Молодые тропические леса играют колоссальную роль в климатическом уравнении планеты, активно поглощая углекислый газ из атмосферы. Их способность быстро накапливать углерод в древесине особенно ценна в условиях растущих выбросов. Однако скорость этого природного процесса неодинакова и зависит от конкретных условий. Как выяснили учёные, критическим лимитирующим фактором для недавно восстановленных лесов является доступность обычного азота. Об этом сообщает Nature Communications.
Почему азот так важен для молодых деревьев
Рост любого растения — это сложный процесс, требующий солнечного света, воды и целого спектра питательных веществ из почвы. Азот среди них занимает особое место, так как является строительным материалом для хлорофилла и белков, то есть напрямую влияет на фотосинтез и формирование листвы. В тропических регионах, где земли часто расчищались под пастбища или поля, почва сильно деградирует. Азот вымывается дождями или улетучивается в атмосферу, что создаёт дефицит для новой растительности. Даже при обилии солнца и влаги деревья не могут расти быстро, а значит, и процесс связывания углерода тормозится.
Экологи давно предполагали, что потребность леса в питательных веществах меняется с его возрастом. Считалось, что на ранних стадиях восстановления может не хватать азота, а для зрелых экосистем лимитирующим фактором становится, например, фосфор. Однако проверить эту гипотезу на практике оказалось сложной задачей, требующей масштабного и длительного эксперимента в естественных условиях.
Масштабный эксперимент в панамских лесах
Чтобы получить однозначные ответы, международная команда исследователей под руководством Вэньгуаня Тана из Университета Лидса организовала уникальный эксперимент в Панаме. Учёные работали на 76 крупных участках, представлявших собой разные стадии лесовосстановления.
В их число вошли свежие пастбища, леса возрастом около 10 и 30 лет, а также нетронутые зрелые леса, служившие контрольной группой. На каждом участке в почву вносили разные комбинации удобрений: азот, фосфор, оба элемента вместе или не вносили ничего. На протяжении нескольких лет специалисты тщательно отслеживали рост и гибель десятков тысяч деревьев, фиксируя динамику накопления биомассы.
"Азот ограничивает то, как быстро молодые леса могут восстанавливаться. Когда мы добавили азот в почву, леса росли почти в два раза быстрее в первые 10 лет. Более быстрые темпы роста означают более быстрое поглощение углекислого газа, что может помочь нам еще на несколько лет сократить выбросы углерода", — отмечает старший автор исследования Сара Баттерман из Института исследований экосистем Кэри.
Результаты оказались впечатляющими и чёткими. В молодых лесах, особенно на бывших пастбищах, добавление азота вызвало резкий скачок роста. Надземная биомасса на таких участках увеличилась на 95%, а в 10-летних лесах — на 48%.
Ускоренный рост стволов и ветвей напрямую привёл к более быстрому связыванию атмосферного углерода. При этом удобрение в основном стимулировало рост, а не снижало смертность деревьев. Более сильные и быстрорастущие растения активнее конкурировали за свет, что приводило к естественному изреживанию, но общий запас углерода в экосистеме существенно возрастал.
Как меняется потребность леса с годами
Наиболее интересным открытием стала разная реакция лесов разного возраста. Если молодые посадки бурно откликались на добавку азота, то в лесах старше 30 лет такой эффект полностью отсутствовал. Это объясняется естественными процессами в экосистеме. Со временем в лесу появляются так называемые азотфиксирующие виды деревьев, которые в симбиозе с бактериями переводят азот из воздуха в доступные для растений формы почвенного азота. Таким образом, по мере взросления леса дефицит этого элемента постепенно сходит на нет, и его ограничивающая роль исчезает.
Неожиданностью для учёных стала и слабая реакция лесов на добавление фосфора, который традиционно считался главным лимитирующим питательным веществом для тропических лесов. Исследование не выявило чёткого дефицита фосфора ни в одной возрастной группе. По-видимому, тропические деревья обладают эффективными стратегиями для добычи этого элемента, например, выделяя специальные ферменты, которые высвобождают фосфор, связанный в почвенных минералах.
"Этот результат бросает вызов давней теории о том, что поглотители углерода в тропических лесах в корне ограничены доступностью фосфора", — заявил руководитель исследования Вэньгуань Тан.
Таким образом, в лесу формируется саморегулирующаяся система обратной связи между углеродом и азотом. Быстрое поглощение углерода в начале восстановления повышает спрос на азот. На этот спрос отвечают азотфиксаторы, обогащая почву. Когда азота становится достаточно, рост ускоряется, а необходимость в активной фиксации снижается. Этот цикл прекрасно объясняет, почему дефицит азота ощущается только на ранних, самых важных для связывания CO2 этапах.
Полученные данные имеют большое практическое значение. Подсчёты показывают, что из-за недостатка азота молодые тропические леса по всему миру могут недопоглощать от 470 до 840 миллионов тонн CO2 ежегодно. Это сопоставимо с выбросами от сотен миллионов автомобилей. При этом учёные категорически не предлагают массово удобрять леса азотом, ведь производство таких удобрений само по себе энергозатратно и создаёт парниковые газы.
Вместо этого они видят решение в грамотном управлении восстановлением. Например, можно целенаправленно высаживать в молодых лесах определённую долю азотфиксирующих видов деревьев. Другой перспективный подход — создание новых лесных массивов вблизи сельскохозяйственных угодий или городов, где уже существует избыточное загрязнение азотом. Деревья будут естественным образом поглощать этот излишек, очищая воду и воздух, и при этом активнее расти.
Ускорение восстановления лесов — не панацея и не альтернатива сокращению выбросов и переходу на чистую энергию. Однако в критические ближайшие десятилетия, пока глобальная экономика перестраивается, этот природный механизм может подарить человечеству драгоценное время, увеличив скорость поглощения углекислого газа в самый решающий период.
