Per secoli, le foreste hanno seguito un ritmo straordinariamente costante. Sotto gli alberi, radici e organismi microscopici rilasciano costantemente anidride carbonica nell’atmosfera, decomponendo la materia organica e alimentando la crescita delle piante.
Gli scienziati chiamano questo processo respirazione del suolo e rappresenta uno dei più grandi flussi di carbonio sulla Terra.
Nuove ricerche suggeriscono che questo ritmo naturale viene alterato da una forma di inquinamento crescente e spesso trascurata: l’eccesso di azoto.
L’inquinamento da azoto sta raggiungendo le foreste di tutto il mondo.
In una fresca mattina di primavera, il suolo di una foresta può apparire calmo e immobile. Eppure, sotto la superficie, miliardi di microbi sono al lavoro per decomporre foglie, legno e altra materia organica. Allo stesso tempo, minuscole radici rilasciano anidride carbonica mentre crescono e svolgono le loro funzioni.
Complessivamente, questi processi creano un costante scambio di carbonio tra la terra e l’atmosfera.
Da decenni, tuttavia, le foreste sono esposte a quantità crescenti di inquinamento da azoto. Fertilizzanti, emissioni dei veicoli e attività industriali rilasciano azoto reattivo nell’aria, gran parte del quale ritorna poi al suolo sotto forma di pioggia, neve o particelle sospese nell’aria.
Dalla Rivoluzione Industriale, le attività umane hanno triplicato all’incirca la deposizione globale di azoto.
Gli scienziati sanno da tempo che l’eccesso di azoto influisce sugli ecosistemi forestali. Ciò che non era ancora chiaro era perché alcuni studi avessero riscontrato un aumento della respirazione del suolo dovuto all’azoto, mentre altri avessero rilevato l’effetto opposto.
Risolvere un mistero di lunga data nella foresta
Per condurre questa ricerca, un team internazionale di ricercatori ha assemblato uno dei più grandi set di dati mai utilizzati per studiare la respirazione del suolo.
L’analisi complessiva:
- 168 esperimenti di aggiunta di azoto condotti in foreste di tutto il mondo
- 3.689 osservazioni sulla respirazione naturale del suolo
- Mappe globali che mostrano le foreste con limitazione di azoto e quelle con saturazione di azoto.
- Dati ad alta risoluzione sulla deposizione di azoto
- Misurazioni sia della respirazione radicale che della respirazione microbica.
Il team ha quindi utilizzato l’apprendimento automatico per modellare la risposta delle foreste di tutto il mondo all’aumento degli apporti di azoto.
La loro conclusione è stata sorprendentemente semplice: le foreste non reagiscono tutte allo stesso modo. In genere, seguono uno di due percorsi distinti.
Quando l’azoto agisce come un fertilizzante
Nelle foreste dove l’azoto è scarso, l’apporto aggiuntivo di azoto può inizialmente stimolare l’attività biologica.
Queste foreste con carenza di azoto si trovano spesso nelle regioni boreali e nei paesaggi montani remoti.
Quando l’azoto diventa disponibile, i microbi diventano più attivi, le radici crescono più velocemente e la sostanza organica si decompone più rapidamente. Di conseguenza, la respirazione del suolo aumenta.
Ma i benefici non durano indefinitamente.
Con l’aumento dei livelli di azoto, gli effetti positivi iniziano ad affievolirsi. Può svilupparsi tossicità, le fonti di carbonio facilmente disponibili si esauriscono e l’aumento della respirazione del suolo alla fine si stabilizza prima di diminuire.
I ricercatori descrivono questo andamento come una risposta a forma di U rovesciata. La respirazione del suolo aumenta, raggiunge un picco e poi inizia a diminuire.
Quando l’azoto spinge le foreste oltre i loro limiti
La situazione appare molto diversa nelle foreste che contengono già alti livelli di azoto.
In questi ecosistemi saturi di azoto, un ulteriore apporto di azoto può spingere il sistema oltre la sua soglia di tolleranza.
Le comunità microbiche cambiano. Le specie sensibili scompaiono. Le radici sottili si restringono o muoiono. L’acidità del suolo aumenta.
Anziché mostrare una risposta graduale, la respirazione del suolo può diminuire bruscamente.
Secondo lo studio, questo tipo di declino improvviso è comune nelle regioni che hanno subito un forte inquinamento da azoto per decenni, tra cui alcune zone d’Europa, la Cina orientale e gli Stati Uniti orientali.
Di conseguenza, due foreste che ricevono quantità simili di azoto possono reagire in modi completamente diversi. Una può sperimentare un aumento dell’attività del suolo, mentre l’altra può subire un forte declino.
Una connessione climatica nascosta
Questi risultati sono importanti perché la respirazione del suolo è enorme su scala globale.
