Nedbrytning i frusen mark kan påverka klimatet
Mikroorganismernas förmåga att bryta ned markens kolförråd under vintern är avsevärt större än man tidigare trott. Det betyder att koldioxid avges i atmosfären även när marken är frusen.
De modeller som används för att beräkna hur ett varmare klimat förändrar omsättningen av markens kolförråd utgår från att processerna i princip avstannar när marken är frusen. En studie ledd av forskare vid SLU visar att det är fel. Mikroorganismernas förmåga att bryta ned markens kolförråd under vintern är avsevärt större än man tidigare trott. Och det har stor betydelse om det är –3 °C i stället för –4 °C i marken.
Avger koldioxid
När markens organiska material bryts ned av mikroorganismer bildas koldioxid, som avges till atmosfären. Detta är en av de större naturliga processer som reglerar halten av koldioxid i atmosfären, och i förlängningen de pågående klimatförändringarna. Även ganska små förändringar i omsättningen av markens kolförråd kan få märkbara konsekvenser.
På stora delar av det norra halvklotet är marken frusen under vinterhalvåret. Tidigare har man antagit att nedbrytningen i princip avstannar då marken är frusen och marktemperaturen under noll. Men nu visar det sig alltså att mikroorganismerna har betydligt större förmåga att bryta ned markens kolförråd under frusna förhållanden än man tidigare har trott.
– Våra resultat kastar nytt ljus på vad som egentligen händer med kolförrådet i frusen mark, säger Javier Segura, som är doktorand vid SLU:s institution för skogens ekologi och skötsel, och artikelns försteförfattare.
Aktiva i porer med ofruset vatten
– Vi har tidigare visat att markens mikroorganismer kan bryta ned enkla kolföreningar som finns lösta i markvattnet och använda dessa för tillväxt trots att marken är frusen, säger Mats Öquist vid SLU, som har varit en av de drivande forskarna bakom studien. Markens organiska material består dock nästan uteslutande av stora, sammanlänkade, molekyler (t.ex. cellulosa), som ofta är svårlösliga i markvatten och därför inte direkt tillgängliga för mikroorganismer. För att nedbrytning i frusen mark ska påverka markens kolbalans krävs det alltså att även dessa föreningar bryts ned, viket man tidigare inte har trott varit möjligt.
För att mikroorganismerna ska kunna omsätta cellulosa måste denna först brytas ned i mindre bitar. Mikroorganismerna åstadkommer detta genom att utsöndra enzymer i markvattnet. Enzymerna klipper isär molekylerna i mindre delar som kan tas upp och sedan brytas ned till koldioxid. Det den nya studien har bevisat är att även denna enzymatiska aktivitet pågår i frusen mark, vilket möjliggör nedbrytning av stora, komplexa, kolföreningar.
När temperaturen sjunker minskar nedbrytningshastigheten, men den stannar inte av helt trots att marken är frusen. En förutsättning för detta är att det finns ofruset vatten även i tjälad mark. Det ofrusna vattnet finns i små porer och i tunna vattenfilmer som omger jordpartiklarna, och det är där mikroorganismerna kan vara aktiva och bidra till nedbrytning av markens organiska material, även om temperaturen är under noll grader.
En grad gör skillnad
Forskargrupperna vid SLU och Umeå Universitet har tidigare visat att mikroorganismerna i den frusna marken även reagerar mycket starkt på små förändringar i temperatur. En ökning i temperatur i en frusen mark med så lite som en grad, från till exempel –4 °C till –3 °C, kan leda till att nedbrytningshastigheten ökar med över 100 procent. Det kan jämföras med att en motsvarande temperaturökning i ofrusen mark leder till att aktiviteten ökar med 10–15 procent.
– Mikrobiologiska processer i tjälad mark har alltså en mer långtgående inverkan på kolets globala kretslopp än vi har trott, säger Mats Öquist. Och våra resultat bör även vara giltiga för mer permanent frusna jordar i polarområden, som ofta betraktas som ”tickande kolbomber” i skenet av en global uppvärmning.
Forskarna skriver att det behövs ytterligare studier för att mer exakt kvantifiera vilken inverkan de nya rönen har på regional och global skala, och konsekvenserna för till exempel klimatförändringar. De slår dock fast att det inte längre går att bortse från vinterns betydelse för kolets kretslopp och för atmosfärens koldioxidhalt.
Studien är ett resultat av ett långsiktigt samarbete mellan biogeokemister vid Sveriges lantbruksuniversitet och kemister vid Umeå universitet och den nationella infrastrukturen NMR for Life.
Kontakt: Javier Segura, doktorand, Institutionen för skogens ekologi och skötsel
Sveriges lantbruksuniversitet, tel: 090-786 8168, 076-839 9979,epost: javier.segura@slu.se
Mats Öquist, forskare, Institutionen för skogens ekologi och skötsel, Sveriges lantbruksuniversitet, tel 090-786 8525, 070-554 0361, epost: mats.oquist@slu.se
Studien har gjorts med bidrag från Carl Tryggers stiftelse, FORMAS, Kempestiftelserna och VR.
Artikel: Javier H. Segura, Mats B. Nilsson, Mahsa Haei, Tobias Sparrman, Jyri-Pekka Mikkola, John Gräsvik, Jürgen Schleucher & Mats G. Öquist. Microbial mineralization of cellulose in frozen soils. Nature Communications, 8: (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-01230-y www.nature.com/naturecommunications
