Tại sao các nhà khoa học đang nỗ lực cứu sinh địa tầng của Trái Đất?

Hãy cân nhắc kỹ trước khi giẫm lên lớp đất trên cùng khô và giòn đó.

Dưới ánh nắng gắt của Utah, Sasha Reed đang trồng các mảng thực vật – cùng với vi khuẩn, địa y và nấm. Nhưng Reed không phải là một nông dân, và thoạt nhìn, cánh đồng của cô dường như chủ yếu chỉ là đất. Cô là một nhà sinh thái học, và thứ cô đang trồng là đất sinh địa tầng.

Đất sinh địa tầng là gì?

Còn được gọi là cryptobiotic soil, đất sinh địa tầng là một cộng đồng sinh vật nhỏ sống trong đất, tạo thành một lớp vỏ đặc biệt trên bề mặt đất ở các cảnh quan khô hạn. Lớp vỏ này rất quan trọng đối với các hệ sinh thái vùng đất khô hạn trên Trái Đất, giúp giữ đất lỏng lẻo kết dính và ngăn chặn xói mòn. Chúng giữ nước, cung cấp nơi trú ngụ cho các vi sinh vật khác và bổ sung nitơ cho đất.

Đất sinh địa tầng thường trông như một mảng đất đổi màu. Khi quan sát kỹ hơn, nó trở thành một bức tranh khảm của những cục đất nhỏ tối màu, rải rác với những đám rêu nhỏ và các mảng địa y khó nhận thấy. Nhưng nó cũng có thể trông rất giống với đất bình thường và khô cứng. Mặc dù lớp đất giòn này có thể dễ dàng bị giẫm nát như khi dẫm qua lá mùa thu giòn rụm, nhưng đây lại là một sai lầm lớn: sinh địa tầng có thể mất hàng thập kỷ để tái tạo.

Ngày nay, ngoài việc bị giẫm đạp bởi bước chân của con người, sinh địa tầng còn bị đe dọa bởi một loại dấu chân khác của con người: biến đổi khí hậu. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đang cẩn thận làm việc để tìm hiểu thêm về lớp vỏ này và cách khôi phục chúng.

Đó là một thời gian khá bận rộn nhưng cũng đầy thú vị, vì chúng tôi đang gần như tự phát minh ra cách thực hiện điều này, Anita Antoninka, nhà sinh thái học thực vật và đất tại Đại học Bắc Arizona ở Flagstaff, người nghiên cứu về sinh địa tầng, cho biết.

Các hệ sinh thái ở đất khô hạn và tầm quan trọng của chúng

Antoninka cho biết, các vùng đất khô hạn nơi sinh địa tầng cư ngụ là các hệ sinh thái quan trọng, nhưng chúng cũng là một trong những hệ sinh thái bị suy thoái nhiều nhất trên toàn cầu. Khi sinh địa tầng suy giảm trong các khu vực này, độ phì nhiêu của đất sẽ giảm và gió sẽ cuốn trôi lớp đất lỏng lẻo, không được bảo vệ. Lượng nước ngấm vào đất cũng sẽ giảm. Ngay cả chu trình carbon cũng có thể bị ảnh hưởng, vì sẽ có ít sinh vật nhỏ hấp thụ carbon dioxide hơn.

Những cộng đồng tí hon

Sinh địa tầng chiếm khoảng 12% diện tích bề mặt đất của Trái Đất và hiện diện trên mọi lục địa. Thành phần chính của những lớp vỏ này thường là vi khuẩn quang hợp gọi là cyanobacteria. Vi khuẩn này hình thành các sợi dính hoạt động như chất keo trong đất cát sa mạc, tạo nên một bề mặt vón cục, nơi nấm và vi khuẩn khác có thể sinh sống.

Tùy thuộc vào môi trường mà sinh địa tầng sinh sống, nó có thể chứa các loài rêu, địa y và tảo cực nhỏ. Ví dụ, ở các khu vực sa mạc ẩm hơn, như Moab, Utah, sinh địa tầng có xu hướng có rêu. Trong các loại đất giàu thạch cao, như gần hồ Mead, Nevada, địa y là chủ yếu. Một số lớp vỏ có chứa tất cả các thành phần, trong khi ở một số nơi khác, nhiều thành phần có thể không hiện diện. Nhưng bất kể cấu trúc của chúng, tất cả các lớp vỏ đều phục vụ như một lớp da sống cho đất sa mạc.

