固氮树木可帮助热带森林更快生长并存储更多碳

热带森林是抗击气候变化的盟友。生长中的树木吸收碳排放并将其存储为木质生物量。结果,曾经被砍伐以进行伐木,采矿和农业活动的土地重新造林被视为锁定整个南美热带地区大量碳排放的有力工具。

但是,《自然通讯》上发表的新研究表明,热带森林锁定碳的能力取决于一群拥有独特才华的树木-能够从大气中固氮的能力。

该研究对热带森林在砍伐等干扰之后生长的树木物种混合如何影响森林的固碳能力进行了建模。研究小组发现,固定氮的树木可以在森林再生的前30年中使森林储存的碳量增加一倍。成熟时,固氮森林比不固氮森林吸收的碳多10%。

卡里生态系统研究所研究员,论文的合著者莎拉·巴特曼(Sarah Batterman)解释说:“我们希望利用这项工作来指导热带雨林造林,以优化碳的吸收和适应力。这需要了解需要什么样的树木混合才能使长久最大化长期储存碳,同时还能承受未来的气候条件。我们的发现表明,固氮树木是重新造林配方中的关键成分。”

固氮植物与土壤微生物合作,将大气中的氮气转化为可用于促进植物生长的氮素形式。通过这些相互作用,固氮剂能够自我受精。这种适应使它们在氮含量低的最近清除的,早先演替的热带土壤中具有优势。固着剂还可以在附近的植物脱落叶子并将氮返回土壤时帮助施肥。

在热带地区,固氮树很常见,但在新近恢复的森林中固氮树相对较少。它们的营养丰富的大种子通常被野生生物分散。当曾经生活在森林中的动物尚未归还时,使动物分散的种子在森林再生的早期阶段是不利的。作为造林工作的一部分,种植固定剂可以促进森林发展和碳积累。

巴特曼说:“要了解固氮树在热带森林中的功能,我们需要隔离它们的作用。我们不能在真正的森林中做到这一点,因为添加或移除树木会改变生态系统的其他方面,例如光的可用性,这将歪曲发现。测量还需要几十年到几个世纪。相反,我们开发了一个模型来量化影响森林生长和碳固存的生态系统过程,例如氮循环。”

固氮树木可帮助热带森林更快生长并存储更多碳
巴拿马因毁林而处于不同恢复阶段的一片热带雨林旁的牧场。为了保持该地区的牧场,每年必须多次砍伐树木幼苗。此图显示了如果树木有机会固氮的情况下树木恢复的速度。图片来源:莎拉·巴特曼(Sarah Batterman)

利用在巴拿马的112个热带森林地块收集的数据(包括关于13,000多棵树木的数据,这些树木的年龄在扰乱后的5到300年之间),研究小组开发了一个模型,该模型表示了土壤,植物和养分之间的相互作用单棵树的规模。该模型说明了植物之间在光和养分之间的竞争,植物与土壤之间的养分循环以及树木水平的固氮作用。

树木被分为四类,分别是森林再生的不同阶段,包括早,中,晚成功种,以及固氮剂。通过改变树木在模型中固定氮的能力,该团队能够预测森林中积碳的速度和积碳量。

巴特曼解释说:“与没有固氮剂的森林相比,拥有固氮树的森林在早期演替中生长更快,并且具有更高的碳储存潜力。遇到干扰时,它们的恢复速度也更快。”

为了量化热带森林中的氮循环,许多现有模型使用生态系统范围的参数(例如蒸散量和净初级生产量)估算固氮通量。这些模型往往高估了系统中的氮含量。

首席作者詹妮弗·莱维·瓦隆(Jennifer Levy-Varon)在普林斯顿大学担任博士后研究助理时从事这项研究,他说:“我们的模型是独特的,因为我们没有研究整个生态系统的过程,而是使用这些过程来估计氮通量,这使我们更准确地了解固氮剂对森林氮预算和相关碳固存的贡献。”

为了强调固氮树的重要性,研究团队使用他们的模型,根据波恩挑战赛承诺的种植面积,预测热带国家的重新造林地区可以储存多少额外的碳。

“波恩挑战是一项国际努力,到2030年要重新造林3.5亿公顷的土地。我们发现,通过在这些努力中加入固氮树,热带国家在未来20年中可以再吸收6.7Gt的二氧化碳。从这个数字来看,6.4Gt是2017年美国的二氧化碳当量总量。相当于行驶15.6万亿英里,相当于美国汽车排放量的5年,”巴特曼说。

普林斯顿大学生态与进化生物学教授合著者Lars Hedin总结说:“该模型使我们更加了解热带森林在全球碳循环中的重要性,以及它们在从大气中清除温室气体二氧化碳中的作用。”