko zasoby w danej objętości gleby zostaną wyczerpane, znajdujące się tam korzenie obumierają, a zupełnie nowe powstają nieco dalej. Z powodu tak wysokiego wskaźnika odnowienia stanowią one istotny składnik ściółki. I tak np. 33% wyprodukowanej w ciągu roku ściółki w lasach pochodzi właśnie z obumierania korzeni o średnicy mniejszej niż 2 mm. Co więcej, badania chińskiego naukowca Tao Suna wykazały, że obumarłe korzenie chłonne rozkładają się znacznie wolniej niż martwe liście z tego samego gatunku drzewa. W ten sposób po 6 latach rozkładu mineralizacji ulega 77% masy ściółki liściowej w porównaniu do zaledwie 35% masy korzeni chłonnych! Tę odporność na rozkład można w dużej mierze wytłumaczyć wyjątkowo wysokimi poziomami taniny w korzeniach chłonnych roślin, a ta, jak wiemy, jest słabo metabolizowana przez organizmy żyjące w glebie.

Jeżeli chodzi o korzenie, to należy wziąć pod uwagę jeszcze jeden mechanizm. Otóż poprzez korzenie roślina wydziela bezpośrednio do gleby znaczne ilości organicznych substancji chemicznych, które są łatwo przyswajane przez mikroorganizmy obecne w ryzosferze (część gleby znajdującej się w bezpośrednim sąsiedztwie korzeni). W ten sposób wzrasta aktywność metaboliczna w sąsiedztwie korzeni, a w konsekwencji recykling pierwiastków mineralnych (azot, fosfor), które następnie stają się źródłem składników odżywczych dla rośliny. Jednak te roślinne wydzieliny i mikroorganizmy, które namnażają się ich kosztem, również ulegają absorpcji na cząstkach mineralnych, zwiększając w ten sposób ilość materii organicznej związanej z minerałami glebowymi. Noah Sokol i Mark Bradford z Yale University w Stanach Zjednoczonych twierdzą nawet, że wydzieliny z korzeni przyczyniają się znacznie bardziej do ustabilizowania węgla w glebie niż korzenie, łodygi i martwe liście tej samej rośliny. Tak więc nie tyle obumarłe liście, ile korzenie, a zwłaszcza ich wydzieliny odpowiadają za te zasoby.

Podziemna symbioza

Rola korzeni w magazynowaniu węgla w glebie na tym się nie kończy. Szczególnie ważne są tzw. korzenie mikoryzowe, czyli korzenie roślin żyjące w symbiozie z korzeniami grzybów. Podczas gdy roślina zaopatruje grzyb w cukry, ten swoimi długimi i cienkimi korzeniami eksploruje glebę w poszukiwaniu dla niej wody i składników mineralnych. Podobnie jak korzenie chłonne, mikoryzowe także cechuje wysoki wskaźnik odnowy, a ich tkanki rozkładają się w glebie bardzo powoli. Ale to nie wszystko! Zespół badaczy z Finlandii wykazał w 2019 r., że taniny produkowane przez korzenie sosny zwyczajnej chętnie reagowały z niektórymi związkami wydzielanymi przez grzyby, a w szczególności z chityną, tworząc bardzo stabilne w czasie kompleksy. Kompleksy te powstawały w miejscach splotu korzeni grzyba i drzewa, głównie w momencie obumarcia tych organów. Ot, kolejna strategia natury na związanie węgla w glebie.

Poza tym sama działalność związana z poszukiwaniem i pobieraniem związków odżywczych przez grzyby mikoryzowe przyczynia się do stabilizacji materii organicznej w glebie, ale pośrednio. Niektóre grzyby mikoryzowe selektywnie pobierają niezbędne roślinom pierwiastki, np. azot, z materii organicznej gleby. Dotyczy to w szczególności grzybów mikoryzowych związanych z korzeniami drzew iglastych, borówki czarnej oraz gatunków rosnących na wrzosowiskach. Z drugiej strony grzyby te, zaopatrywane przez rośliny w cukry, nie pobierają z gleby dużych ilości związków bogatych w węgiel. Wykorzystując azot, ale mało węgla, znacznie zubożają materię organiczną, czyniąc ją nieużyteczną dla mikroorganizmów niesymbiotycznych, które mogą polegać wyłącznie na zasobach gleby, aby zaspokoić swoje zapotrzebowanie na składniki odżywcze. Innymi słowy, mikroorganizmy te z powodu niedoboru azotu w pokarmie nie rozwijają się i nie mineralizują materii organicznej, która następnie gromadzi się w glebie.

