Разложение в торфяниках: Кто является игроками и что на них влияет
Все почвы хранят углерод. Когда растения растут, они забирают углерод из атмосферы, и этот углерод попадает в почву, когда они умирают. Отмерший растительный материал медленно разлагается, а организмы, такие как бактерии, грибы и крошечные животные, называемые клещами и пружинохвостами, используют этот углерод в качестве источника пищи. В торфяниках разложение происходит очень медленно, и в результате большая часть углерода из отмерших растений остается в почве, что может способствовать замедлению потепления климата. Процесс разложения в торфяниках зависит от влажности почвы, а также от различных видов растений и почвенных организмов. Мы обнаружили, что в торфяниках на севере Канады мертвый растительный материал разных типов разлагался с разной скоростью, а в более влажных местах было обнаружено больше клещей и пружинохвостов, помогающих разложению. Поскольку торфяники важны для хранения углерода, понимание того, кто участвует в процессе разложения, важно для понимания того, как замедлить потепление климата.
Введение
Разложение - это естественный процесс разрушения мертвых растений и животных. В процессе разложения химический состав мертвых растений и животных изменяется, и углерод попадает в атмосферу. Разложение происходит в результате деятельности различных видов организмов, таких как грибы (Рисунок 1D), бактерии (Рисунок 1E), черви (Рисунок 1F), орибатидные клещи (Рисунок 1B) и пружинохвосты (Рисунок 1C). Например, бактерии и грибы непосредственно расщепляют мертвый растительный материал и считаются первичными разлагателями. Грибки и бактерии (первичные разлагатели) поедаются орибатидными клещами и спрингтейлами (вторичные разлагатели). В свою очередь, хищные клещи (рис. 1A) поедают вторичных разлагателей. Таким образом, орибатидные клещи и пружинохвосты косвенно влияют на скорость разложения.
Торфяники - важные экосистемы, которые накапливают частично разложившуюся растительность (Рисунок 1G) и таким образом аккумулируют углерод, содержащийся в разлагающемся растительном материале [ 1 ] (Рисунок 2A). Основным видом растений в них являются мхи (Рисунок 2E). Мхи - это маленькие, медленно растущие растения, которым для выживания требуется много воды, поскольку у них нет настоящих корней. Кроме того, они очень медленно разлагаются в торфяниках после своей смерти. Торфяники очень влажные, и их разложение происходит медленно по сравнению с другими экосистемами, такими как леса или луга, которые более сухие. В результате накапливается больше мертвых растений, а значит, из торфяников в атмосферу выбрасывается меньше углерода, чем из многих других типов экосистем. Другими словами, больше углерода поступает в торфяные почвы и удерживается в них, чем выбрасывается обратно в атмосферу в виде углекислого газа. Углекислый газ - это парниковый газ, который удерживает тепло в атмосфере Земли, поэтому торфяники могут помочь замедлить или обратить вспять потепление климата. Торфяники могут помочь обратить вспять изменение климата, накапливая больше углерода в своей почве.
На разложение в торфяниках могут влиять разные факторы: например, влажность почвы, наличие различных видов мертвого растительного материала, а также почвенное сообщество - виды различных организмов, обитающих в почве. Чтобы узнать, что влияет на разложение торфяников, мы отправились в Бореальный лес на севере Онтарио, Канада, чтобы изучить клещей и пружинохвостов, живущих в прекрасном торфянике. Мы изучали сообщества клещей и пружинохвостов, обитающих в разных районах торфяника, по двум причинам: во-первых, потому что до сих пор не известно, какие виды клещей и пружинохвостов встречаются в торфяниках, а во-вторых, потому что мы хотели узнать, насколько они помогают разлагать листья.
Что мы делали?
Группа исследователей из Западного университета (Лондон, Онтарио, Канада) работает на торфяном болоте на севере Онтарио (Канада) в сотрудничестве с учеными из Института лесных исследований провинции Онтарио. Мы пытаемся ответить на различные вопросы о торфяниках, изучая растения, клещей, насекомых, ртуть, углерод и воду на этом участке. Этот торфяник в основном покрыт мхами Sphagnum, которые образуют возвышенные участки, называемые торосами (рис. 2B), и впадины, называемые ложбинами (рис. 2C). Торосы - это скопление мхов и других растений, и они сухие на поверхности. С другой стороны, впадины, как углубления на земле, обычно очень влажные на поверхности. В рамках данного исследования мы хотели выяснить, различаются ли сообщества клещей и пружинных хвостов (вторичных разлагателей), а также скорость разложения (скорость разложения мертвых растений) между торосами и впадинами на нашем торфяном участке.
Что мы делали в торфянике?
Один из способов изучения процесса разложения - использование мусорных мешков [ 2 ]. Мешки для мусора - это небольшие мешочки из сетчатого материала, которые можно заполнить отмершими растениями; отверстия в сетке позволяют крошечным организмам проникать и выходить. Мы наполнили мешки (рис. 2D) листьями трех разных растений: мха (рис. 2E), кустарника (рис. 2F) (это небольшие кусты) или листьями осоки (рис. 2G) (это травоподобные растения), и взвесили их, чтобы узнать исходное количество сухих листьев в каждом мешке.
