有一種隱藏的污染物正在改變世界森林的呼吸方式

科學家將這一過程稱為“土壤呼吸”，它代表了地球上最大的碳流動之一。

新的研究表明，這種自然節律被一種日益增長且經常被忽視的污染形式所破壞：過量的氮。

氮污染正在蔓延到世界各地的森林

在一個涼爽的春天早晨，森林的地面可能顯得安靜而靜止。然而，在地表之下，數十億微生物正在努力分解樹葉、木材和其他有機材料。同時，幼根在生長和發揮作用時會釋放二氧化碳。

這些過程共同創造了地球和大氣之間的持續碳交換。

但幾十年來，森林受到越來越多的氮污染。化學肥料、車輛排放和工業活動將活性氮釋放到空氣中，其中大部分最終會透過雨、雪或空氣中的顆粒物返回地面。

自工業革命以來，人類活動使全球氮沉積量增加了近兩倍。

科學家早就知道過量的氮會影響森林生態系。目前尚不清楚的是，為什麼有些研究發現氮會增加土壤呼吸，而其他研究卻發現相反的效果。

解開古老森林之謎

為了調查這個問題，一個國際研究小組編制了有史以來用於研究土壤呼吸的最大數據集之一。

綜合分析：

• 已進行 168 項向世界各地的森林添加氮的實驗
• 3689 土壤自然呼吸的觀測
• 顯示氮氣有限和氮飽和森林的全球地圖
• 高分辨率氮沉積數據
• 自由基呼吸與微生物呼吸的測量

然後，團隊使用機器學習來模擬世界各地的森林如何回應增加的氮輸入。

他們的結論出乎意料地簡單：森林並不都以相同的方式相互作用。相反，他們通常遵循兩條不同路徑之一。

當氮充當肥料時

在氮缺乏的森林中，額外的氮最初可以刺激生物活動。

這些氮限制森林經常出現在北方地區和偏遠山區。

當有氮時，微生物變得更加活躍，根系生長得更快，有機物分解得更快。結果，土壤呼吸增加。

但好處不會無限期地持續下去。

隨著氮含量持續上升，正面影響開始消退。毒性可能會產生，容易獲得的碳源會被耗盡，土壤呼吸的增加最終會穩定下來，然後下降。

研究人員將這種模式描述為倒 U 形反應。土壤呼吸上升，達到峰值，然後開始下降。

當氮使森林超出其極限時

在氮含量已經很高的森林中，情況看起來非常不同。

在這些氮飽和的生態系中，額外的氮可能會使系統超出其耐受閾值。

微生物群落發生變化，敏感物種消失。細根萎縮或死亡。土壤酸度增加。

土壤呼吸不會表現出逐漸的反應，而是會急劇下降。

研究表明，這種突然下降在幾十年來遭受嚴重氮污染的地區很常見，包括歐洲部分地區、中國東部和美國東部。

因此，接受相似量氮的兩片森林可能會以截然不同的方式做出反應。一種可能會經歷土壤活性的增加，而另一種可能會經歷土壤活性的顯著減少。

隱藏的氣候聯繫

結果很重要，因為土壤呼吸在全球範圍內是巨大的。

研究人員估計，透過土壤呼吸釋放的碳是人類每年產生的化石燃料排放量的七到八倍。

即使相對較小的變化也會產生很大的影響。

總體而言，研究發現氮沉降使全球土壤呼吸增加約 5%。大多數森林的氮含量仍然有限，額外的氮可以繼續刺激生物活動。

然而，在氮飽和森林中觀察到的呼吸減少不一定是好消息。

這些地區土壤二氧化碳排放量的減少通常反映了根系活動的減少和微生物數量的減少。它們是健康生態系統的關鍵組成部分，在建立和維持土壤碳儲存方面發揮重要作用。

換句話說，二氧化碳排放量的減少有時可能表示生態系統復原力的喪失，而不是環境效益。

預測森林反應的新框架

透過將數千次觀察與數十年的生態研究結合，科學家們開發了一個新的框架，有助於解釋在世界各地觀察到的漸進且令人驚訝的反應。

框架包括：

• 生化前沿
• 某些類型的氮耐受性
• 群落組成的變化
• 環境轉折點
• 全球氮沉降模式

研究人員首次表示，他們可以更可靠地預測氮污染將如何影響全球土壤呼吸。

為什麼減少氮污染很重要？

由於對生物多樣性喪失和空氣品質的擔憂，減少氮污染的努力已經在進行中。

新發現指出了另一個重要的好處。

減少農業、運輸和工業的氮輸入有助於保護森林土壤中儲存的碳。

透過防止生態系統跨越氮飽和閾值，森林可能能夠更好地維持自然碳循環過程，並隨著氣候變遷的持續而保持彈性。

合作者：奧爾胡斯大學Land-CRAFT、史丹佛大學、中國哈爾濱國家林業和草原局、中國科學院西北太平洋國家實驗室、北京師範大學、馬斯特里赫特大學、SLAC國家加速器實驗室、杜克大學和卡爾斯魯厄理工學院。

資助: 這項工作得到了國家自然科學基金 (32430067, 32588202, 42141004) 和國家重點研發計劃 (2023YFF1305900, 2022YFF080210102) 的資助, 以及可持續農業未來撥款 20210102) 的資助