Fauna glebowa

Wreszcie zwierzęta glebowe również odgrywają istotną rolę w podziemnym cyklu węgla. Nie jest to nowe odkrycie: sam Karol Darwin przez całe życie dokładnie badał wpływ dżdżownic na funkcjonowanie gleby. Mimo to stoimy u początku rozumienia dokładnej roli zwierząt żyjących w ziemi w procesie magazynowania węgla. Z powodu braku dokładnych danych sugerowano, że różne gatunki zwierząt pełnią podobne funkcje. Ale i w tej dziedzinie wnikliwe badania zaczynają przynosić owoce. Lepiej pojmujemy np. znaczenie zwierząt żywiących się detrytusem w glebie, takich jak stonogi, wije i ślimaki. Aby zaspokoić swoje potrzeby, organizmy te zjadają duże ilości rozkładających się liści, które nie są zbyt pożywne, a dodatkowo przyswajają tylko ich niewielką część, a resztę odrzucają w formie odchodów. Zasadniczo odchody te to rozdrobniona oraz chemicznie i mikrobiologicznie zmodyfikowana ściółka. Francuscy badacze Sylvain Coq oraz Francois-Xavier Joly, karmiąc różne gatunki bezkręgowców liśćmi wybranych gatunków drzew, przeprowadzili w 2020 r. szczegółowe badania resztek przemiany materii tych zwierząt. Okazało się, że wielkość wytworzonych fragmentów oraz właściwości chemiczne przetworzonej ściółki były różne u poszczególnych gatunków. W jakim stopniu te różnice wpływają na długoterminowe procesy stabilizacji węgla w glebie? Analizy są nadal wstępne, ale francuscy naukowcy sądzą, że na pewno istnieje jakiś związek.

Zachować bioróżnorodność

Jedno jest pewne: tworzenie się materii organicznej w glebie jest wynikiem nieustannej aktywności organizmów w niej żyjących (mikroorganizmów, grzybów mikoryzowych, zwierząt detrytusożernych). Rola tych różnych grup staje się coraz jaśniejsza, ale naukowcy wciąż walczą o połączenie tych cegiełek wiedzy w bardziej ogólny obraz, by następnie wykorzystać zdobyte informacje w różnych dziedzinach, np. rolnictwie. Już teraz obowiązują pewne ogólne zalecenia sprzyjające prawidłowemu funkcjonowania gleb rolniczych. Nadal jednak nie pojawiły się wskazówki szczegółowe, dostosowane do rodzaju gleby i danych warunków klimatycznych. Nowo zdobyta wiedza może również pomóc nam zatrzymać ucieczkę węgla z ziemi do atmosfery. Większość dotychczasowych wysiłków koncentrowała się na magazynowaniu węgla w biomasie roślinnej, w szczególności poprzez masowe sadzenie drzew. Działania te będą skuteczne tylko wtedy, gdy weźmiemy pod uwagę ich konsekwencje dla organizmów glebowych oraz ich wpływ na powstawanie materii organicznej. Na przykład Nina Friggens z University of Stirling w Wielkiej Brytanii przez prawie cztery dekady badała wpływ sadzenia sosen i brzóz na wrzosowiskach na zasoby węgla w glebie. Niedawno opublikowana jej praca ujawnia, że chociaż proces zalesiania wrzosowisk rzeczywiście doprowadził do wzrostu zasobów węgla w biomasie roślinnej, to spowodował również drastyczną redukcję zasobów węgla w glebie, co spowodowane było zmianą społeczności mikoryzowej. Ten konkretny przykład podkreśla zasadniczy wpływ zachowania różnorodności biologicznej na proces magazynowania węgla w glebie. Promowanie różnorodności biologicznej i poprawa wiązania węgla w podłożu idą zatem w parze, ale każdy z tych celów jest ważny sam w sobie i musi być szczegółowo rozpatrzony przez decydentów, zanim wydadzą swoje zalecenia.