Influeix la diversitat de plantes al cicles de nutrients?

Open PDF in new window.

Eva Koller-France 1, Wolfang Wilcke2, Yvonne Oelmann1*

1 Department of Geography/Geoecology, University of Tübingen, Tübingen, Germany2 Institute of Geography and Geoecology, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany

Tots els éssers vius, els humans, els animals, les plantes i fins i tot els microbis, necessiten absorbir els mateixos elements nutritius per viure, sent els més importants el nitrogen i el fòsfor. Entendre el cicle d’aquests elements a través de l’ecosistema és clau per comprendre per què els ecosistemes funcionen com ho fan. Una de les preguntes que ens fem és si la diversitat d’organismes, com plantes o insectes, està relacionada amb aquests cicles de nutrients. Quan les comunitats de plantes estan formades per moltes espècies diferents, sembla que aquestes comunitats aprofiten millor els nutrients del sòl disponibles que les comunitats de plantes compostes per menys espècies. Això pot ser a causa d’un fenomen anomenat complementarietat, que vol dir que les diferents espècies de plantes accedeixen als nutrients disponibles de maneres diferents, per exemple, des de diferents profunditats del sòl. En aquest article, descriurem les connexions entre la biodiversitat de plantes i el cicle de nutrients del sòl i discutirem les implicacions per al funcionament de l’ecosistema en el seu conjunt.

PER QUÈ ENS INTERESSA L’EFECTE DE LA BIODIVERSITAT SOBRE ELS CICLES DE NUTRIENTS?

Tots els éssers vius de la Terra necessiten certs elements nutritius. En els ecosistemes naturals, aquests nutrients, sobretot el nitrogen i el fòsfor, són absorbits per les plantes des del sòl. Les plantes poden ser consumides per animals o per persones. Els nutrients són retornats al sòl a través de les deposicions animals i quan les plantes o els animals moren, i després poden ser absorbits de nou per altres plantes. Anomenem això el cicle de nutrients per què tot es repeteix una vegada i una altra.

En diferents ecosistemes, i sota condicions ambientals diferents, el cicle dels nutrients pot funcionar més ràpid o més lent, i els nutrients poden ser utilitzats i reciclats per les diferents parts del sistema de maneres més o menys completes, el que pot causar desajustos. Per exemple, de vegades hi ha més nutrients disponibles del que caldria perquè els agricultors afegeixen massa fertilitzant al sòl, o perquè hi ha un dia càlid a l’hivern en què petits organismes del sòl reciclen i alliberen nutrients de material mort que no són necessaris per a les plantes durant la seva fase inactiva. Si hi ha un excés de nutrients al sòl, aquests poden ser arrossegats fins als aqüífers o als llacs i rierols. D’aquí, seran transportats cap a rius més grans i finalment al mar. Si aquests cossos d’aigua reben una gran quantitat de nutrients, pot produir-se un creixement ràpid d’algues, el que danya els ecosistemes d’aigües dolces. En aquest cas, massa d’una cosa bona pot ser definitivament un gran problema. Per això, estudiar els cicles de nutrients dels ecosistemes sota diferents condicions no només és una bona manera d’aprendre com funcionen els ecosistemes, sinó que també ens ajuda amb consideracions pràctiques, com ara com protegir el nostre subministrament d’aigua neta.

Sabem que la biodiversitat (la riquesa d’espècies) d’un ecosistema juga un paper en moltes de les seves funcions, i també sabem que la biodiversitat està disminuint a escala global. Per exemple, algunes espècies d’abelles i flors poc habituals s’estan extingint, i per això molts ecosistemes són ara menys diversos del que eren abans. Aquesta és una de les raons per les quals ens interessa com el cicle de nutrients respon als canvis en la biodiversitat.

QUIN EFECTE TÉ LA BIODIVERSITAT SOBRE EL NITROGEN AL SÒL?