I ricercatori stimano che il carbonio rilasciato attraverso la respirazione del suolo sia da sette a otto volte superiore alle emissioni annuali di combustibili fossili prodotte dall’uomo.
Anche cambiamenti relativamente piccoli possono avere implicazioni significative.
Complessivamente, lo studio ha rilevato che la deposizione di azoto aumenta la respirazione globale del suolo di circa il 5%. La maggior parte delle foreste rimane sufficientemente limitata dall’azoto, pertanto un apporto aggiuntivo di azoto continua a stimolare l’attività biologica.
Tuttavia, il calo della respirazione osservato nelle foreste sature di azoto non è necessariamente una buona notizia.
Le minori emissioni di anidride carbonica dal suolo in queste aree spesso riflettono un’attività radicale in declino e una riduzione delle popolazioni microbiche. Questi sono elementi chiave per ecosistemi sani e svolgono un ruolo importante nella formazione e nel mantenimento delle riserve di carbonio nel suolo.
In altre parole, una minore emissione di anidride carbonica può talvolta segnalare una perdita di resilienza dell’ecosistema piuttosto che un beneficio ambientale.
Un nuovo modello per prevedere le risposte delle foreste
Combinando migliaia di osservazioni con decenni di ricerca ecologica, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo modello che aiuta a spiegare sia le risposte graduali che quelle improvvise osservate in tutto il mondo.
Il quadro di riferimento comprende:
- Limiti biochimici
- tolleranza all’azoto specifica per specie
- Cambiamenti nella composizione della comunità
- Punti di svolta ecologici
- Modelli globali di deposizione di azoto
Per la prima volta, i ricercatori affermano di poter prevedere con maggiore affidabilità in che modo l’inquinamento da azoto influenzerà la respirazione del suolo in tutto il pianeta.
Perché è importante ridurre l’inquinamento da azoto
Sono già in corso iniziative per ridurre l’inquinamento da azoto a causa delle preoccupazioni relative alla perdita di biodiversità e alla qualità dell’aria.
I nuovi risultati suggeriscono un altro importante vantaggio.
Ridurre gli apporti di azoto provenienti dall’agricoltura, dai trasporti e dall’industria potrebbe contribuire a proteggere il carbonio immagazzinato nei suoli forestali.
Impedendo agli ecosistemi di superare le soglie di saturazione dell’azoto, le foreste potrebbero essere in grado di mantenere meglio i loro processi naturali di ciclo del carbonio e rimanere resilienti di fronte ai continui cambiamenti climatici.
Collaboratori: Land-CRAFT presso l’Università di Aarhus, l’Università di Stanford, l’Amministrazione nazionale per le foreste e i pascoli di Harbin, Cina, il Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale, l’Accademia cinese delle scienze, l’Università normale di Pechino, l’Università di Maastricht, il Laboratorio nazionale di acceleratori SLAC, l’Università Duke e l’Istituto di tecnologia di Karlsruhe.
Finanziamenti: Questo lavoro è stato finanziariamente supportato dalla National Natural Science Foundation of China (32430067, 32588202, 42141004) e dal National Key R&D Program of China (2023YFF1305900, 2022YFF080210102) ricevuti da NH, e dal Pioneer Center for Landscape Research in Sustainable Agricultural Futures(Land-CRAFT), borsa di studio DNRF numero P2 ricevuta da KBB
Abstract
Dalla Rivoluzione Industriale, le attività umane hanno alterato la deposizione di azoto (N) atmosferico sulle foreste globali, influenzando le emissioni di anidride carbonica dai suoli (respirazione del suolo o SR) – uno dei maggiori flussi di carbonio terra-atmosfera. Tuttavia, studi sperimentali hanno dimostrato effetti sia positivi che negativi della deposizione di N sulla SR nelle foreste globali, portando a dibattiti su come la deposizione di N aumenti o diminuisca la SR. Abbiamo sviluppato un quadro di riferimento per generalizzare le risposte della SR alla deposizione di N utilizzando dati sintetizzati da 168 esperimenti di aggiunta di N in tutto il mondo e abbiamo osservato la SR lungo il gradiente globale di deposizione naturale di N. I risultati indicano che la deposizione di N ha diminuito la SR nel 2,9% delle aree forestali globali, in particolare nella Cina orientale, nell’Europa occidentale e negli Stati Uniti orientali. Tuttavia, l’effetto netto della deposizione di N ha aumentato la SR forestale globale di circa il 5% (1,7 ± 0,1 PgC anno). –1 Se l’inquinamento da azoto potesse essere efficacemente controllato, la superficie forestale globale diminuirebbe, contribuendo potenzialmente a una riduzione delle emissioni di carbonio terrestri.
Materiale fornito dall’Università di Aarhus . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
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, Klaus Butterbach-Bahl. A general framework for nitrogen deposition effects on soil respiration in global forests. Nature Communications, 2025; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-67203-8
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