Chúng cung cấp một bộ giáp bảo vệ cho đất, Ferran Garcia-Pichel, nhà vi sinh vật học tại Đại học bang Arizona ở Tempe, cho biết. Khi mới bắt đầu làm việc với sinh địa tầng khoảng hai thập kỷ trước, ông nhận thấy rất ít điều đã được biết về chúng. Trong Annual Review of Microbiology năm 2023, Garcia-Pichel đã trình bày những gì các nhà nghiên cứu đã học được về đất sinh địa tầng trong vài thập kỷ qua và những gì vẫn còn chưa rõ.

Trong 25 đến 30 năm này, chúng tôi đã tiến xa rất nhiều, ông nói.

Một điều mà nhiều nghiên cứu đã chỉ ra là sự gia tăng nhiệt độ và biến đổi lượng mưa là một mối đe dọa. Trong 65 năm tới, các mô hình dự đoán biến đổi khí hậu có thể làm giảm từ 25% đến 40% diện tích sinh địa tầng. Lớp vỏ này rất nhạy cảm với nhiệt độ cao và sự thay đổi trong lượng mưa – cả đợt hạn hán kéo dài và lượng mưa tăng đột biến đều có thể gây hại, tùy thuộc vào vị trí của chúng.

Những nỗ lực phục hồi sinh địa tầng

Sinh địa tầng xuất hiện khắp nơi trên thế giới, đặc biệt là ở các vùng khô hạn và bán khô hạn. Bản đồ này hiển thị sự phân bố hiện tại của sinh địa tầng, chiếm tổng cộng 12% diện tích đất trên toàn cầu. Các địa phương nơi các nhà nghiên cứu đã lấy mẫu sinh địa tầng được đánh dấu bằng dấu x màu đen. Nhiều khu vực có diện tích phủ sinh địa tầng lớn nhất, như Trung Á và khu vực Sahel của châu Phi, vẫn chưa được nghiên cứu rộng rãi.

Để chống lại sự suy giảm đó, các nhà sinh thái học như Reed, thuộc Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ở Moab, cùng đồng nghiệp đang cố gắng tìm cách phục hồi sinh địa tầng trong tự nhiên.

Tại những gì cô gọi là có thể là vườn ươm sinh địa tầng lớn nhất thế giới ngoài trời, Reed đang tập trung vào ba khía cạnh chính của việc phục hồi sinh địa tầng. Thành phần đầu tiên là tìm hiểu môi trường nào mà lớp vỏ này sẽ phát triển tốt nhất – và cũng quan trọng không kém là có thể di chuyển tốt. Ban đầu, các nhà nghiên cứu đã thành công lớn trong việc trồng sinh địa tầng trong nhà kính. Nhưng Reed cho rằng chúng được sống quá dễ dàng ở đó. Khi chuyển ra ngoài trời, lớp vỏ này gặp khó khăn để bám rễ. Một số lớp vỏ giờ đây đang được trồng trực tiếp ngoài trời: Chúng tôi đang cố gắng cho chúng có một môi trường phát triển nghiêm khắc hơn, cô nói. Khi ở ngoài trời, chúng trải qua các điều kiện môi trường thực tế hơn nhiều, mặc dù vẫn nhận được sự chăm sóc bổ sung từ nhóm thông qua tưới nước và tạo bóng râm.

Một nhánh khác trong công việc của Reed tại trang trại sinh địa tầng là tìm hiểu mức độ nguyên vẹn của cộng đồng sinh địa tầng để chúng có thể phát triển mạnh. Sinh địa tầng có tính totipotent, nghĩa là chỉ một phần nhỏ của nó cũng có thể phát triển thành lớp vỏ mới. Vì vậy, một cách để trồng sinh địa tầng ở những khu vực mới là nghiền nhỏ chúng và rải lên đất, giống như gieo hạt.