Mitjançant experiments que estudien els efectes de la biodiversitat sobre els ecosistemes, s’ha pogut establir una connexió entre biodiversitat i el nitrogen (en forma de nitrats, una forma de nitrogen que és absorbida per les plantes) al sòl [1]. En aquests experiments, la diversitat de plantes s’estudia mitjançant la creació de petits ecosistemes model (moltes vegades praderies, on és més fàcil fer-ho) amb un nombre conegut d’espècies que creixen sota les mateixes condicions ambientals, per exemple, al mateix camp. Això es fa sembrant una barreja específica de llavors en un quadrat de terra, anomenat parcel·la experimental. Aquestes petites parcel·les es revisen regularment per trobar plantes que no han estat sembrades en elles, les quals es retiren. Els resultats de les parcel·les experimentals amb més o menys diversitat es poden comparar força bé, ja que la única diferència entre les parcel·les hauria de ser el nombre d’espècies que hi creixen.

En aquests experiments de praderies, trobem que com més gran és el nombre d’espècies de plantes, més baixa és la concentració de nitrogen al sòl, cosa que és força fàcil d’explicar. Si les plantes absorbeixen més nitrogen, això vol dir que en queda menys al sòl. En ecosistemes que són rics en nutrients, això també vol dir que menys nitrogen és arrossegat fins als aqüífers, la qual cosa protegeix la qualitat de l’aigua subterrània i els ecosistemes d’aigües dolces.

Per entendre aquests resultats, hem de considerar un altre efecte important de la biodiversitat vegetal en ecosistemes no fertilitzats, que és un augment del creixement de les plantes. Quan hi ha més biodiversitat de plantes normalment es produeix més biomassa vegetal, per exemple, més fenc a les praderies. Per construir aquesta major quantitat de biomassa es necessita més nitrogen. Per descomptat, una altra manera de veure-ho és que aquesta major biomassa només es pot construir si les plantes poden accedir a més nitrogen (i a tots els altres nutrients necessaris). Aquí és on entra en joc un fenomen anomenat complementarietat.

DIFERENTS ESPÈCIES TREBALLEN JUNTES PER ACCEDIR ALS NUTRIENTS

La complementarietat descriu un mecanisme pel qual diferents parts d’un ecosistema (com les diferents espècies) utilitzen diferents recursos essencials (i limitats) des de diferents llocs o en diferents moments. L’ús d’aquest recurs per part d’una espècie “complementa” el de l’altra espècie. D’aquesta manera, la comunitat de plantes utilitza els recursos disponibles de manera més completa. En el nostre exemple, el recurs utilitzat és el nitrogen disponible al sòl. Probablement sabeu que les plantes absorbeixen els nutrients del sòl mitjançant les seves arrels. Però no totes les arrels són iguals. Algunes plantes tenen arrels fortes i llargues que poden accedir a parts més profundes del sòl, però no es ramifiquen gaire en el camí. D’altres tenen arrels que només arriben a les parts més superficials del sòl. Si combineu només aquests dos tipus, podeu veure que una espècie de planta agafa aigua i nutrients de la superfície del sòl, mentre que l’altra els agafa de les parts més profundes del sòl (Figura 1). Els dos tipus de sistemes radiculars es complementen entre si, i això vol dir que els nutrients que haurien quedat sense utilitzar en un sistema que només tingués una o altra d’aquestes plantes ara s’estan utilitzant per produir més biomassa vegetal, que serveix d’aliment per als microbis i als animals. Aquestes dues plantes utilitzen nínxols diferents en l’espai, que anomenem nínxols espacials. De manera similar, no totes les plantes es desenvolupen i creixen al mateix temps. Si una espècie es desenvolupa al començament de la primavera i una altra comença a créixer a l’estiu, aquestes dues espècies no obtindran la major part dels seus nutrients al mateix temps. Utilitzen dos nínxols temporals, o nínxols en el temps, i també accedeixen als nutrients i altres recursos de manera molt més completa juntes del que ho farien per separat. Així que, quan no només dues, sinó moltes plantes creixen juntes utilitzant diferents nínxols espacials i temporals, el nitrogen al sòl s’utilitza de manera més completa, i per tant, n’hi ha menys que quedi al sòl.

