Dos cops durs per a la vida al sòl? Els efectes de la sequera i l’ús de fertilitzants.
Open PDF in new window.
Marie Sünnemann 1,2, Julia Siebert1,2 i Nico Eisenhauer1,2
1 * Experimental Interaction Ecology, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, Leipzig, Germany 2*
Institute of Biology, Leipzig University, Leipzig, Germany
Durant els últims dos segles, els humans hem estat canviant la Terra a través del nostre estil de vida. Les nostres accions no només estan causant el canvi climàtic i provocant períodes prolongats de sequera, sinó que també estan generant una sobreacumulació de nutrients al sòl, degut a la crema de combustibles fòssils i la fertilització dels camps agrícoles. Aquests dos factors estan amenaçant el món que tenim sota els nostres peus: els sòls. Poden semblar avorrits i sense vida, però els sòls són en realitat la llar de molts organismes, des de petits bacteris fins a àgils milpeus i relliscosos cucs de terra que contribueixen a processos que són indispensables per a la vida a la Terra. Per exemple, l’activitat d’aquests organismes afavoreix la descomposició del material vegetal, la qual cosa garanteix que les terres de conreu on creix el nostre menjar segueixin sent fèrtils. Com que gairebé tots els organismes del sòl són molt sensibles als canvis en el seu entorn, volíem saber què passaria si la sequera i l’excés de fertilització ocorreguessin alhora.
ACTIVITATS HUMANES QUE CANVIEN ELS ECOSISTEMES
Durant els últims 200 anys, les activitats humanes han canviat enormement el món. El canvi climàtic causat pels humans està escalfant el planeta, juntament amb períodes cada vegada més llargs de sequera (períodes prolongats amb poca pluja) en algunes regions. Al mateix temps, l’agricultura als camps i prats ha canviat de manera dràstica en les últimes dècades. La població mundial creix de manera constant, i totes aquestes persones necessiten menjar. Per tot això grans quantitats de fertilitzants s’apliquen als camps agrícoles, la qual cosa resulta en uns rendiments molt més alts de les collites [1]. Tot i que poden proporcionar prou menjar per a diversos milers de milions de persones, aquestes pràctiques tenen un desavantatge significatiu: de manera similar a la sequera, l’excés de fertilització afecta no només les plantes visibles per sobre del sòl, sinó també el complex ecosistema sota terra: el sòl i els organismes que hi viuen.
LA IMPORTÀNCIA DE L’ECOSISTEMA DEL SÒL
Els sòls són una part important dels ecosistemes terrestres. Tot i que sovint no en som conscients, els sòls estan plens de vida. Hi ha microorganismes, com bacteris i fongs, que són tan petits que no es poden veure a simple vista. El que els falta en mida, ho compensen en nombre: només una culleradeta de sòl pot contenir diversos milions de microorganismes. Fins i tot molts dels animals una mica més grans, com ara àcars i col·lèmbols, només es poden veure amb una lupa. Entre els animals més grans del sòl hi ha els porquets de Sant Antoni, els centpeus i els cucs de terra. Tots els animals del sòl una mica més grans tenen en comú el fet que no tenen espina dorsal, per la qual cosa es coneixen com a invertebrats. Aquests animals viuen junts al sòl i interactuen de diverses maneres: alguns s’alimenten dels altres, mentre que altres treballen conjuntament.
Els invertebrats del sòl realitzen nombroses tasques que són necessàries per a la nostra existència. Una de les funcions ecosistèmiques més importants és la descomposició, un procés que requereix la cooperació de molts éssers vius. Els organismes del sòl són responsables de la descomposició de la matèria vegetal morta. Fulles seques, arrels mortes i llavors són els seus recursos alimentaris. Aquests organismes descomponen aquests materials vegetals morts en parts cada vegada més petites. Els compostos resultants, al seu torn, proporcionen una font d’aliment excel·lent per als microorganismes del sòl com bacteris i fongs. Finalment, aquests recursos es converteixen de nou en una forma que les plantes poden utilitzar per al seu creixement, és a dir, CO2 i nutrients.
