Κατά τη διάρκεια των αιώνων, τα δάση ακολούθησαν έναν εξαιρετικά σταθερό ρυθμό. Κάτω από τα δέντρα, οι ρίζες και οι μικροσκοπικοί οργανισμοί απελευθερώνουν σταθερά διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρα καθώς διασπούν την οργανική ύλη και τροφοδοτούν την ανάπτυξη των φυτών.
Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτή τη διαδικασία αναπνοή του εδάφους και αντιπροσωπεύει τη μεγαλύτερη ροή άνθρακα της Γης.
Νέα έρευνα δείχνει ότι αυτός ο φυσικός ρυθμός διαταράσσεται από έναν αυξανόμενο και συχνά παραμελούμενο ρύπο: την περίσσεια αζώτου.
Η αζωτούχα ρύπανση φτάνει στα δάση παγκοσμίως
Ένα δροσερό ανοιξιάτικο πρωινό, ένα δάσος μπορεί να φαίνεται ήρεμο και ακίνητο. Ωστόσο, κάτω από την επιφάνεια, δισεκατομμύρια μικρόβια εργάζονται σκληρά αποσυνθέτοντας φύλλα, ξύλο και άλλη οργανική ύλη. Ταυτόχρονα, οι μικροσκοπικές ρίζες απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα καθώς μεγαλώνουν και λειτουργούν.
Μαζί, αυτές οι διαδικασίες δημιουργούν μια σταθερή ανταλλαγή άνθρακα μεταξύ της γης και της ατμόσφαιρας.
Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, ωστόσο, τα δάση έχουν εκτεθεί σε αυξανόμενες ποσότητες αζωτούχου ρύπανσης. Τα λιπάσματα, οι εκπομπές οχημάτων και οι βιομηχανικές δραστηριότητες απελευθερώνουν αντιδραστικό άζωτο στον αέρα, μεγάλο μέρος του οποίου επιστρέφει στο έδαφος μέσω της βροχής, του χιονιού ή των αιωρούμενων σωματιδίων.
Από τη Βιομηχανική Επανάσταση, οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν σχεδόν τριπλασιάσει την παγκόσμια εναπόθεση αζώτου.
Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι η περίσσεια αζώτου επηρεάζει τα δασικά οικοσυστήματα. Αυτό που ήταν ασαφές ήταν γιατί ορισμένες μελέτες βρήκαν ότι το άζωτο αύξησε την αναπνοή του εδάφους ενώ άλλες βρήκαν το αντίθετο αποτέλεσμα.
Επίλυση ενός μακροχρόνιου μυστηρίου των δασών
Για τη διερεύνηση, μια διεθνής ομάδα ερευνητών συγκέντρωσε ένα από τα μεγαλύτερα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν ποτέ για τη μελέτη της αναπνοής του εδάφους.
Συγκεντρωτική Ανάλυση:
- 168 προσθήκες αζώτου έχουν δοκιμαστεί σε δάση σε όλο τον κόσμο
- 3.689 παρατηρήσεις φυσικής αναπνοής του εδάφους
- Παγκόσμιος χάρτης που δείχνει δάση περιορισμένου αζώτου και κορεσμένα με άζωτο
- Δεδομένα εναπόθεσης αζώτου υψηλής ανάλυσης
- Μέτρηση τόσο της αναπνοής της ρίζας όσο και της μικροβιακής αναπνοής
Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε τη μηχανική μάθηση για να μοντελοποιήσει πώς τα δάση παγκοσμίως ανταποκρίνονται στις αυξημένες εισροές αζώτου.
Το συμπέρασμά τους ήταν εκπληκτικά απλό: τα δάση δεν αντιδρούν όλα με τον ίδιο τρόπο. Αντίθετα, ακολουθούν γενικά έναν από τους δύο διαφορετικούς δρόμους.
Όταν το άζωτο λειτουργεί ως λίπασμα
Σε δάση που έχουν έλλειψη αζώτου, η περίσσεια αζώτου μπορεί αρχικά να διεγείρει τη βιολογική δραστηριότητα.
Αυτά τα περιορισμένα σε άζωτο δάση βρίσκονται συχνά σε βόρειες περιοχές και απομακρυσμένα ορεινά τοπία.
Όταν υπάρχει διαθέσιμο άζωτο, τα μικρόβια γίνονται πιο ενεργά, οι ρίζες αναπτύσσονται πιο γρήγορα και η οργανική ύλη διασπάται πιο γρήγορα. Ως αποτέλεσμα, η αναπνοή του εδάφους αυξάνεται.
Όμως τα οφέλη δεν συνεχίζονται επ’ αόριστον.
Καθώς τα επίπεδα αζώτου αυξάνονται, τα θετικά αποτελέσματα αρχίζουν να εξασθενούν. Μπορεί να αναπτυχθεί τοξικότητα, οι διαθέσιμες πηγές άνθρακα εξαντλούνται και η αναπνοή του εδάφους σταματά πριν τελικά μειωθεί η ανάπτυξη.
Οι ερευνητές περιγράφουν αυτό το μοτίβο ως μια ανεστραμμένη απόκριση σε σχήμα U. Η αναπνοή του εδάφους αυξάνεται, φτάνει στο μέγιστο και στη συνέχεια αρχίζει να μειώνεται.
Όταν το άζωτο σπρώχνει τα δάση πέρα από τα όριά τους
Τα δάση που περιέχουν ήδη υψηλά επίπεδα αζώτου φαίνονται πολύ διαφορετικά.
