نکات کلیدی:
- پژوهشی جهانی نشان میدهد آلودگی نیتروژن میتواند «تنفس خاک» جنگلها را بسته به وضعیت اکوسیستم افزایش یا به شدت کاهش دهد.
- این مطالعه بر پایه ۱۶۸ آزمایش افزودن نیتروژن، ۳ هزار و ۶۸۹ مشاهده از تنفس طبیعی خاک و دادههای جهانی رسوب نیتروژن انجام شده است.
- در جنگلهای دچار کمبود نیتروژن، ورود نیتروژن ابتدا مانند کود عمل میکند و فعالیت ریشهها و میکروبها را افزایش میدهد.
- در جنگلهای اشباعشده از نیتروژن، ورود نیتروژن بیشتر میتواند اکوسیستم را از آستانه تحمل عبور دهد و باعث افت ناگهانی تنفس خاک شود.
- نتایج این پژوهش نشان میدهد کاهش آلودگی نیتروژن میتواند برای حفظ ذخیره کربن در خاک جنگلها و افزایش تابآوری آنها در برابر تغییرات اقلیمی ضروری باشد.
به گزارش پایگاه خبری گزارش سبز، پژوهشگران در یک تحلیل جهانی گسترده دریافتند که آلودگی نیتروژن میتواند ریتم طبیعی «تنفس» خاک جنگلها را تغییر دهد؛ فرایندی که یکی از بزرگترین جریانهای کربن در زمین محسوب میشود و نقش مهمی در ذخیره کربن و تابآوری جنگلها در برابر تغییرات اقلیمی دارد.
برای قرنها، جنگلها از ریتمی نسبتا پایدار پیروی کردهاند. در زیر درختان، ریشهها و موجودات میکروسکوپی با تجزیه مواد آلی و پشتیبانی از رشد گیاهان، به طور پیوسته دیاکسید کربن را به جو آزاد میکنند. دانشمندان این فرایند را «تنفس خاک» مینامند؛ فرایندی که بخش بزرگی از تبادل کربن میان خشکی و جو را شکل میدهد.
اما پژوهش تازه نشان میدهد این ریتم طبیعی در حال تاثیرپذیری از نوعی آلودگی رو به گسترش و کمتر دیدهشده است: نیتروژن اضافی.
آلودگی نیتروژن چگونه به جنگلها میرسد؟
در یک صبح خنک بهاری، کف جنگل ممکن است آرام و ساکت به نظر برسد؛ اما در زیر سطح خاک، میلیاردها میکروب در حال تجزیه برگها، چوب و سایر مواد آلی هستند. همزمان، ریشههای ریز در جریان رشد و فعالیت خود دیاکسید کربن آزاد میکنند. مجموع این فرایندها، تبادل مداوم کربن میان زمین و جو را رقم میزند.
با این حال، جنگلها طی دهههای گذشته در معرض افزایش آلودگی نیتروژن قرار گرفتهاند. کودهای کشاورزی، آلایندههای ناشی از حملونقل و فعالیتهای صنعتی، نیتروژن واکنشپذیر را وارد هوا میکنند. بخش زیادی از این نیتروژن در نهایت از طریق باران، برف یا ذرات معلق دوباره به سطح زمین بازمیگردد.
بر اساس این پژوهش، فعالیتهای انسانی از زمان انقلاب صنعتی تاکنون، میزان رسوب جهانی نیتروژن را حدود سه برابر کرده است.
دانشمندان از مدتها پیش میدانستند که نیتروژن اضافی بر اکوسیستمهای جنگلی اثر میگذارد. اما پرسش اصلی این بود که چرا برخی مطالعات نشان میدهند نیتروژن باعث افزایش تنفس خاک میشود، در حالی که برخی دیگر نتیجهای کاملا متفاوت و حتی معکوس گزارش کردهاند.
حل یک معمای قدیمی در جنگلها
برای بررسی این موضوع، یک تیم بینالمللی از پژوهشگران یکی از بزرگترین مجموعهدادههایی را گردآوری کرد که تاکنون برای مطالعه تنفس خاک استفاده شده است.
این تحلیل شامل ۱۶۸ آزمایش افزودن نیتروژن در جنگلهای مختلف جهان، ۳ هزار و ۶۸۹ مشاهده از تنفس طبیعی خاک، نقشههای جهانی جنگلهای دچار محدودیت نیتروژن و جنگلهای اشباعشده از نیتروژن، دادههای رسوب نیتروژن با تفکیکپذیری بالا و اندازهگیریهای مربوط به تنفس ریشهای و تنفس میکروبی بود.
پژوهشگران سپس با استفاده از یادگیری ماشین، واکنش جنگلهای جهان به افزایش ورودی نیتروژن را مدلسازی کردند.
نتیجه اصلی این تحلیل روشن بود: همه جنگلها به یک شکل به نیتروژن واکنش نشان نمیدهند. بر اساس یافتههای پژوهش، جنگلها معمولا یکی از دو مسیر متفاوت را دنبال میکنند.
وقتی نیتروژن مانند کود عمل میکند
در جنگلهایی که با کمبود نیتروژن روبهرو هستند، ورود نیتروژن اضافی میتواند در ابتدا فعالیت زیستی را تحریک کند.
این جنگلهای محدود از نظر نیتروژن، اغلب در مناطق شمالی، نواحی بورئال و چشماندازهای کوهستانی دورافتاده دیده میشوند.
