نقش نیتروژن در جذب کربن گیاهی: بازبینی مدل های اقلیمی

تحقیقات جدید نشان می‌دهد مدل‌های اقلیمی درباره میزان ظرفیت اضافی جذب کربن توسط گیاهان بیش از حد خوشبین بوده‌اند. افزایش رشد گیاهان ناشی از افزایش CO2 — که به آن «اثر کود CO2» گفته می‌شود — به شدت به نیتروژن خاک وابسته است. تحلیل‌های اخیر نشان می‌دهد در بسیاری از مدل‌ها دسترسی طبیعی به نیتروژن بیش از حد برآورد شده بود و این موضوع باعث کاهش انتظار از جذب کربن توسط پوشش گیاهی شده است. این یافته‌ها پیامدهای مهمی برای پیش‌بینی‌های چرخه کربن، طراحی سیاست‌های کاهش انتشار و برنامه‌ریزی مدیریت زمین دارد؛ زیرا دقت در پیش‌بینی ظرفیت سینک کربن زمینی برای تعیین سهم طبیعت در جبران انتشارهای انسانی حیاتی است.

چرا نیتروژن جذب CO2 توسط گیاهان را محدود می‌کند

گیاهان برای رشد فقط به دی‌اکسیدکربن نیاز ندارند. نیتروژن یک عنصر مغذی حیاتی است که باید توسط میکروب‌های خاک به فرم‌های قابل استفاده گیاهی تبدیل شود؛ فرآیندی که به آن «تثبیت بیولوژیک نیتروژن» گفته می‌شود. بدون نیتروژن قابل دسترس کافی، برگ‌ها نمی‌توانند پروتئین‌ها و آنزیم‌های لازم برای رشد سریع‌تر را بسازند و افزایش CO2 هوا به‌صورت متناسب به جذب کربن بیشتر ترجمه نمی‌شود. این محدودیتِ نیتروژن، به‌خصوص در اکوسیستم‌های طبیعی با خاک‌های فقیر از نظر مواد مغذی، اثر بزرگی بر ظرفیت «سینک کربن» جنگل‌ها و مراتع دارد. از دیدگاه فیزیولوژی گیاهی، نسبت کربن به نیتروژن (C:N) در بافت گیاهی و در خاک نشان‌دهنده توانایی فتوسنتز و تقسیم منابع برای ساخت بافت جدید است؛ زمانی که نیتروژن محدود است، گیاهان نمی‌توانند از مزیت افزایش گاز CO2 استفاده کامل کنند و کارایی ذخیره کربن کاهش می‌یابد.

تحقیقات که شامل دانشمندانی از University of Graz نیز می‌شد نشان داد فرضیات قبلی درباره میزان تثبیت طبیعی نیتروژن بیش از حد تخمین زده شده بود. در چشم‌اندازهای کشاورزی، تثبیت بیولوژیک نیتروژن در واقع افزایش یافته — تقریبا 75 درصد در دو دهه گذشته — اما روی سطوح طبیعی مدل‌ها هنوز نرخ‌های تثبیت را بیش از اندازه برآورد می‌کنند. این تفاوت اهمیت دارد زیرا مدل‌های سامانه زمین (Earth System Models یا ESMs) چرخه نیتروژن را هنگام پیش‌بینی رشد پوشش گیاهی و ذخیره‌سازی کربن وارد می‌کنند و هر اشتباهی در ورودی‌های نیتروژن می‌تواند پیش‌بینی جذب کربن را به شدت تغییر دهد. علاوه بر این، تنوع فرایندهای تثبیت نیتروژن شامل تثبیت همزیستی در ریشه لگوم‌ها، میکروب‌های آزاد زی و تبدیل‌های شیمیایی خاک است که هم از نظر مکانی و هم زمانی متغیرند؛ مدل‌ها اگر این ناهمگنی را نادیده بگیرند، دسترسی نیتروژن را غلط تخمین می‌زنند.

آنچه مطالعه جدید در مدل‌ها تغییر داد

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

ریزجانداران تثبیت کننده نیتروژن زیر یخ های قطبی

دانشمندان جوامع میکروبی شگفت‌آور را در زیر یخ‌های دریای آرکتیک کشف کرده‌اند — موجوداتی که ابزارهای...

