Азот в лесах и лугах переоценен, показывает новый глобальный анализ

Согласно новому исследованию, опубликованному в Nature, леса, луга и другие природные зоны по всему миру имеют доступ примерно на четверть меньше азота, чем считалось ранее.

Результаты, соавтором которых является эколог Института экосистемных исследований Кэри Сара Баттерман, имеют значение для природных климатических решений, поскольку азот необходим для роста растений и, следовательно, для удаления углерода из атмосферы.

«Мы обнаружили, что за пределами некоторых тропических лесов и засушливых районов количество азота, доступного растениям во многих природных зонах, было переоценено, — сказала Баттерман. — Наши результаты позволяют предположить, что на наземный поглотитель углерода в ряде биомов, включая прерии и умеренные леса, действуют ограничения по азоту».

Исследование было сосредоточено на азоте, доступном растениям благодаря биологической азотфиксации. В этом процессе микробы — часто живущие в симбиозе с растениями — превращают газообразный азот из воздуха в форму, которую растения могут использовать для роста и развития.

Например, азот является важнейшим компонентом хлорофилла — зеленого пигмента, который позволяет растениям преобразовывать углекислый газ в рост с помощью фотосинтеза. Этот углерод затем запасается в древесине, листьях, корнях и почвах.

Под руководством Карлы Рейс Эли из Ок-Риджского института науки и образования международная группа ученых количественно оценила глобальное распределение и величину наземной биологической азотфиксации как в природных, так и в сельскохозяйственных биомах.

Они обнаружили, что предыдущие оценки азотфиксации были искажены систематической ошибкой выборки. Полевые измерения азотфиксации часто проводились в природных зонах, где азотфиксирующие организмы в среднем встречались в 17 раз чаще, чем в среднем по миру, что привело к переоценке доступности азота.

В то время как большая часть исторических данных была основана на тропических лесах, новое исследование включает оценки биологической азотфиксации из ранее недостаточно представленных ниш — включая кустарники, травы, мхи, мертвую древесину и другие, — что помогло выявить «азотные оазисы и пустыни».

«Создав самую обширную базу данных по темпам биологической азотфиксации на суше и разработав новый биологически реалистичный алгоритм для масштабирования полевых измерений, — пояснила Баттерман, — мы подсчитали, что количество азота, фиксируемого микробами в природных наземных экосистемах, примерно на 25 миллионов тонн в год ниже, чем считалось ранее».

Недостающий азот эквивалентен примерно 113 полностью загруженным контейнеровозам.

Более точные данные о темпах биологической азотфиксации позволяют значительно улучшить модели, используемые для прогнозирования того, сколько углекислого газа поглощает наземная система и как на нее повлияет изменение климата, добавила Баттерман.

Анализ также выявил рост биологической азотфиксации в сельскохозяйственных системах, что может способствовать деградации качества земель, воздуха и воды.

Азотфиксирующие культуры, такие как соя и люцерна, поддерживают здоровье почвы и помогают производить продукты питания для растущего населения планеты, но в избытке азот может быть вреден. Команда оценила, что только сельскохозяйственные культуры (не включая химические удобрения) увеличили наземную биологическую азотфиксацию на 64% по сравнению с доиндустриальным уровнем.

«Избыток азота может просачиваться в грунтовые воды или попадать в озера и реки, вызывая цветение водорослей и нанося вред водным организмам», — сказала Рейс Эли, руководившая исследованием, когда была постдокторантом в Университете штата Орегон.

Кроме того, избыточный азот может превращаться в закись азота (N₂O), мощный парниковый газ, а высокий уровень азота может благоприятствовать быстрорастущим инвазивным растениям, которые вытесняют местные виды и снижают биоразнообразие.

Исследование «помогает нам понять, в какой степени мы изменили круговорот азота, превысив безопасные пределы воздействия человечества на азот», — сказала Баттерман.

Рейс Эли призвала к более последовательным измерениям и мониторингу биологической азотфиксации, «чтобы помочь нам обеспечить наличие всего необходимого азота в почве, не допуская, чтобы его стало слишком много».

За руководство работой над статьей Карла Рейс Эли получила Премию Джина Э. Лайкенса для молодых ученых за выдающуюся публикацию от Секции биогеонаук Экологического общества Америки.

Премия, названная в честь основателя Института Кэри Джина Лайкенса, соавтора открытия кислотных дождей, поощряет ученых на ранних этапах карьеры и отмечает выдающиеся работы в этой области.