In-soil CH4 partial pressure and diffusive emissions in flooded soils: effects of labile carbon and microbial inoculation
تقدم هذه الدراسة نظام ملف سيليكون خالي من النباتات لإثبات أن إمداد الكربون غير المستقر، وليس وفرة الميثانوغين، هو ما يتحكم في الضغط الجزئي للميثان في التربة والانبعاثات الانتشارية في التربة المغمورة بالمياه، شريطة أن تتم القياسات قبل أن يؤدي تكوين الفقاعات إلى فصل هذه المتغيرات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في الحقول المغمورة بالمياه حيث ينمو الأرز، تتكشف دراما كيميائية صامتة تحت السطح. فعندما تُغمر التربة، ينقطع الأكسجين، مما يخلق بيئة تزدهر فيها ميكروبات معينة. هذه الميكروبات، المعروفة باسم "منتجات الميثان" (methanogens)، تتغذى على المواد النباتية المتحللة والمواد العضوية الأخرى، وتطلق غاز الميثان كمنتج ثانوي. هذا الغاز هو غاز دفيئة قوي، يساهم بشكل كبير في الاحتباس الحراري. لعقود من الزمن، أدرك العلماء أن كمية الميثان المنبعثة تعتمد على ثلاثة أشياء رئيسية: مقدار الطعام المتاح لهذه الميكروبات، وعدد هذه الميكروبات الموجودة، وكمية الأكسجين القريبة منها لتعطيل عملها. وتلعب نباتات الأرز دوراً معقداً في هذه العملية؛ إذ تطلق جذورها الأكسجين في التربة، مما يمكن أن يثبط إنتاج الميثان، لكنها توفر أيضاً طريقاً سريعاً لهروب الغاز إلى الهواء. ولتطوير أصناف من الأرز تنبعث منها كميات أقل من الميثان، يحتاج الباحثون إلى فهم كيفية تفاعل هذه العوامل بدقة، ولكن دراستها في حقل حقيقي أمر صعب لأن التربة لا تكون متجانسة أبداً، والنباتات نفسها تزيد من تعقيد القياسات.
لفك تشابك هذه المتغيرات، صمم فريق من الباحثين تجربة محكومة أزالوا فيها النباتات تماماً. فقد أعدوا سلسلة من الأصص المملوءة بمزيج من الرمل وتربة طينية، وغمروها بالماء لمحاكاة حقل أرز. وبدلاً من زراعة الأرز، أدخلوا أنابيب سيليكون مرنة في عمق التربة. عملت هذه الأنابيب كمستشعرات اصطناعية وأنظمة لتوصيل الغاز. ولأن السيليكون نفاذ للغازات، فإن الهواء المحبوس داخل الأنبوب يتوازن طبيعياً مع الغازات الذائبة في الماء المحيط، مما سمح للعلماء بقياس ضغط الميثان المتراكم في التربة دون إزعاج البيئة. كما استخدموا هذه الأنابيب نفسها لضخ الهواء أو الأكسجين النقي في التربة، لمحاكاة إطلاق الأكسجين الذي توفره جذور الأرز عادةً. أنشأ الفريق ثلاث حالات مختلفة للتربة لاختبار أفكارهم: تربة ضابطة أساسية، وتربة ممزوجة بنشا البطاطس لتوفير طعام سهل الهضم للميكروبات، وتربة ممزوجة بالنشا بالإضافة إلى مغرفة من رواسب بحيرة معروفة بغناها بالميكروبات المنتجة للميثان.
أراد الباحثون معرفة ما إذا كان إضافة المزيد من الميكروبات أو المزيد من الطعام سيغير كمية الميثان المنتجة والمنبعثة. توقعوا أن التربة التي تحتوي على رواسب البحيرة ستنتج أكبر قدر من الميثان لأنها بدأت بعدد أكبر من الميكروبات المناسبة. ومع ذلك، أخبرتهم النتائج قصة مختلفة. فبينما احتوت التربة ذات رواسب البحيرة بالفعل على المزيد من الميكروبات المنتجة للميثان، إلا أن كمية غاز الميثان التي تراكمت في التربة كانت محددة بالكامل تقريباً بتوفر الإمدادات الغذائية. فالأصص التي أضيف إليها النشا أنتجت مستويات عالية من الميثان، بغض النظر عما إذا كانت تحتوي في البداية على ميكروبات إضافية أم لا. أما الأصص التي لم يُضف إليها النشا فقد أنتجت كميات قليلة جداً، رغم احتوائها على بعض الميكروبات الطبيعية. تشير هذه النتيجة إلى أنه في هذه التربة المغمورة، يعد توفر المادة العضوية الطازجة وسهلة الهضم هو المحرك الأساسي لإنتاج الميثان، وليس العدد الأولي للميكروبات الموجودة. وقد استنتج العلماء أنه بمجرد وجود مستوى أساسي من الميكروبات، فإن إضافة المزيد منها لا يزيد من إنتاج الميثان إذا لم يتوفر طعام إضافي لاستدامتها.