Tuy nhiên, trong tự nhiên, các thành phần của lớp vỏ có thể hỗ trợ nhau theo cách chưa rõ, nên Reed tự hỏi liệu sinh địa tầng có thể hưởng lợi từ việc được trồng như các cộng đồng lớn hơn, đã phát triển ổn định hơn. Chúng tôi đặt chúng vào những môi trường khắc nghiệt, gần như cô độc, và nói rằng, ‘Hãy sống và phát triển’, cô nói. Chúng tôi không thấy chúng phát triển như chúng tôi mong đợi.

Điều này dẫn các nhà nghiên cứu thử một phương pháp phục hồi mới lấy cảm hứng từ thảm cỏ. Đầu tiên, họ rải sinh địa tầng nghiền nhỏ lên một loại vải cỏ mỏng – một loại vải mỏng được các nhà làm vườn sử dụng. Sau khi lớp vỏ phát triển, họ cuộn chúng lại và trải ra ở điểm đích cuối cùng. Reed ngạc nhiên khi thấy chiến lược này thành công. Mặc dù cô lo rằng các cuộn vỏ sẽ bị rời rạc, chúng lại bám chặt và phát triển tốt trong môi trường mới. Phương pháp này có thể được áp dụng ở những điểm nhỏ như gần đường mòn, nhưng có lẽ không thể trên quy mô lớn trên toàn cảnh quan.

Ở nhánh thứ ba của nghiên cứu phục hồi tại trang trại sinh địa tầng, các nhà khoa học muốn biết liệu có các thành viên cụ thể trong cộng đồng sinh địa tầng có khả năng phục hồi tốt hơn trước biến đổi khí hậu. Để làm điều đó, Reed và Antoninka đã lấy mẫu

sinh địa tầng từ những khu vực nóng hơn, khô hơn – như một mô hình dự đoán cho các vùng đất khô hạn Tây Nam trong tương lai – và trồng chúng lại tại trang trại. Hiện tại, họ đang theo dõi cách lớp vỏ tiếp tục phát triển sau khi được chuyển đến các điểm phục hồi. Khi lớp vỏ phát triển, các nhà nghiên cứu sẽ tìm kiếm các loài, hoặc nguồn của cộng đồng sinh địa tầng, có khả năng phát triển tốt.

Hợp tác để phục hồi và bảo tồn sinh địa tầng

Reed, Antoninka và các nhà nghiên cứu khác hiện đang hợp tác với các nhà quản lý đất đai – bao gồm các công viên quốc gia, Cục Quản lý Đất đai và Dịch vụ Lâm nghiệp Hoa Kỳ – để áp dụng những hiểu biết về sinh địa tầng. Các mối quan hệ hợp tác rất, rất quan trọng, Antoninka cho biết – chẳng hạn, vườn ươm Moab là sự hợp tác giữa Đại học Bắc Arizona, Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên và một tổ chức phục hồi địa phương, Rim to Rim Restoration. Và bằng cách hợp tác với các nhà quản lý đất đai, Antoninka nói rằng có thể bao gồm các kế hoạch phục hồi sinh địa tầng trong các dự án phát triển tương lai sẽ làm xáo trộn đất.

Người dân ở các vùng khô hạn cũng có thể làm điều tương tự trong sân nhà của họ. Nếu chủ sở hữu đất đang lên kế hoạch cho một dự án sẽ phá bỏ hoặc xây dựng trên đất có lớp vỏ, họ chỉ cần thu thập lớp vỏ đó rồi cho vào một cái xô và giữ ở nơi khô ráo và mát mẻ, Antoninka cho biết. Sau đó, họ có thể rải lớp vỏ đó trở lại trên đất bị xáo trộn, hoặc ở nơi khác trong khuôn viên.

Những cách khác mà công chúng có thể giúp bảo tồn sinh địa tầng bao gồm đi lại trên đường mòn để tránh giẫm đạp lên chúng, và truyền bá thông tin về lớp vỏ này để nâng cao nhận thức. Nếu mọi người không biết đến sinh địa tầng, hệ sinh thái nhỏ bé dưới chân họ rất dễ bị bỏ qua.

Hãy cúi xuống và quan sát, Reed nói. Chúng tôi nghiên cứu chúng vì tầm quan trọng của chúng, nhưng vẻ đẹp và sự thú vị của chúng cũng đáng chú ý.