7 Minutės
Nauji tyrimai rodo, kad klimato modeliai galėjo būti pernelyg optimistiški dėl to, kiek papildomos anglies augalai gali pašalinti iš atmosferos. Augalų augimo pagreitinimas dėl didesnio CO2 — vadinamasis CO2 tręšimo efektas — stipriai priklauso nuo dirvožemio azoto kiekio. Pastarųjų analizių duomenimis, daugelyje modelių natūralaus azoto prieinamumas buvo pervertintas, o tai sumažina numatomą anglies sekvestraciją augalijoje.
Kodėl azotas riboja augalų CO2 įsisavinimą
Augalams augti reikia ne tik anglies dioksido. Azotas yra vienas pagrindinių maistinių elementų, kurį dirvožemio mikroorganizmai turi paversti augalams prieinamomis formomis per procesą, vadinamą biologiniu azoto fiksavimu. Be pakankamo laisvai prieinamo azoto, lapai negali sintezuoti baltymų, chlorofilo ir fermentų, reikalingų spartesniam augimui, todėl padidėjęs oro CO2 nebūtinai virsta proporcingu anglies įsisavinimu.
Biologinis azoto fiksavimas apima kelias biochemines vietas: simbiotinį fiksavimą, kuris vyksta šaknų mazguose su plėšikais arba bakterijomis (pvz., Rhizobium) ir laisvai gyvenančių mikroorganizmų fiksavimą grimzdami į dirvožemį. Šie procesai kartu su mineralizacija, nitrifikacija ir denitrifikacija formuoja azoto prieinamumo spektrą. Jei modeliai pervertina natūralų azoto srautą ar fiksavimo spartą, jie neteisingai apskaičiuoja, kiek anglies gali būti ilgesniam laikotarpiui sulaikyta biomase ir dirvos organinėse medžiagose.
Tyrėjai, tarp jų mokslininkai iš Graz universiteto, nustatė, kad ankstesnės prielaidos apie natūralų azoto fiksavimą buvo per daug optimistiškos. Nors žemės ūkio kraštovaizdžiuose biologinis azoto fiksavimas pastaraisiais dviem dešimtmečiais iš tikrųjų padidėjo — maždaug 75 proc. — natūraliose buveinėse modeliai vis dar linkę pervertinti fiksavimo greičius. Ši neatitikimų reikšmė yra esminė, nes Žemės sistemos modeliai (ESM) įtraukia azoto ciklą prognozuodami augmenijos augimą ir anglies sekvestraciją.
Praktiniu požiūriu tai reiškia, kad ekosistemos, ypač miškingos ir pievų teritorijos, gali turėti mažesnį gebėjimą kompensuoti antropogenines emisijas, nei anksčiau manyta. Azoto ribojimas veikia tiek fotosintetinę medžiagų apykaitą, tiek ilgalaikį anglies stabilizavimą dirvoje — per sudėtingus organinės medžiagos skilimo ir humifikacijos procesus.
Ką naujasis tyrimas pakeitė modeliuose
Bendradarbiaujantis tyrimas, kurį vadovavo Sian Kou‑Giesbrecht iš Simon Fraser universiteto ir paskelbė žurnalas PNAS, palygino dabartinius empirinius biologinio azoto fiksavimo įverčius su reikšmėmis, kurias naudoja kelios plačiai taikomos Žemės sistemos modelių versijos. Tyrėjų komanda, kurioje dalyvavo ir Bettina Weber iš Graz universiteto, konstatavo, kad modeliai linkę pervertinti azoto fiksavimą natūraliose žemėse maždaug 50 proc.
Toks pervertinimas plinta per visą modelių prognozių grandinę: kai azoto įnašai yra mažesni nei manyta, CO2 tręšimo efektas susitraukia. PNAS analizė apskaičiavo, kad pataisius azoto prielaidas, tręšimo nauda sumažėja maždaug 11 proc. Tai reiškia, kad ekosistemos iš atmosferos panaikins mažiau CO2, nei rodo dalis dabartinių modelių projekcijų.