В июне 2015 г. мы поместили по одному мешку с листвой каждого типа растений (три мешка) на пяти различных торосах (сухих приподнятых участках) и в пяти различных ложбинах (влажных углублениях). Мешки с листвой прикрепили к поверхности почвы и оставили на целый год, чтобы организмы успели заселить мешки и помочь разложению листьев. Через год мы вернулись на торфяник, собрали мешки с листвой и привезли их в лабораторию Западного университета в южной части провинции Онтарио (Канада).
Что мы делали в лаборатории?
В лаборатории мы поместили каждый мешочек на специальное оборудование, называемое воронкой Туллгрена (рис. 2H), внутри которой находится лампочка, и когда она включена, то нагревает весь мешочек, заставляя организмы выходить из мешочков в маленькую пробирку, где мы можем их наблюдать. После этого мы вскрыли мешочки и высушили листья в духовке, а затем взвесили их на весах. Мы наблюдали за организмами, собранными из мусорных мешков, с помощью микроскопа и разделили их на разные виды, исходя из того, как они выглядели. Мы также подсчитали, сколько представителей каждого вида мы нашли в каждом мусорном мешке. Эта часть работы заняла у двух исследователей около 5 дней, они работали целыми днями. Наконец, мы сравнили вес листьев растений, оставленных на нашем торфянике в течение 1 года, с первоначальным весом листьев до того, как они попали на торфяник. Разница в весе показала нам, сколько листьев разложилось за 1 год, то есть сколько съели животные.
Что мы обнаружили?
Листья разных растений разлагались с разной скоростью. Листья осоки, напоминающие травы (сокращение на 42,5 %), разлагались быстрее, чем листья кустарников (сокращение на 30,5 %), которые, в свою очередь, разлагались быстрее, чем мох (сокращение на 20,3 %) в мешках с подстилкой (рис. 3A). При этом не имело значения, находились ли мешки с подстилкой на поверхности тороса или в ложбине, поскольку в обоих случаях наблюдалось одинаковое количество разложений. Это объясняется тем, что, хотя ложбины более влажные, чем торосы, ни те, ни другие не были полностью насыщены влагой, так что разложение в наших местах значительно замедлилось бы по сравнению с другими затопленными частями торфяника.
В одном мусорном мешке содержалось от 0 до 203 особей клещей и от 0 до 123 особей пружинохвостов. В мешках, помещенных в дупла (влажные углубления), мы обнаружили больше клещей и спрингтейлов, чем на торосах (сухие приподнятые участки) (рис. 3B). Однако у этих крошечных животных не было предпочтений в отношении типа листьев, то есть они встречались в одинаковом количестве в мешках с осокой, кустарниками или мхами. Определенные клещи, называемые орибатидами (рис. 1B), были доминирующей группой в мешках (53,6% от общего числа особей), за ними следовали пружинохвосты, составлявшие 40%. Также были собраны другие немногочисленные группы клещей, несколько пауков и несколько личинок насекомых, но в целом они составляли лишь 6,4 % животных в мешках. В дуплах (влажных углублениях) было собрано не только больше особей, но и больше видов. В общей сложности мы обнаружили 20 видов из 506 особей орибатидных клещей и семь видов из 378 особей пружинохвостов (рис. 1С). Сообщества орибатидных клещей были более похожи друг на друга в котловинах и содержали наибольшее количество видов. Виды орибатидных клещей, обнаруженные в торосах, были случайными.
Почему это важно?
Исследования клещей и пружинохвостов на торфяниках проводились редко, поэтому в первую очередь мы хотели получить информацию о том, какие виды орибатидных клещей обитают на нашем торфянике. Кроме того, понимание того, как различаются сообщества крошечных животных, дает нам представление о том, насколько быстро или медленно происходит естественное разложение листьев в торфяниках.
Хотя в большинстве случаев орибатидные клещи и спрингтейлы считаются вторичными разлагателями [ 3 ], поскольку питаются грибами и бактериями, понимание того, кто они такие, где живут и какой вклад вносят в процессы разложения, важно для прогнозирования количества углерода, высвобождаемого в атмосферу из почв. Торфяные почвы - особый случай, поскольку торфяники занимают лишь небольшую часть земного шара, но благодаря их медленному разложению торфяники могут накапливать очень большое количество углерода [1].
Ожидается, что повышение глобальной температуры в результате изменения климата приведет к изменению типов растений, которые мы наблюдаем на торфяниках. В частности, более теплые температуры позволят осокам занять места, где раньше произрастали мхи [ 4 ]. В нашем исследовании мы обнаружили, что осоки разлагаются быстрее, чем мхи, а это означает, что изменение типа растений в торфяниках с мхов на осоки может увеличить количество углерода, высвобождающегося при разложении.
Хотя мы не собирали бактерии и грибы в этом конкретном исследовании, другие исследования нашей исследовательской группы на том же торфянике показали, что сообщества грибов [ 5] и бактерий [ 6] также различаются между торосами и впадинами. Клещи и пружинохвосты изучены недостаточно, поэтому мы решили сосредоточиться на них. Результаты по грибам и бактериям также свидетельствуют о том, что изменение климата может изменить способность торфяников накапливать углерод. Другими словами, повышение температуры может ускорить общее разложение листьев, высвобождая больше углекислого газа в атмосферу и делая изменение климата еще более заметным. Тем не менее, мы должны заниматься сохранением торфяников, поскольку это важные экосистемы для нашей жизни в будущем, когда в атмосфере, вероятно, будет содержаться больше углекислого газа. Время для природоохранных действий пришло!
Авторский вклад
CB и ZL написали рукопись, CB создал рисунки.