Tots aquests éssers del sòl, com gairebé tota la vida a la Terra, depenen molt de l’aigua per beure, respirar o fins i tot com a mitjà de transport. Els períodes de sequera cada cop més llargs i freqüents són per tant un problema per a molts petits organismes. I encara pitjor, què passa si altres factors nocius es produeixen al mateix temps? L’ús excessiu de fertilitzants, per exemple, pot ser perjudicial per als organismes del sòl, ja que canvia el valor de pH del sòl per fer-lo més àcid. Molts organismes del sòl no poden tolerar condicions àcides. Podria la fertilització afegir un factor d’estrès addicional, fent que sigui més difícil per als organismes del sòl resistir les condicions seques? I com exactament podem saber si la sequera i la fertilització són nocives per als organismes del sòl i interfereixen amb les seves funcions?
COM VAM ESTUDIAR ELS MICROORGANISMES DEL SÒL?
Per entendre els efectes de la sequera i la fertilització sobre els organismes del sòl, vam iniciar un experiment que simulava aquests dos factors comuns que els humans modifiquen [2]. Vam triar una praderia a l’Alemanya Central on vam seleccionar petites zones anomenades parcel·les experimentals i les vam tractar de diverses maneres. En un quart de les parcel·les experimentals s’hi va aplicar un tractament de sequera mitjançant sostres (Figura 1), en un altre quart s’hi va afegir fertilitzant, i en un altre quart s’hi va aplicar una combinació de sequera i fertilitzant. L’últim quart de les parcel·les no es va tractar, sent les parcel·les de control. Les parcel·les de control són importants perquè ens permeten comparar els tractaments amb les condicions normals.
Per entendre com la sequera i la fertilització afecten els organismes del sòl, vam observar els invertebrats del sòl i els microorganismes per separat. Vam examinar l’activitat dels invertebrats del sòl a cada una de les nostres parcel·les. Per fer-ho, vam utilitzar tires de plàstic estretes amb diversos petits forats, anomenades tires d’esquer. Cada forat es va omplir amb una barreja d’esquer, que els invertebrats del sòl solen menjar (imagineu-vos un cereal per a invertebrats). Vam clavar algunes d’aquestes tires de prova completament al terra de les nostres parcel·les (Figura 2). Al cap de 3 setmanes, vam observar quanta quantitat de l’esquer havia estat menjada pels animals del sòl. Els ecòlegs del sòl utilitzen aquest mètode per avaluar quant mengen els invertebrats del sòl, que és un molt bon indicador de la seva activitat en general.
Per examinar més de prop els microorganismes del sòl, vam agafar una petita quantitat de sòl de cada una de les nostres parcel·les i la vam portar al laboratori. Vam determinar l’activitat microbiana d’aquestes mostres mesurant la seva respiració. Com els humans, els organismes del sòl respiren oxigen (O2) i expulsen diòxid de carboni (CO2), així que com més respiració hi hagi en una mostra, més actius seran els microorganismes (penseu en vosaltres mateixos quan feu exercici). Per mesurar la respiració microbiana, vam utilitzar un dispositiu amb un sensor especial que pot mesurar la quantitat d’oxigen utilitzada pels microorganismes, i aquestes dades es van transferir a un ordinador per emmagatzemar-les. Coneixent l’activitat dels microorganismes del sòl, vam poder calcular la seva biomassa, que és una mesura de la quantitat de tots els microbis que viuen en una quantitat definida de sòl, per exemple, en una culleradeta.
LA SEQUERA I LA FERTILITZACIÓ PODEN AFECTAR ELS INVERTEBRATS DEL SÒL
Vam utilitzar proves estadístiques amb les nostres dades per saber com les comunitats microbianes i d’invertebrats del sòl reaccionaven a la sequera i la fertilització. Vam trobar que tant la sequera com la fertilització afectaven greument l’activitat dels invertebrats del sòl. Tot i que els factors per separat van tenir efectes negatius importants, la seva combinació no va reduir encara més l’activitat dels invertebrats (Figura 3A). Els microorganismes del sòl, en canvi, van reaccionar de manera completament diferent. La sequera no els va perjudicar, i la fertilització addicional va augmentar la seva biomassa (Figura 3B).