Σε αυτά τα κορεσμένα με άζωτο οικοσυστήματα, η περίσσεια αζώτου μπορεί να ωθήσει το σύστημα πέρα από το όριο ανοχής του.
Αλλαγές στις μικροβιακές κοινότητες. Τα ευαίσθητα είδη εξαφανίζονται. Οι λεπτές ρίζες συρρικνώνονται ή σβήνουν. Η οξύτητα του εδάφους αυξάνεται.
Αντί να αντιδρά αργά, η αναπνοή του εδάφους μπορεί να μειωθεί γρήγορα.
Τέτοιες ξαφνικές μειώσεις είναι συχνές σε περιοχές που έχουν βιώσει έντονη ρύπανση από άζωτο για δεκαετίες, συμπεριλαμβανομένης της Ευρώπης, της ανατολικής Κίνας και των ανατολικών Ηνωμένων Πολιτειών, σύμφωνα με τη μελέτη.
Ως αποτέλεσμα, δύο δάση που λαμβάνουν την ίδια ποσότητα αζώτου μπορεί να ανταποκρίνονται με εντελώς διαφορετικούς τρόπους. Το ένα μπορεί να παρουσιάσει αύξηση στη δραστηριότητα του εδάφους, ενώ το άλλο μπορεί να παρουσιάσει σημαντική πτώση.
Μια κρυφή κλιματική σύνδεση
Τα αποτελέσματα είναι σημαντικά γιατί η αναπνοή του εδάφους είναι τεράστια παγκοσμίως.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι ο άνθρακας που απελευθερώνεται μέσω της αναπνοής του εδάφους είναι επτά έως οκτώ φορές μεγαλύτερος από τις ετήσιες εκπομπές ορυκτών καυσίμων που παράγονται από τον άνθρωπο.
Ακόμη και σχετικά μικρές αλλαγές μπορεί να έχουν σημαντικό αντίκτυπο.
Συνολικά, η μελέτη διαπίστωσε ότι η εναπόθεση αζώτου αυξάνει την παγκόσμια αναπνοή του εδάφους κατά περίπου 5%. Τα περισσότερα δάση είναι αρκετά περιορισμένα σε άζωτο που η περίσσεια αζώτου εξακολουθεί να διεγείρει τη βιολογική δραστηριότητα.
Ωστόσο, η μειωμένη αναπνοή σε δάση κορεσμένα με άζωτο δεν είναι απαραίτητα καλά νέα.
Οι χαμηλές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από το έδαφος σε αυτές τις περιοχές συχνά αντικατοπτρίζουν τη μειωμένη δραστηριότητα των ριζών και τη συρρίκνωση των μικροβιακών πληθυσμών. Αποτελούν βασικά συστατικά των υγιών οικοσυστημάτων και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία και διατήρηση αποθεμάτων άνθρακα στο έδαφος.
Με άλλα λόγια, οι χαμηλότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα μπορεί μερικές φορές να σηματοδοτούν μείωση της ανθεκτικότητας του οικοσυστήματος παρά περιβαλλοντικό όφελος.
Ένα νέο πλαίσιο για την πρόβλεψη απόκρισης των δασών
Συνδυάζοντας χιλιάδες παρατηρήσεις με δεκαετίες οικολογικής έρευνας, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο πλαίσιο που βοηθά στην εξήγηση τόσο των σταδιακών όσο και των απότομων αντιδράσεων που παρατηρούνται σε όλο τον κόσμο.
Το πλαίσιο περιλαμβάνει:
- Βιοχημικά όρια
- Ειδική ανοχή αζώτου στα είδη
- Αλλαγή της κοινοτικής δομής
- Περιβαλλοντικό σημείο καμπής
- Παγκόσμια πρότυπα εναπόθεσης αζώτου
Για πρώτη φορά, οι ερευνητές λένε ότι μπορούν να προβλέψουν πιο αξιόπιστα πώς η ρύπανση από άζωτο θα επηρεάσει την αναπνοή του εδάφους σε ολόκληρο τον πλανήτη.
Γιατί έχει σημασία η μείωση της ρύπανσης από άζωτο
Οι προσπάθειες για τη μείωση της ρύπανσης από άζωτο βρίσκονται ήδη σε εξέλιξη λόγω των ανησυχιών για την απώλεια βιοποικιλότητας και την ποιότητα του αέρα.
Τα νέα ευρήματα υποδηλώνουν ένα άλλο σημαντικό όφελος.
Η μείωση των εισροών αζώτου από τη γεωργία, τις μεταφορές και τη βιομηχανία μπορεί να συμβάλει στη διατήρηση του άνθρακα που αποθηκεύεται στα δασικά εδάφη.
Αποτρέποντας τα οικοσυστήματα να υπερβούν τα όρια κορεσμού αζώτου, τα δάση μπορούν να διατηρήσουν τις φυσικές διαδικασίες κύκλου άνθρακα και να παραμείνουν ανθεκτικά καθώς η κλιματική αλλαγή συνεχίζεται.
Συνεργάτες: Land-craft στο Aarhus University, Stanford University, National Forestry and Grassland Administration Harbin China, Pacific Northwest National Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Beijing Normal University, Maastricht University, SLAC National Accelerator Laboratory, Duke University and Karlsruhe Institute of Technology.
Χρηματοδότηση: Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε οικονομικά από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας (32430067, 32588202, 42141004) και το Εθνικό Πρόγραμμα Ε&Α της Κίνας (2023YFF1305900, 2022YFF080210102, Center for Landscape and Lands). Επιχορήγηση DNRF αριθμός P2 που έλαβε η Agricultural Futures (Land-Craft), KBB