در چنین اکوسیستمهایی، وقتی نیتروژن در دسترس قرار میگیرد، میکروبها فعالتر میشوند، ریشهها سریعتر رشد میکنند و مواد آلی با سرعت بیشتری تجزیه میشوند. نتیجه این فرایند، افزایش تنفس خاک است.
اما این اثر مثبت دائمی نیست. با ادامه افزایش سطح نیتروژن، اثرات مثبت آن کاهش مییابد. سمیت میتواند شکل بگیرد، منابع کربنی در دسترس مصرف و تخلیه میشوند و افزایش تنفس خاک پس از رسیدن به یک سطح مشخص، متوقف شده و سپس روندی نزولی پیدا میکند.
پژوهشگران این الگو را «واکنش U وارونه» توصیف کردهاند؛ یعنی تنفس خاک ابتدا افزایش مییابد، سپس به اوج میرسد و در نهایت کاهش پیدا میکند.
وقتی نیتروژن جنگلها را از آستانه تحمل عبور میدهد
وضعیت در جنگلهایی که از قبل دارای سطح بالای نیتروژن هستند، کاملا متفاوت است. در این اکوسیستمهای اشباعشده از نیتروژن، ورود نیتروژن اضافی میتواند سامانه طبیعی جنگل را از آستانه تحمل خود عبور دهد.
در چنین شرایطی، جوامع میکروبی تغییر میکنند، گونههای حساس از بین میروند، ریشههای ظریف کوچک میشوند یا میمیرند و اسیدیته خاک افزایش مییابد.
در نتیجه، تنفس خاک به جای آنکه به صورت تدریجی تغییر کند، ممکن است به طور ناگهانی کاهش یابد.
بر اساس این مطالعه، چنین افت ناگهانی در مناطقی رایجتر است که برای دههها در معرض آلودگی شدید نیتروژن بودهاند؛ از جمله بخشهایی از اروپا، شرق چین و شرق ایالات متحده.
به همین دلیل، دو جنگل که مقدار مشابهی نیتروژن دریافت میکنند، ممکن است واکنشهایی کاملا متفاوت نشان دهند. در یک جنگل، فعالیت خاک افزایش مییابد؛ اما در جنگل دیگر، تنفس خاک میتواند با افتی چشمگیر روبهرو شود.
ارتباط پنهان با تغییرات اقلیمی
اهمیت این یافتهها از آنجا ناشی میشود که تنفس خاک در مقیاس جهانی بسیار بزرگ است. پژوهشگران تخمین میزنند کربنی که از طریق تنفس خاک آزاد میشود، هفت تا هشت برابر بیشتر از انتشار سالانه سوختهای فسیلی ناشی از فعالیتهای انسانی است. بنابراین حتی تغییرات نسبتا کوچک در این فرایند نیز میتواند پیامدهای مهمی برای چرخه کربن داشته باشد.
در مجموع، این مطالعه نشان میدهد رسوب نیتروژن تنفس جهانی خاک را حدود ۵ درصد افزایش میدهد. دلیل این موضوع آن است که بیشتر جنگلهای جهان هنوز به اندازهای با محدودیت نیتروژن روبهرو هستند که ورود نیتروژن اضافی بتواند فعالیت زیستی آنها را تحریک کند.
اما کاهش تنفس خاک در جنگلهای اشباعشده از نیتروژن، الزاما خبر خوبی نیست.
انتشار کمتر دیاکسید کربن از خاک در این مناطق اغلب نشانه کاهش فعالیت ریشهها و کوچک شدن جمعیتهای میکروبی است. این دو عامل از اجزای اصلی سلامت اکوسیستم به شمار میروند و در ایجاد و حفظ ذخایر کربن خاک نقش مهمی دارند.
به بیان دیگر، کاهش خروج دیاکسید کربن از خاک در برخی موارد میتواند نشانه از دست رفتن تابآوری اکوسیستم باشد، نه یک مزیت زیستمحیطی.
چارچوبی تازه برای پیشبینی واکنش جنگلها
پژوهشگران با ترکیب هزاران مشاهده و چندین دهه پژوهش بومشناختی، چارچوب تازهای ارائه کردهاند که میتواند هم واکنشهای تدریجی و هم واکنشهای ناگهانی جنگلها به آلودگی نیتروژن را توضیح دهد.
این چارچوب شامل محدودیتهای زیستشیمیایی، میزان تحمل گونههای مختلف نسبت به نیتروژن، تغییر در ترکیب جوامع زیستی، نقاط عطف اکولوژیک و الگوهای جهانی رسوب نیتروژن است.
به گفته پژوهشگران، این چارچوب برای نخستین بار امکان پیشبینی قابل اعتمادتر اثر آلودگی نیتروژن بر تنفس خاک را در مقیاس جهانی فراهم میکند.
چرا کاهش آلودگی نیتروژن اهمیت دارد؟
تلاشها برای کاهش آلودگی نیتروژن از پیش آغاز شده است؛ زیرا این نوع آلودگی با از بین رفتن تنوع زیستی و کاهش کیفیت هوا ارتباط دارد.
یافتههای تازه نشان میدهد کاهش آلودگی نیتروژن یک مزیت مهم دیگر نیز دارد: حفاظت از کربن ذخیرهشده در خاک جنگلها.
کاهش ورودی نیتروژن از بخشهای کشاورزی، حملونقل و صنعت میتواند مانع عبور اکوسیستمها از آستانه اشباع نیتروژن شود. در نتیجه، جنگلها توان بیشتری برای حفظ چرخه طبیعی کربن و تابآوری در برابر تغییرات اقلیمی خواهند داشت.
