In-soil CH4 partial pressure and diffusive emissions in flooded soils: effects of labile carbon and microbial inoculation
यह अध्ययन एक पादप-मुक्त सिलिकॉन कॉइल प्रणाली प्रस्तुत करता है ताकि यह प्रदर्शित किया जा सके कि अस्थिर कार्बन आपूर्ति, मीथेनोजेन प्रचुरता के बजाय, जलमग्न मृदा में मीथेन आंशिक दबाव और विसरण उत्सर्जन को नियंत्रित करती है, बशर्ते माप बुलबुला निर्माण से पहले किए जाएं जो इन चरों को अलग कर देता है।
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जहाँ धान उगता है, उन जलमग्न खेतों में सतह के नीचे एक शांत रासायनिक नाटक चलता रहता है। जब मिट्टी जलमग्न होती है, तो ऑक्सीजन का प्रवाह कट जाता है, जिससे एक ऐसा वातावरण बनता है जहाँ विशिष्ट सूक्ष्मजीव फलते-फूलते हैं। ये सूक्ष्मजीव, जिन्हें मेथेनोजेन्स (methanogens) कहा जाता है, सड़ने वाले पौधों के अवशेषों और अन्य कार्बनिक पदार्थों पर पलते हैं, और अपशिष्ट उत्पाद के रूप में मीथेन छोड़ते हैं। यह गैस एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है, जो ग्लोबल वार्मिंग में महत्वपूर्ण योगदान देती है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि मीथेन की मात्रा कितनी छोड़ी जाएगी, यह मुख्य रूप से तीन चीजों पर निर्भर करता है: इन सूक्ष्मजीवों के लिए कितना भोजन उपलब्ध है, कितने सूक्ष्मजीव मौजूद हैं, और उन्हें रोकने के लिए पास में कितनी ऑक्सीजन है। धान के पौधे इस प्रक्रिया में एक जटिल भूमिका निभाते हैं; उनकी जड़ें मिट्टी में ऑक्सीजन छोड़ती हैं, जो मीथेन उत्पादन को दबा सकती है, लेकिन वे गैस को हवा में निकलने के लिए एक राजमार्ग भी प्रदान करती हैं। कम मीथेन उत्सर्जित करने वाली धान की किस्में विकसित करने के लिए, शोधकर्ताओं को यह समझने की आवश्यकता है कि ये कारक वास्तव में कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, लेकिन वास्तविक खेत में उनका अध्ययन करना कठिन है क्योंकि मिट्टी कभी भी एकसंगी (uniform) नहीं होती है, और पौधे स्वयं मापन को जटिल बना देते हैं।
इन चरों (variables) को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नियंत्रित प्रयोग डिजाइन किया जिसमें पौधों को पूरी तरह से हटा दिया गया था। उन्होंने रेत और दोमट मिट्टी के मिश्रण से भरे ढेरों (pots) की एक श्रृंखला तैयार की, और उन्हें धान के खेत की नकल करने के लिए पानी से भर दिया। धान लगाने के बजाय, उन्होंने मिट्टी में लचीली सिलिकॉन ट्यूबें डाल दीं। ये ट्यूब कृत्रिम सेंसर और गैस वितरण प्रणाली के रूप में कार्य करती थीं। चूंकि सिलिकॉन गैसों के प्रति पारगम्य (permeable) होता है, इसलिए ट्यूब के अंदर फंसी हवा स्वाभाविक रूप से आसपास के पानी में घुली गैसों के साथ संतुलित हो गई, जिससे वैज्ञानिकों को पर्यावरण को बाधित किए बिना मिट्टी में बनने वाले मीथेन के दबाव को मापने की अनुमति मिली। उन्होंने मिट्टी में हवा या शुद्ध ऑक्सीजन पंप करने के लिए इन्हीं ट्यूबों का उपयोग किया, जो धान की जड़ों द्वारा सामान्य रूप से प्रदान किए जाने वाले ऑक्सीजन उत्सर्जन का अनुकरण करती थीं। टीम ने अपने विचारों का परीक्षण करने के लिए तीन अलग-अलग मिट्टी की स्थितियाँ बनाईं: एक बुनियादी नियंत्रण मिट्टी (control soil), आलू के स्टार्च के साथ मिश्रित मिट्टी जो सूक्ष्मजीवों को आसानी से खाने योग्य भोजन प्रदान करती है, और स्टार्च के साथ झील के तलछट (sediment) का एक स्कूप मिश्रित मिट्टी, जो मीथेन पैदा करने वाले सूक्ष्मजीवों से समृद्ध है।
शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या अधिक सूक्ष्मजीव मिलाने या अधिक भोजन देने से मीथेन के उत्पादन और उत्सर्जन में बदलाव आता है। उन्हें उम्मीद थी कि झील के तलछट वाली मिट्टी में सबसे अधिक मीथेन होगी क्योंकि इसमें पहले से ही सही सूक्ष्मजीवों की बड़ी आबादी थी। हालांकि, परिणामों ने एक अलग कहानी बताई। हालांकि झील के तलछट वाली मिट्टी में अधिक मीथेन पैदा करने वाले सूक्ष्मजीव थे, लेकिन मिट्टी में बनने वाली मीथेन गैस की मात्रा लगभग पूरी तरह से भोजन की आपूर्ति द्वारा निर्धारित की गई थी। स्टार्च मिलाई गई मिट्टी वाले बर्तनों ने उच्च स्तर की मीथेन का उत्पादन किया, चाहे उनमें अतिरिक्त सूक्ष्मजीव हों या नहीं। स्टार्च के बिना वाले बर्तनों में बहुत कम मीथेन बनी, भले ही उनमें कुछ प्राकृतिक सूक्ष्मजीव मौजूद थे। यह निष्कर्ष बताता है कि इन जलमग्न मिट्टियों में, ताजे, आसानी से पचने योग्य कार्बनिक पदार्थों की उपलब्धता मीथेन उत्पादन का प्राथमिक चालक है, न कि सूक्ष्मजीवों की प्रारंभिक संख्या। वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि एक बार सूक्ष्मजीवों का बुनियादी स्तर मौजूद हो जाने के बाद, यदि उन्हें सहारा देने के लिए अतिरिक्त भोजन नहीं है, तो अधिक सूक्ष्मजीव जोड़ने से मीथेन का उत्पादन नहीं बढ़ता है।