BIODIVERSITAT VEGETAL I FÒSFOR AL SÒL

Seria lògic suposar que l’efecte de la biodiversitat que acabem de descriure per al nitrogen al sòl és el mateix per al fòsfor. Ambdós són elements nutrients essencials, i ambdós poden limitar la producció de biomassa. No obstant això, i potser sorprenentment al principi, això no és el que trobem en els experiments de biodiversitat, en els quals controlem la riquesa d’espècies de sistemes individuals per estudiar els efectes de la biodiversitat en aquests ecosistemes. Sovint, les concentracions de fosfat fàcilment disponible, la forma química del fòsfor que és absorbit per les plantes, són tan baixes als sòls dels sistemes que estudiem que senzillament no poden quedar-hi “restes” com de vegades passa amb el nitrogen. Així que, realment la biodiversitat vegetal té algun efecte en el cicle del fòsfor?

La resposta curta és sí, probablement. Sabem que hi ha més fòsfor a la biomassa vegetal de sistemes més diversos i aquest efecte (similar al nitrogen) és causat per la major quantitat de biomassa que ve de la major absorció de fòsfor per part de les plantes [2]. La pregunta és com els ecosistemes més diversos poden absorbir més fòsfor, tot i que no veiem els resultats d’això al sòl.

Per accedir al fòsfor al sòl, tant les plantes com els microbis utilitzen enzims (substàncies que faciliten certes reaccions químiques) per trencar el fòsfor de molècules químiques més complexes que existeixen a l’humus del sòl, la part orgànica del sòl que probablement coneixeu com a compost. Podem mesurar la velocitat i la funció de la fosfatasa, l’enzim responsable d’alliberar el fòsfor de manera que es faci accessible per a les plantes i els microbis, el que ens permet estimar quanta quantitat de fòsfor s’allibera del sòl per al seu ús. En ecosistemes amb més biodiversitat vegetal, trobem més activitat en les fosfatases del sòl (Figura 1) [3]. Això indica que, tot i que no veiem la major absorció de fòsfor dels sòls amb més biodiversitat vegetal de la mateixa manera que fem amb el nitrogen, sí que veiem que hi ha un accés més eficient al fòsfor als sòls a través de l’activitat més alta de la fosfatasa. Aquesta és una manera en què la biodiversitat vegetal pot influir en el cicle del fòsfor a través de l’ecosistema.

LA IMPORTÀNCIA DE LA BIODIVERSITAT PER AL FUNCIONAMENT DE L’ECOSISTEMA

Aleshores, què vol dir tot això? L’assumpció general és que amb els canvis globals continuats els ecosistemes perdran més espècies i la biodiversitat continuarà disminuint. Amb la pèrdua de biodiversitat, és probable que el cicle del nitrogen i del fòsfor esdevingui menys eficient, és a dir, els ecosistemes seran menys capaços de retenir i reciclar el nitrogen i el fòsfor que ara. Aquest és un gran canvi en l’ecosistema i pot ser un dels factors que contribueixin a la reducció de la productivitat ecosistèmica. Una reducció en la biodiversitat també pot fer que els nutrients es perdin del sistema, com el nitrats que són arrossegats fins als aqüífers. L’excés de nitrats pot ser un contaminant si arriba a la nostra aigua potable i també pot tenir efectes negatius als ecosistemes aquàtics als quals és transportat, com per exemple el creixement excessiu d’algues. I, a l’altre extrem, aquests nutrients ja no estan disponibles per a les plantes, els microbis o els animals de l’ecosistema original, deixant un sistema que probablement serà més pobre en nutrients i menys capaç de sostenir els organismes que hi viuen.

GLOSSARI

Biodiversitat

Dit de manera senzilla, el nombre d’espècies en un ecosistema.

Biomassa

La quantitat total de massa present en els components de l’ecosistema, com ara plantes o animals. Per exemple, la biomassa vegetal, que hem esmentat en aquest article, es pot definir com tota la matèria viva continguda a les arrels, brots, fulles, flors i fruits de les plantes. En un clima temperat, la biomassa no és constant, però generalment augmenta des de la primavera fins a la tardor i disminueix a la tardor.

Enzim

Petites molècules que acceleren una reacció (bio-)química dins o fora de les cèl·lules.

Productivitat de l’ecosistema

La quantitat de material orgànic, com la biomassa vegetal, produïda per l’ecosistema en un temps determinat. Un bon exemple d’això seria la quantitat de blat o palla que es recol·lecta en un any d’un camp.

REFERENCIES

EDITED BY: Malte Jochum, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany

CITATION: Koller-France E, Wilcke W and Oelmann Y (2021) Does Plant Biodiversity Influence Nutrient Cycles? Front. Young Minds 9:557532. doi: 10.3389/frym.2021.557532

**CONFLICT OF INTEREST: **The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.

COPYRIGHT © 2021 Koller-France, Wilcke and Oelmann. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

REVISORS JOVES

MACKENZIE**, EDAT: 14**

Em dic Mackenzie i m’agrada la música (tant tocar-la com escoltar-la), els llibres (especialment de fantasia) i els esports (el meu preferit és el tennis). També m’agraden la ciència, les matemàtiques i les llengües, però el que més m’agrada és acampar amb motxilla.

ROSE**, EDAT: 14**

Hola. Tinc 14 anys i visc al Canadà. M’agrada fer mitja, el punt i llegir.

AUTORS

**EVAKOLLER-**FRANCE

L’Eva és una ecòloga d’ecosistemes interessada en els efectes de tot tipus de canvis globals sobre els cicles del carboni i dels nutrients als ecosistemes. Durant els seus anys de doctorat va recórrer l’Àrtic per estudiar com els canvis ambientals afecten les connexions entre els cicles del carboni i dels nutrients. Actualment és investigadora postdoctoral al projecte Jena Experiment (http://www.the-jena-experiment.de/), on estudia els efectes a llarg termini de la riquesa d’espècies vegetals sobre els cicles del nitrogen i del fòsfor.*ekoller@gmail.com

WOLFGANG****WILCKE

Wolfgang Wilcke va estudiar Geoecologia a la Universitat de Bayreuth i actualment és professor de Geomorfologia i Ciència del Sòl a l’Institut de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), després d’haver fet recerca i docència a la TU Berlín, la Universitat Johannes Gutenberg de Mainz i la Universitat de Berna. Els seus interessos de recerca se centren en els efectes del canvi ambiental, incloent-hi el canvi climàtic, el canvi en l’ús del sòl, la deposició de nutrients, la contaminació i la pèrdua de biodiversitat, sobre el cicle dels elements entre els sòls i les plantes. Utilitza anàlisis químiques del sòl, observacions a llarg termini dels fluxos d’elements i tècniques amb isòtops estables.

YVONNE****OELMANN

La Yvonne és una científica del sòl que treballa en els cicles del carboni i dels nutrients als ecosistemes. Va fer el doctorat a la TU Berlín sobre els efectes de la diversitat vegetal en el cicle dels nutrients en sòls de prats (http://www.the-jena-experiment.de/). Com a investigadora postdoctoral, va ampliar la seva perspectiva centrant-se en ecosistemes forestals complexos i tenint en compte l’impacte de l’activitat humana. L’any 2011 va ser nomenada professora a la Universitat de Tübingen, i des de llavors treballa en els cicles del carboni i dels nutrients en prats i boscos d’arreu del món.

TRADUCTORA

SANDRA VARGA

La Sandra és Professora Associada a la Universitat de Lincoln, el Regne Unit. Apart d’impartir classes en biologia, fa recerca investigant les relacions entre les plantes i el sòl per entendre com el canvi climàtic està afectant aquestesinteraccions, i investiga com els microbis del sòl poden contribuir a la producció de plantes d’una manera més sostenible.

FUNDING (TRANSLATION)

The team Translating Soil Biodiversity acknowledges support of the German Centre for integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig funded by the German Research Foundation (DFG FZT 118, 202548816).

Figures

Figura 1: La complementarietat entre els sistemes radiculars present en un sòl amb una major biodiversitat porta a un cicle de nutrients més eficient. Figura 1: La complementarietat entre els sistemes radiculars present en un sòl amb una major biodiversitat porta a un cicle de nutrients més eficient. Les fletxes gruixudes representen una major absorció de nitrats o una major activitat de fosfatasa en ecosistemes més diversos; les fletxes estretes representen una menor absorció de nitrats o una menor activitat de fosfatasa en ecosistemes amb menys diversitat. Mentre el nitrats són absorbits per les arrels i són transportats cap a les parts aèries de la planta, la fosfatasa s’allibera cap al sòl per fer que el fosfat sigui disponible per a la seva absorció per les arrels.