Per què la sequera i la fertilització són més perjudicials per els invertebrats que els microorganismes? Generalment, tots dos grups depenen molt de la humitat del sòl i tenen dificultats per afrontar les sequeres. Entre altres coses, el seu menjar es torna tan sec que tenen dificultats per digerir-lo [3]. Imagineu-vos menjar torrades velles sense melmelada tot el dia, sense beure res. Per evitar les condicions seques, els invertebrats poden desplaçar-se a capes més profundes i humides del sòl que nosaltres no vam arribar a les nostres proves. No obstant això, per què la fertilització va reduir la seva activitat també? La raó és que la fertilització provoca una acidificació dels sòls, fet que fa que el valor de pH caigui per sota de cinc. Els cucs de terra i molts altres invertebrats del sòl no volen viure en condicions de pH baix, que poden danyar la seva pell delicada. Una llimona, per exemple, té un valor de pH de 2. Alguna vegada heu tingut una ferida al dit i després us hi ha caigut suc de llimona? No és gaire agradable.
El tractament de la sequera no va perjudicar els microorganismes del sòl. Això ens va sorprendre, perquè el nostre tractament va reduir la pluja anual a la meitat, el que va provocar sòls extremadament secs. No obstant això, creiem que és possible que els bacteris i fongs que normalment viuen a la capa superior del sòl estiguin exposats constantment als cicles de temperatura i humitat de les estacions. Per això, han de ser capaços de sobreviure fins i tot durant els períodes més secs [4]. Una manera de fer-ho és construint una carcassa protectora feta de sucres que impedeix que la seva superfície s’assequi. Alternativament, poden crear una forma molt resistent que els permet sobreviure, anomenada esporulació. Les espores estan en un estat latent i poden sobreviure a calor extrema i sequera fins a 1.000 anys. Aquesta és la raó per la qual creiem que les condicions de sequera del nostre experiment gairebé no van perjudicar els microorganismes del sòl. Però també és possible que el nostre experiment fos massa curt per veure cap efecte negatiu de la sequera.
D’altra banda, la fertilització va ser fins i tot beneficiosa per als microorganismes. Això és perquè els nutrients addicionals dels fertilitzants van afavorir molt el creixement de les plantes. Les plantes no només van respondre amb tiges més llargues, flors més grans i més fulles, sinó que també van alliberar més recursos al sòl a través de les seves arrels i els microorganismes es van poder alimentar d’aquests recursos extres.
Ens va agradar trobar que la sequera i la fertilització no van reforçar-se els efectes mútuament, la qual cosa significa que ambdós factors junts no semblen causar més dany que quan es presenten per separat. Això pot voler dir que els ecosistemes tenen alguns mecanismes de resistència per enfrontar-se als atacs ambientals perjudicials. Però en aquest estudi, només vam mesurar l’activitat dels organismes del sòl després d’un any. Haurem d’examinar el sòl després de molts anys de sequera i fertilització, per veure si els resultats continuen sent els mateixos.
QUIN ÉS EL FUTUR PER ALS NOSTRES SÒLS?
Per resumir, sembla que els invertebrats del sòl estan molt menys preparats per als canvis ambientals futurs que els microorganismes. Què vol dir això per als nostres sòls en el futur? La disminució de l’activitat dels animals del sòl té diverses conseqüències per als ecosistemes i, per tant, per als humans. Com ja hem après, tots els organismes del sòl són necessaris per mantenir el procés de descomposició en marxa. El procés de descomposició es divideix en diversos passos que són indispensables els uns dels altres. Mentre que els invertebrats són majoritàriament responsables de descompondre les partícules més grans d’animals i plantes mortes, els microorganismes digereixen les partícules més petites en el següent pas i alliberen una varietat de nutrients. Junts, els organismes del sòl formen una gran comunitat alimentària, on cada espècie té el seu lloc especial, complint les seves tasques específiques. Però si falta una baula d’aquesta cadena, és probable que tot el sistema perdi el seu equilibri [5]. Això podria significar que els sòls podrien perdre la seva fertilitat a llarg termini. El resultat seria que no només les herbes, sinó també el blat de moro i el blat als nostres camps deixarien de créixer de manera tan exuberantment, i finalment tindríem problemes per alimentar tota la població mundial. Per tant, depenem del benestar de tots els éssers del sòl i hauríem de tenir en compte la seva importància quan prenguem decisions futures que puguin afectar els nostres sòls.