یک مطالعه مشترک به رهبری Sian Kou‑Giesbrecht در Simon Fraser University و منتشرشده در PNAS، برآوردهای تجربی کنونی تثبیت بیولوژیک نیتروژن را با مقادیر به‌کاررفته در چندین مدل پرکاربرد سامانه زمین مقایسه کرد. تیم تحقیقاتی که Bettina Weber از University of Graz نیز در آن حضور داشت، نتیجه گرفت که مدل‌ها تمایل دارند تثبیت نیتروژن در زمین‌های طبیعی را حدود 50 درصد بیش از حد برآورد کنند. این شکاف ناشی از ترکیبی از داده‌های ورودی ناکافی، نحوه مدل‌سازی گیاهان و میکروب‌های خاک، و عدم نمایش دقیق تغییرات مکانی و زمانی فرایندهای بیولوژیک است؛ به‌ویژه اینکه بسیاری از ESMها از پارامترهای کلان‌شماری شده یا داده‌های میانگین‌شده برای مناطق وسیع استفاده می‌کنند که نمی‌تواند تنوع محلی را منعکس کند.

این برآورد بیش از حد در پیش‌بینی‌های مدل‌ها انتشار می‌یابد: زمانی که ورودی‌های نیتروژن کمتر از حد فرض‌شده باشند، اثر کود CO2 کوچک‌تر می‌شود. تحلیل منتشرشده در PNAS تخمین می‌زند که اصلاح فرضیات نیتروژن باعث کاهش سود حاصل از اثر کود CO2 به‌میزان تقریبی 11 درصد می‌شود. به عبارت عملی، این بدان معناست که اکوسیستم‌ها احتمالاً CO2 کمتری از جو جذب خواهند کرد تا آنچه بعضی از پیش‌بینی‌های فعلی مدل‌ها نشان می‌دهند، و بنابراین تراز کربن زمین برای دهه‌های آینده می‌تواند کمتر خوشبینانه باشد. برای نمونه، در مناطقی که قبلاً پیش‌بینی شده بود جنگل‌ها یا مراتع بتوانند مقدار قابل‌توجهی از انتشارهای انسانی را جذب کنند، اکنون ممکن است بازنگری در نقش آنها و نیاز به اقدامات جبرانی قوی‌تر در بخش انرژی لازم باشد.

علاوه بر این، تأثیرات ثانویه‌ای نیز وجود دارد. چرخه نیتروژن تولید گازهای واکنش‌پذیر مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx) و اکسید نیتروز (N2O) را افزایش یا کاهش می‌دهد. تغییرات در تثبیت و تبدیل‌های بعدی در شیمی خاک، جریان‌های این گازها را تحت تأثیر قرار می‌دهد که می‌تواند به‌طور مستقیم شیمی اتمسفر، تخریب اوزون محلی، و نیروگذاری اقلیمی را تغییر دهد. بنابراین، دقت در نمایش چرخه نیتروژن در مدل‌ها نه فقط برای بودجه کربن بلکه برای پیش‌بینی انتشار گازهای گلخانه‌ای و ارزیابی اثرات اقلیمی گسترده‌تر حیاتی است. همچنین، تعامل بین مدیریت کشاورزی (مانند استفاده کود نیتروژنه)، تغییر کاربری زمین و تاب‌آوری اکوسیستم‌ها از جنبه‌های کلیدی است که می‌تواند هم جذب کربن و هم انتشار N2O را تحت تأثیر قرار دهد و باید در سیاست‌های کاهش انتشار لحاظ شود.

پیامدها برای پیش‌بینی‌های اقلیمی و سیاست‌گذاری

مدل‌های سامانه زمین ابزارهای مرکزی برای ارزیابی اقلیمی و سیاست‌گذاری‌اند. بازبینی ورودی‌های نیتروژن واقع‌گرایانه‌تر بودن پیش‌بینی‌های چرخه کربن را افزایش می‌دهد و عدم‌قطعیت حول مسیرهای آینده CO2 جوی را کاهش می‌دهد. این بازنگری همچنین محدودیت‌های اتکا صرف به طبیعت برای جبران انتشارها را روشن می‌کند: اگر اکوسیستم‌ها کمتر از حد انتظار کربن جذب کنند، سیاست‌های کاهش انتشار باید با سرعت بیشتری اجرا شوند و استراتژی‌های مدیریت زمین هدفمندتر شوند تا از دستاوردهای مورد نیاز برای رسیدن به اهداف اقلیمی حمایت کنند. از منظر بودجه کربن و برنامه‌ریزی ملی، این موضوع بر تعهدات مندرج در NDCها و سیاست‌های کاهش انتشار اثر مستقیم دارد؛ به‌علاوه برای سرمایه‌گذاری در پروژه‌های جبران کربن مانند بازکاشت جنگل‌ها یا پروژه‌های مبتنی بر کشاورزی پایدار نیاز به بازنگری واقع‌بینانه‌تری وجود دارد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

غلظت های بی سابقه گازهای گلخانه ای در ۲۰۲۴؛ پیامدها و راهبردها

غلظت گازهای گلخانه‌ای در جو زمین در سال ۲۰۲۴ به سطوحی بی‌سابقه رسید که خطرات گرمایش...

