Når skovens stille åndedræt mister rytmen

En kølig forårsmorgen i skoven føles jorden blød under fødderne. Disen hænger mellem træstammerne, og luften dufter af våde blade og gammel humus. Det er en langsom form for alkymi, der holder skoven i live.

Under overfladen nedbryder milliarder af mikrober organisk materiale, og hårtynde rødder udånder små, regelmæssige pust af kuldioxid. Denne proces, kendt som jordrespiration, er en af de største kulstofstrømme på planeten, som regel så stabil, at den næsten føles som et jævnt hjerteslag.

Men i mange skove rundt om i verden er hjerteslaget ved at ændre sig.

I årtier har usynligt kvælstof fra landbrug, trafik og industri lagt sig over økosystemerne som et fint lag gødning. I starten kan kvælstof fremme vækst. Men i skove, der allerede er mættede med kvælstof, stiger risikoen for, at de biologiske fællesskaber og jordrespirationen kollapser.

Et nyt globalt studie, offentliggjort i Nature Communications, forklarer hvorfor og viser, at denne gradvise effekt kan være en af de mest oversete konsekvenser af menneskelig forurening.

Et globalt puslespil

Menneskelig aktivitet har tredoblet kvælstofnedfaldet siden den industrielle revolution. Gødning, udstødningsgasser og industrielle emissioner frigiver enorme mængder reaktivt kvælstof, hvoraf meget vender tilbage til jorden med regn, sne eller støv.

Forskere har længe vidst, at det påvirker vores skove, men de har også stået overfor et tilbagevendende spørgsmål:

Hvorfor øger kvælstofforurening jordrespirationen i nogle skove, men reducerer den i andre?

Tidligere studier pegede i modsatte retninger. Nogle viste dramatiske stigninger i CO₂, andre viste kraftige fald. Ingen enkelt forklaring kunne omfatte begge scenarier.

En global syntese, der ændrer feltet

For at finde svaret kombinerede et internationalt forskerhold data i hidtil uset mængde:

• 168 kvælstoftilførsel-eksperimenter i skove verden over
• 3.689 observationer af jordrespiration under naturlige forhold
• Et globalt kort over kvælstofbegrænsede vs. kvælstofmættede skove
• Højopløselige data for kvælstofnedfald
• Målinger af både rodrespiration og mikrobiel respiration

Ved hjælp af maskinlæring modellerede de, hvordan jordrespiration reagerer på kvælstof i alle verdens skovområder.

Resultatet: Skove følger ikke ét mønster, de følger to.

Mønster 1: Når kvælstof nærer jorden

I skoven med mangel på kvælstof, almindelige i boreale områder og afsides bjergregioner, virker lidt kvælstof som længe ventet næring. Mikrober formerer sig, rødder vokser kraftigere, nedbrydningen accelererer, og jordrespirationen stiger.

Men kun til et punkt.

Når kvælstofmængden øges, svækkes effekten. Toksicitet opbygges. Let tilgængeligt kulstof forbruges hurtigt. 

Det er den økologiske udgave af at "overgøde" en plante, så rødderne brændes af.

Mønster 2: Når kvælstof ødelægger systemet

I skove, der allerede er mættede med kvælstof, er reaktionen langt mere brat.

Yderligere kvælstof skubber økosystemer ud over deres tolerancegrænse. Mikrobielle samfund ændrer sig. Følsomme arter forsvinder. Fine rødder skrumper og dør. Jorden bliver mere sur. Og jordrespirationen falder ikke bare, den kollapser helt.

Disse pludselige skift er almindelige i regioner med årtier af massiv kvælstofforurening, herunder:

• dele af Europa
• det østlige Kina
• den østlige del af USA

I disse områder kan to skove, der modtager samme mængde kvælstof, reagere helt forskelligt: den ene "ånder" hurtigere, den anden markant langsommere.

Skjult klima-feedback

Jordrespiration er enorm, faktisk er den syv til otte gange større end menneskets samlede fossile CO₂-udledninger. Selv små ændringer er betydningsfulde.

Globalt viser studiet, at kvælstofnedfald øger jordrespirationen med omkring 5 %. De fleste skove er stadig så kvælstofbegrænsede, at tilført kvælstof øger jordens "stofskifte".

Men i mættede skove er kollapsende respiration ikke et godt tegn. Det afspejler ofte nedgang i mikrobiel biomasse og rodaktivitet, de processer, der bygger og stabiliserer jordens kulstoflager.

Der kan udledes mindre CO₂ fra disse områder, men jorden kan samtidig blive mindre robust.

Et samlet framework

Ved at kombinere tusindvis af datasæt og årtiers økologisk teori foreslår forskerne et framework, der forklarer både de gradvise og de pludselige reaktioner, der ses globalt.

Den inkluderer:

• biokemiske grænser
• arters tolerance over for kvælstof
• ændringer i sammensætning af samfund
• tipping points
• globale mønstre i kvælstofnedfald

For første gang kan forskere pålideligt forudsige, hvordan kvælstofforurening vil ændre jordrespiration i hele verdens skove.

Hvorfor det betyder noget

Reduktion af kvælstofforurening fra gødning, industri eller transport står allerede højt på dagsordenen for biodiversitet og luftkvalitet.

Dette studie tilføjer blot endnu en grund:

Lavere kvælstofniveauer kan hjælpe med at stabilisere skovenes jordkulstoflagre.

Ved at forhindre økosystemer i at krydse grænserne for kvælstofmætning kan vi hjælpe skove med at bevare deres naturlige respirationrytme og deres evne til at lagre kulstof i et klima i forandring.

Mere information

Samarbejdspartnere: Land-CRAFT ved Aarhus Universitet, Stanford Universitet, 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 og Karlsruhe Institute of Technology. 

Finansiering: Arbejdet bag den peer reviewed artikel blev finansielt støttet af National Natural Science Foundation of China (32430067, 32588202, 42141004) og det nationale kinesiske nøgleprogram for forskning og udvikling (2023YFF1305900, 2022YFF080210102), modtaget af N.H., samt Pioneer Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures (Land-CRAFT), DNRF bevillingsnummer P2, modtaget af K.B.B.

Interessekonflikt: Ingen

Læs mere: Publikationen: “A general framework for nitrogen deposition effects on soil respiration in global forests” er udgivet i tidsskriftet Nature Communications. Den er skrevet af Xiaoyu Cen, Peter Vitousek, Nianpeng He, Ben Bond-Lamberty, Shuli Niu, Enzai Du, Kailiang Yu, Mianhai Zheng, Kevin Van Sundert, Elizabeth L- Paulus, Liyin He, Li Xu, Mingxu Li og Klaus Butterbach-Bahl. 

Kontakt: Postdoc Xiaoyu Cen, Land-Craft, Aarhus Universitet. Mail: xcen@agro.au.dk 

Professor Klaus Butterbach-Bahl, Land-CRAFT, Aarhus Universitet. Tlf.: 93508238 eller mail: klaus.butterbach-bahl@agro.au.dk 

Kommunikationsrådgiver Camilla Brodam Galacho, Aarhus Universitet. Tlf.: 93522136 eller mail: brodam@agro.au.dk