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मीथेन मिट्टी से हवा में कैसे चलती है, इसके लिए एक महत्वपूर्ण सीमा है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने माना था कि मिट्टी में मीथेन के दबाव को मापने से सीधे तौर पर यह पता चल जाएगा कि वायुमंडल में कितनी गैस निकल रही है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह केवल तभी सच था जब मीथेन का दबाव अपेक्षाकृत कम था, विशेष रूप से लगभग 16 किलोपास्कल से नीचे। इस सीमा में, पानी में घुली गैस सतह की ओर लगातार चलती थी। लेकिन एक बार जब दबाव उस सीमा से ऊपर बढ़ गया, तो यह संबंध टूट गया। मीथेन ने मिट्टी के भीतर बुलबुले बनाना शुरू कर दिया, जो तेजी से ऊपर उठे और निरंतर प्रवाह के बजाय झटकों में बाहर निकले। इन बुलबुलों की प्रक्रिया, जिसे इबुलिशन (ebullition) कहा जाता है, का अर्थ था कि मिट्टी मीथेन के भारी दबाव को झेल सकती थी बिना उसे उस निरंतर, धीमी विसरण (diffusion) के माध्यम से छोड़े जिसे शोधकर्ता माप रहे थे। वास्तव में, प्रयोग के अंत तक, सभी सक्रिय बर्तनों में मिट्टी का दबाव बढ़कर लगभग 60 किलोपास्कल हो गया था, फिर भी सतह से गैस का निरंतर प्रवाह वापस शून्य के करीब पहुँच गया था। गैस बस अचानक, अनपेक्षित झटकों में निकलने का इंतजार कर रही थी।
अंत में, टीम ने परीक्षण किया कि ऑक्सीजन इस प्रणाली को कैसे प्रभावित करती है। सिलिकॉन ट्यूबों के माध्यम से हवा या शुद्ध ऑक्सीजन पंप करके, उन्होंने मिट्टी में मीथेन के दबाव को सफलतापूर्वक कम किया। आश्चर्यजनक रूप से, शुद्ध ऑक्सीजन पंप करना सामान्य हवा पंप करने से अधिक प्रभावी नहीं था; दोनों ने मीथेन के दबाव को सीलबंद बर्तनों के एक-तिहाई तक कम कर दिया। यह इंगित करता है कि ऑक्सीजन की थोड़ी सी मात्रा भी मीथेन पैदा करने वाले सूक्ष्मजीवों को रोकने या अन्य सूक्ष्मजीवों को मीथेन खाने के लिए प्रोत्साहित करने के लिए पर्याप्त है। प्रयोग ने पुष्टि की कि सिलिकॉन ट्यूब प्रणाली ऑक्सीजन के प्रभावों को खाद्य आपूर्ति के प्रभावों से अलग करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। इन कृत्रिम ट्यूबों का उपयोग करके, शोधकर्ता यह अध्ययन कर सके कि मिट्टी के माध्यम से ऑक्सीजन कैसे चलती है, बिना वास्तविक पौधों की जड़ों की जटिलता के जो अपना भोजन भी प्रदान करती हैं या मिट्टी की संरचना को बदल देती हैं।
इन निष्कर्षों के निहितार्थ महत्वपूर्ण हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि कम मीथेन उत्सर्जन वाली नई धान की किस्मों की स्क्रीनिंग करते समय, वैज्ञानिकों को मीथेन दबाव के बुलबुले बनाने से पहले मिट्टी की स्थितियों को मापने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए। यदि माप बहुत देर से लिया जाता है, तो डेटा भ्रामक होगा क्योंकि गैस निरंतर प्रवाह के बजाय झटकों में निकल रही है। इसके अलावा, शोध यह भी दर्शाता है कि धान की जड़ों के लिए सबसे महत्वपूर्ण गुण यह नहीं है कि वे कितनी तेजी से ऑक्सीजन छोड़ती हैं, बल्कि यह है कि उनका सतह क्षेत्र (surface area) कितना बड़ा है और मिट्टी के साथ उनके आदान-प्रदान को नियंत्रित करने में उनकी बाधाएं कितनी मजबूत हैं। यह अध्ययन यह भी स्पष्ट करता है कि केवल खेत में अधिक मीथेन पैदा करने वाले सूक्ष्मजीव जोड़ने से उत्सर्जन में वृद्धि नहीं होगी यदि भोजन की आपूर्ति सीमित है, और इसके विपरीत, यदि ताजा कार्बनिक कार्बन प्रचुर मात्रा में है, तो इन सूक्ष्मजीवों की उपस्थिति ही सीमित कारक नहीं है। इन विशिष्ट सीमाओं और चालकों को समझकर, वैज्ञानिक धान की खेती के जलवायु प्रभाव को कम करने के लिए अधिक सटीक मॉडल और प्रजनन कार्यक्रम विकसित कर सकते हैं।
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