دانشمندان از مدل‌سازان می‌خواهند داده‌های تجربی به‌روز درباره تثبیت بیولوژیک نیتروژن را وارد مدل‌ها کنند و بهتر نشان دهند چگونه استفاده از زمین و فعالیت‌های کشاورزی جریان‌های نیتروژن را تغییر می‌دهند. همان‌طور که Bettina Weber خلاصه می‌کند: «چرخه‌های دقیق‌تر نیتروژن در ESMها ضروری است، نه تنها برای بودجه‌های کربن، بلکه به‌دلیل اینکه مسیرهای تغییر یافته نیتروژن می‌توانند انتشار N2O، یک گاز گلخانه‌ای قوی، را افزایش دهند.» به‌علاوه، افزایش اندازه و پراکندگی شبکه‌های اندازه‌گیری میدانی، داده‌های ماهواره‌ای با وضوح بالاتر، و توسعه سنجه‌های جدید برای فعل و انفعالات خاک-گیاه می‌تواند به کاهش عدم‌قطعیت کمک کند. این رویکرد چندمنظوره همچنین باید شامل سناریوهای سیاستی برای مدیریت کود، حفاظت از خاک و ارتقای تنوع زیستی باشد تا همزمان اهداف کربنی و کاهش انتشار گازهای نیتروژنی محقق شود.

تحلیل کارشناسی

«مدل‌های ما تنها به‌اندازه فرایندهایی که رمزگذاری می‌کنند خوب هستند» می‌گوید دکتر Elena Márquez، اکولوژیست خاک-زمینی خیالی با تجربه در مدل‌سازی کربن-نیتروژن. او اضافه می‌کند: «به‌روزرسانی نرخ‌های تثبیت نیتروژن، پیش‌بینی‌ها را پالایش می‌کند و به سیاست‌گذاران نشان می‌دهد ظرفیت بافری طبیعت کجا به پایان می‌رسد و کجا اقدامات انسانی باید آغاز شود.» این بینش نشان می‌دهد که چگونه داده‌های میدانی، آزمایشگاه و سنجش از دور باید در هم ادغام شوند تا مدل‌های اقلیمی کارآمدتر و قابل‌اعتمادتر شوند؛ همچنین اهمیت همکاری بین دانشمندان رشته‌های مختلف، مدیران محیط‌زیست و مسئولان سیاست‌گذاری برای اجرای راه‌حل‌های عملی را برجسته می‌سازد.

به‌روزرسانی مدل‌های سامانه زمین برای بازتاب دسترسی کمتر طبیعی به نیتروژن، پیش‌بینی‌های اقلیمی را تیزتر می‌کند و اطلاعات بهتری برای سیاست‌گذاری اقلیمی، مدیریت زمین و انتظارها از سینک کربن زمینی فراهم می‌آورد. افزون بر این، اقداماتی نظیر مدیریت هوشمند کود در کشاورزی، احیای اکوسیستم‌ها، و حفاظت از خاک می‌تواند همزمان ظرفیت جذب کربن را افزایش و انتشار گازهای نیتروژنی را کنترل کند؛ اما این اقدامات نیاز به طراحی دقیق دارند تا از افزایش ناخواسته انتشار N2O جلوگیری شود. در نهایت، ترکیب تحقیقات میدان‌محور، به‌روزرسانی پارامترهای مدل‌ها و تدوین سیاست‌های هوشمند مدیریت زمین می‌تواند به کاهش شکاف بین پیش‌بینی‌های مدل‌ها و واقعیت‌های اکوسیستمی کمک کند و راه‌حل‌های عملی برای کاهش تغییرات اقلیمی فراهم آورد.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

نانو سلنیوم در برنج: کاهش کود نیتروژنی و افزایش پایداری

پژوهشگرانی از دانشگاه ماساچوست امهرست و دانشگاه جیان‌نان گزارش داده‌اند که یک روش آزموده‌شده در مزرعه...