Be tiesioginio įtakos anglies ciklui, azoto ciklo tikslinimai turi ir kitų pasekmių biogeocheminiams srautams. Azoto perdirbimas dirvoje generuoja reaktyvias dujas, tokias kaip azoto oksidai (NOx) ir dinitrogeno oksidas (N2O). Pakeitimai fiksavimo greičiuose ir tolesnės transformacijos dirvos cheminėje sudėtyje koreguoja šių dujų srautus: tai gali tiesiogiai paveikti atmosferos chemiją, ozono sluoksnio tarpatutinius procesus ir klimato stiprinimą per šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas.
Modelių koregavimas taip pat reiškia, kad reikėtų atidžiau vertinti regioninį heterogeniškumą: skirtingose klimato juostose, dirvožemio tipuose ir augalijos bendrijose azoto ribojimas gali turėti labai nevienodą poveikį CO2 įsisavinimui. Pavyzdžiui, tolimesnėje tyrimų analizėje gali būti naudinga atskirti simbiotinį ir nesimbiotinį fiksavimą pagal augalų rūšis, dirvožemio organinę medžiagą ir mikrobiotinę bendriją.
Žemės sistemos modeliuose vienas svarbus techninis pakeitimas yra azoto įvesties laiko ir vietos detalizavimas: vietoje vienos vidutinės vertei dauguma modelių turėtų atsižvelgti į sezoninius, dirvos drėgmės ir temperatūros priklausomybės parametrus, taip pat į žemės ūkio praktikų ir tarptautinės trąšų politikos poveikį.
- Empiriniai duomenys rodo, kad natūralus azoto fiksavimas yra labiau priklausomas nuo vietos sąlygų nei buvo manyta.
- Žemės ūkio srityje fiksavimas išaugo dėl intensyvių augalų selekcijų ir tręšimo, tačiau tai nepadidina natūralių ekosistemų gebėjimo sugeriant CO2.
- Modelių pataisos sumažina CO2 tręšimo efektą ir didina neapibrėžtumą dėl N2O emisijų.
Pasekmės klimato prognozėms ir politikai
Žemės sistemos modeliai yra pagrindiniai įrankiai klimato vertinimams ir politikos formavimui. Atnaujinus azoto įnašus, pagerėja anglies ciklo projekcijų realistinis atspindys ir susiaurėja neapibrėžtumas dėl būsimos atmosferos CO2 trajektorijos. Tai taip pat parodo gamtos ribotumą emisijų kompensacijos mechanizme: jeigu ekosistemos sulaiko mažiau anglies nei tikėtasi, mitigacijos strategijos turi tai kompensuoti per spartesnį emisijų mažinimą ir tikslingą žemės valdymą.
Politikai ir sprendimų priėmėjai gauna aiškesnį signalą — negalima pasikliauti tik natūraliais anglies sugėrimo mechanizmais. Reikalingos integruotos priemonės: emisijų mažinimas energetikos ir transporto sektoriuose, tikslingos miškų atkūrimo programos, agroekologiniai žemės ūkio metodai, kurie didina dirvos organinę medžiagą ir gerina azoto ciklą be nereikalingo tręšimo.
Mokslininkai ragina modeliuotojus įtraukti atnaujintus empirinius duomenis apie biologinį azoto fiksavimą ir geriau atvaizduoti, kaip žemės naudojimas ir žemės ūkis keičia azoto srautus. Kaip tai apibendrina Bettina Weber: tikslesni azoto ciklai ESM modeliuose yra esminiai ne tik anglies biudžetams, bet ir todėl, kad pakeisti azoto kelių takai gali padidinti N2O, stipriai veikiančio šiltnamio dujos, emisijas.