كشفت الدراسة أيضاً عن حد حرج لكيفية انتقال الميثان من التربة إلى الهواء. لفترة طويلة، افترض العلماء أن قياس ضغط الميثان في التربة سيخبرهم مباشرة عن كمية الغاز التي تتسرب إلى الغلاف الجوي. ووجد الباحثون أن هذا صحيح فقط عندما يكون ضغط الميثان منخفضاً نسبياً، وتحديداً تحت حوالي 16 كيلوباسكال. في هذا النطاق، يتحرك الغاز الذائب في الماء بثبات نحو السطح. ولكن بمجرد أن يرتفع الضغط فوق هذا الحد، تنهار هذه العلاقة؛ حيث يبدأ الميثان في تكوين فقاعات داخل التربة، ويرتفع بسرعة ويتسرب في دفعات بدلاً من التدفق بسلاسة. هذا التكوين للفقاعات، وهي عملية تسمى "الانبثاق" (ebulition)، يعني أن التربة يمكنها تحمل ضغط هائل من الميثان دون إطلاقه عبر الانتشار البطيء والثابت الذي كان يقيسه الباحثون. في الواقع، بحلول نهاية التجربة، ارتفع ضغط التربة إلى ما يقرب من 60 كيلوباسكال في جميع الأصص النشطة، ومع ذلك عاد التدفق المستمر للغاز من السطح إلى ما يقرب من الصفر. لقد كان الغاز ينتظر ببساطة ليتحرر في دفعات مفاجئة وغير مقاسة.
أخيراً، اختبر الفريق كيف يؤثر الأكسجين على هذا النظام. ومن خلال ضخ الهواء أو الأكسجين النقي عبر أنابيب السيليكون، نجحوا في خفض ضغط الميثان في التربة. ومن المثير للدهشة أن ضخ الأكسجين النقي لم يكن أكثر فعالية من ضخ الهواء العادي؛ فكلاهما قلل ضغط الميثان إلى حوالي ثلث ما كان عليه في الأصص المغلقة. يشير هذا إلى أن كمية صغيرة من الأكسجين كافية لإيقاف الميكروبات المنتجة للميثان أو لتشجيع ميكروبات أخرى على التغذي على الميثان قبل أن يتمكن من الهروب. أكدت التجربة أن نظام أنابيب السيليكون هو أداة قوية لعزل تأثيرات الأكسجين عن تأثيرات الإمداد الغذائي. فباستخدام هذه الأنابيب الاصطناعية، استطاع الباحثون دراسة كيفية تحرك الأكسجين عبر التربة دون تعقيدات توفير الجذور النباتية الحقيقية للطعام الخاص بها أو تغيير هيكل التربة.
إن تداعيات هذه النتائج كبيرة لجهود استنباط أصناف أفضل من الأرز. تشير الدراسة إلى أنه عند فحص أصناف الأرز الجديدة بحثاً عن انبعاثات الميثان المنخفضة، يجب على العلماء التركيز على قياس ظروف التربة قبل أن يصل ضغط الميثان إلى مستوى عالٍ يكفي لتكوين الفقاعات. فإذا أُخذت القياسات في وقت متأخر جداً، ستكون البيانات مضللة لأن الغاز يتسرب في دفعات بدلاً من التدفق بثبات. علاوة على ذلك، يشير البحث إلى أن أهم السمات التي يجب البحث عنها في جذور الأرز ليست بالضرورة سرعة إطلاقها للأكسجين، بل مساحة سطحها للتفاعل مع التربة ومدى قوة حواجزها في التحكم في هذا التبادل. وتوضح الدراسة أيضاً أن مجرد إضافة المزيد من الميكروبات المنتجة للميثان إلى حقل ما لن يؤدي بالضرورة إلى زيادة الانبعاثات إذا كان الإمداد الغذائي محدوداً، وبالعكس، فإن وجود هذه الميكروبات ليس هو العامل المحدد عندما يكون الكربون العضوي الطازج وفيراً. ومن خلال فهم هذه العتبات والمحركات المحددة، يمكن للعلماء تطوير نماذج وبرامج استنباط أكثر دقة لتقليل الأثر المناخي لزراعة الأرز.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.