GLOSSARI
Ecosistema
Comunitat de plantes, bacteris, animals i fongs en un lloc determinat, juntament amb els components no vius d’aquest entorn.
Funcions de l’ecosistema
Processos naturals que tenen lloc en un ecosistema.
Invertebrats
Animals que no tenen espina dorsal, com ara centpeus, porquets de Sant Antoni i cucs de terra.
Descomposició
Després de la mort, els organismes vius es descomponen en parts més petites. Això allibera nutrients que, al seu torn, són necessaris per al creixement de les plantes.
Valor de pH
Escala que indica si una solució és àcida o bàsica. Com més baix sigui el valor, més àcida serà la solució.
Biomassa
Mesura de la quantitat total de tots els microbis que viuen en una quantitat definida de sòl.
AGRAÏMENTS
Agraïm al personal de l’Estació Experimental de Recerca de Bad Lauchstädt la seva ajuda en el manteniment del lloc experimental, així com a Alla Kavtea, Tom Künne i Ulrich Pruschitzki pel seu suport en el treball de laboratori i de camp. A més, agraïm a la coordinació de l’International Drought-Net Experiment per haver proporcionat protocols i suport. També reconeixem l’ajuda editorial de Susan Debad.
ORIGINAL ARTICLE
Siebert, J., Sünnemann, M., Auge, H., Berger, S., Cesarz, S., Ciobanu, M., et al. 2019. The effects of drought and nutrient addition on soil organisms vary across taxonomic groups, but are constant across seasons. Sci. Rep. 9:639. doi: 10.1038/s41598-018-36777-3
REFERÈNCIES
[1] Galloway, J. N., Townsend, A. R., Erisman, J. W., Bekunda, M., Cai, Z., Freney, J. R., et al. 2008. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potential solutions. Science 320:889–92. doi: 10.1126/science.1136674
[2] Siebert, J., Sünnemann, M., Auge, H., Berger, S., Cesarz, S., Ciobanu, M., et al. 2019. The effects of drought and nutrient addition on soil organisms vary across taxonomic groups, but are constant across seasons. Sci. Rep. 9:639. doi: 10.1038/s41598-018-36777-3
[3] Thakur, M. P., Reich, P. B., Hobbie, S. E., Stefanski, A., Rich, R., Rice, K. E., et al. 2018. Reduced feeding activity of soil detritivores under warmer and drier conditions. Nat. Clim. Change 8:75–8. doi: 10.1038/s41558-017-0032-6
[4] Tonkin, J. D., Bogan, M. T., Bonada, N., Rios-Touma, B., and Lytle, D. A. 2017. Seasonality and predictability shape temporal species diversity. Ecology 98:1201–16. doi: 10.1002/ecy.1761
[5] Simpson, J. E., Slade, E., Riutta, T., and Taylor, M. E. 2012. Factors affecting soil fauna feeding activity in a fragmented lowland temperate deciduous woodland. PLoS ONE7:e29616. doi: 10.1371/journal.pone.0029616
EDITED BY: Helen Phillips, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany
CITATION: Sünnemann M, Siebert J and Eisenhauer N (2020) Double Whammy for Life in Soil? The Effects of Drought and Fertilizer Use. Front. Young Minds. 8:547630. doi: 10.3389/frym.2020.547630
**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 © 2020 Sünnemann, Siebert and Eisenhauer. 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
JEDIDIAH, EDAT: 14
En Jedidiah està interessat en la ciència i les matemàtiques, especialment en com el medi ambient impacta la seva vida quotidiana. Passa temps treballant a l’hort familiar i guanya diners venent ous i verdures que ajuda a produir. En el seu temps lliure, al Jed li agrada jugar a beisbol i amb videojocs.
AUTORS
MARIE SÜNNEMANN
Quan tenia 6 anys, la seva millor amiga la va reptar a fer una gosadia: menjar-se un cuc de terra. Tot i que avui dia no ho tornaria a fer, la seva curiositat per tot allò que s’arrossega i viu sota terra no ha desaparegut mai. Actualment, com a doctoranda, estudia les reaccions dels organismes del sòl al canvi climàtic en prats i camps de conreu. En el seu temps lliure, practica esports de combat i li agrada estar a l’aire lliure. *marie.suennemann@idiv.de
JULIA SIEBERT
La Julia s’ha sentit fascinada per la natura des de petita. Passava tant de temps com podia a l’aire lliure, construïa casetes de molsa al bosc i buscava tot tipus d’animals. Va seguir aquesta passió estudiant biologia i ciències de la comunicació, amb un interès constant per trobar maneres de transmetre coneixement a diferents públics. Els seus estudis científics es van centrar en com les condicions climàtiques canviants afecten els organismes del sòl i les funcions ecosistèmiques que impulsen. A més, va explorar formes d’implicar l’alumnat d’escoles en la ciència de la biodiversitat. En el seu temps lliure, li agrada muntar a cavall, viatjar, observar ocells, fer BTT i practicar tota mena d’esports a l’aire lliure.
NICO EISENHAUER
En Nico s’ha interessat per la natura des de ben petit. Excavava cucs de terra, atrapava granotes i peixos, i ajudava les sargantanes a sobreviure durant els mesos d’hivern. Sempre l’ha fascinat la bellesa de la natura i el motiva la pregunta de per què una espècie concreta de planta o animal es troba en un lloc però no en un altre. Durant els seus estudis de biologia, va descobrir el seu interès pels animals del sòl i les seves activitats importants, que són fonamentals pel funcionament dels ecosistemes. Quan no treballa, en Nico gaudeix jugant a futbol i a bàdminton, corrent i passant temps amb la família i els amics.
TRADUCTORA
**SANDRA VARGA **
La Sandra és Professora Associada a la Universitat de Lincoln, el Regne Unit. A part d’impartir classes en biologia, fa recerca investigant les relacions entre les plantes i el sòl per entendre com el canvi climàtic està afectant aquestes interaccions, 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).
CITATION (TRANSLATION)
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). 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.
**Recommended citation format: **Sünnemann M, Siebert J and Eisenhauer N (2025) Double Whammy for Life in Soil? The Effects of Drought and Fertilizer. (Catalan translation: Varga S). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2020, doi: 10.3389/frym.2020.547630
Figures
Figura 1: Vam utilitzar teulades per simular la sequera a la meitat de les parcel·les experimentals del nostre estudi. L’altra meitat de les parcel·les va rebre teulades “falses” amb panells de pluja col·locats cap per avall per tenir en compte els possibles efectes secundaris d’aquestes estructures (com canvis en la velocitat del vent i la llum). ©Julia Siebert.
Figura 2: Vam utilitzar tires de làmina amb esquer per determinar l’activitat dels invertebrats del sòl a les nostres parcel·les experimentals. Les tires es van inserir completament al terra perquè els invertebrats del sòl poguessin alimentar-se’n. Després de 3 setmanes, vam comprovar quants dels petits forats amb l’esquer estaven plens, buits o mig plens. Com més actius i més famolencs fossin els invertebrats del sòl, més esquer va ser consumit. ©Gottschall/Siebert.
Figura 3: Què vam trobar? (A) La sequera, la fertilització i la combinació de les dues coses van reduir molt l’activitat alimentària dels invertebrats del sòl. (B) Els microorganismes del sòl no van ser alterats pel tractament de sequera. La fertilització va provocar un augment de la biomassa microbiana del sòl.