Be politinių rekomendacijų, šie tyrimai turi reikšmingų padarinių moksliniams prioritetams. Tolesni stebėjimai ir eksperimentai turi apimti regionalinį azoto balanso matavimą, ilgalaikes lauko parengimo programas ir sinchronizuotus dirvožemio, augalų bei atmosferos stebėjimus. Tai padės susieti modelinius parametrus su realiais duomenimis ir sumažinti skirtumus tarp prognozių ir faktinio elgesio.
Techniniai niuansai ir papildomi efektai
Azoto ciklas ir jo įtaka anglies ciklui apima kelis tarpusavyje susijusius procesus:
- Biologinis azoto fiksavimas: simbiotinis ir nesimbiotinis mikrobiologinis azoto perėmimas iš atmosferos.
- Mineralizacija: organinio azoto pavertimas mineralinėmis formomis, kurių gali imtis augalai.
- Nitrifikacija ir denitrifikacija: procesai, kurie generuoja NOx ir N2O emisijas arba grąžina azotą į atmosferą kaip N2.
Modeliuojant šiuos procesus, svarbu atsižvelgti į mikrobiologinius veikimo greičius, dirvožemio temperatūros ir drėgmės priklausomybę bei organinės anglies ir azoto santykį (C:N). Didesnis dirvos anglies kiekis paprastai didina azoto mineralizaciją ir prieinamumą, tačiau šie efektai yra neriboti — be tinkamų sąlygų azoto įsisavinimas gali likti varžantis faktorius.
Be to, žemės ūkio praktikos, tokios kaip gėlių sėjimas, no‑till metodai, azoto trąšų naudojimo optimizavimas ir biologinių fiksatorių (pvz., sideratų, ankštinių augalų) diegimas, gali vietiškai padidinti azoto prieinamumą ir pagerinti anglies sulaikymą. Tačiau šie vietiniai sprendimai ne visada kompensuoja platesnį regionalinį ar globalinį azoto trūkumą, ypač natūraliuose buveinėse.
Dar vienas techninis aspektas — skirtingų modelių jautrumas azoto parametrams. Kai kurie ESM modeliai turi integruotus kompleksinius dirvožemio mikrobiomų modulio parametrus, o kiti remiasi supaprastintomis formulėmis. Tyrimas rodo poreikį harmonizuoti parametrus tarp modelių, remiantis platesniu empirinių stebėjimų rinkiniu.
Ekspertų įžvalgos
„Mūsų modeliai yra tokie geri, kiek geros yra juose įkoduotos procesų reprezentacijos,“ sako dr. Elena Márquez, hipotetinė žemės ekologė, turinti patirties anglies‑azoto modeliavime. „Atnaujinus azoto fiksavimo rodiklius, prognozės tampa tikslesnės ir padeda politikos formuotojams suprasti, kur gamtos buferinė geba baigiasi ir kur turi įsikišti žmogaus veikla.“
Įtraukiant mažesnį natūralų azoto prieinamumą į ESM modelius, galima tikėtis tankesnių, aiškesnių klimato prognozių ir geresnės informacijos klimato politikai, žemės valdymui bei žemės anglies sinko lūkesčiams. Tai reiškia, kad tiek mokslininkai, tiek sprendimų priėmėjai turės adaptuotis: vertinti tikslingesnes emisijų mažinimo priemones, skatinti atsinaujinančius energijos šaltinius ir diegti žemės valdymo praktikas, skirtas ilgalaikei dirvos anglies kaupimui be perteklinio azoto naudojimo.
Galiausiai, tai priminimas, kad anglies ir azoto ciklai yra glaudžiai susieti: tikslesnis vieno ciklo modeliavimas iš karto turi pasekmių kitiems biogeocheminiams srautams ir mūsų gebėjimui prognozuoti klimato ateitį. Todėl daugiadisciplininis požiūris — apimantis ekologiją, dirvožemio mokslus, atmosferos chemiją ir žemės ūkio praktiką — yra būtinas, kad modeliai atspindėtų realybę kuo tiksliau.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą