Ecosystem carbon partitioning varies without detectable differences in total stocks across fire-frequency gradients in Madagascar’s grassy ecosystems
في النظم البيئية العشبية في مدغشقر، يؤدي تزايد وتيرة الحرائق بشكل كبير إلى تغيير تقسيم الكربون عن طريق تقليل المخزونات فوق سطح الأرض مع زيادة الحياض تحت سطح الأرض، مما يؤدي إلى عدم حدوث أي تغيير ملموس في إجمالي كربون النظام البيئي رغم التحولات في التوزيع.
المؤلفون الأصليون:Víctor Fernández-García, Cristina Santín, Philippa Ascough, Adam Devenish, Maria S. Vorontsova, Nandrianina Ramifehiarivo, Lovafitia Ratovoarimanana
تُعد النار قوة أساسية في العالم الطبيعي، حيث تشكل المناظر الطبيعية من السافانا الشاسعة في أفريقيا إلى المرتفعات العشبية في مدغشقر. ولعقود من الزمن، ناقش العلماء وصناع القرار كيفية إدارة هذه الحرائق، وغالبًا ما نظروا إليها في المقام الأول كتهديد للغابات ومصدر لانبعاثات الكربون. ويتمثل سؤال مركزي في هذا النقاش في ما إذا كان حرق الأراضي العشبية يطلق الكثير من الكربون في الغلاف الجوي أم أن التربة يمكنها الاحتفاظ به. ولفهم ذلك، ينظر الباحثون إلى "ميزانية الكربون" للنظام البيئي. وتأخذ هذه الميزانية في الاعتبار كل الكربون المخزن في النباتات الحية فوق الأرض، والأوراق والأغصان الميتة على السطح، والجذور المختبئة تحت الأرض، والمادة العضوية المختلطة في التربة نفسها. وكان الافتراض السائد هو أن الحرق المتكرر يجرد الغطاء النباتي، مما يترك الأرض بكمية أقل من الكربون إجمالاً. ومع ذلك، فإن هذه الرؤية غالباً ما تركز فقط على ما يمكن رؤيته من الأعلى، مما قد يؤدي إلى إغفال التبادلات المعقدة التي تحدث تحت السطح.
في المرتفعات الوسطى لمدغشقر، حيث تغطي النظم البيئية العشبية جزءاً كبيراً من الجزيرة، شرع فريق من الباحثين في اختبار هذه الافتراضات. لقد سافروا إلى ثلاثة أنواع متميزة من المناظر الطبيعية: الأراضي العشبية متوسطة الارتفاع، والأراضي العشبية عالية الارتفاع، والسافانا التي تهيمن عليها أشجار التابيا الأصلية. وعلى مدار عدة سنوات، رسموا خرائط لستين قطعة أرض مختلفة عبر هذه المناطق، وسجلوا بعناً كيف احترقت كل بقعة وكم مرة حدثت تلك الحرائق. وفي كل قطعة أرض، قاموا بقياس الكربون المخزن في الأشجار والشجيرات، والأعشاب النامية على الأرض، وطبقة النباتات الميتة، والجذور الدقيقة، والسنتمترات القليلة العليا من التربة. كما حللوا التربة بحثاً عن العناصر الغذائية وبحثاً عن الكربون البيروجيني (الكربون الناتج عن الاحتراق)، وهو نوع خاص من المواد الشبيهة بالفحم تنشأ عندما تحترق المادة العضوية بشكل غير كامل. وتُعرف هذه المادة بقدرتها على البقاء في التربة لقرون.
اكتشف الباحثون أن قصة تخزين الكربون أكثر دقة بكثير من مجرد عد الأشجار. فقد وجدوا أن وتيرة الحرائق، بدلاً من الوقت الذي حدثت فيه، كانت المحرك الأساسي للتغيير. ففي المناطق التي احترقت كل عام، كان مقدار الكربون المخزن في النباتات الخشبية والأعشاض القائمة أقل بكثير مما هو عليه في المناطق التي لم تحترق. وكانت احتمالية العثور على كربون النباتات الخشبية في هذه البقع التي تحترق سنوياً تقترب من الصفر. كما كانت طبقة الأوراق والأغصان الميتة على الأرض أرق بكثير، بعد أن استهلكتها النيران المتكررة. ومع ذلك، تغيرت الصورة بشكل كبير عندما نظروا تحت الأرض. ففي هذه المناطق نفسها التي تعرضت للحرق المتكرر، احتوت الطبقة العليا من التربة في الواقع على كربون أكثر مما هو موجود في المناطق غير المحترقة. وكانت هذه الزيادة في كربون التربة قوية بما يكفي لتعويض الخسائر في النباتات فوق الأرض.
وعندما جمع العلماء كل الكربون - أي ما كان في الأشجار، والعشب، والجذور، والتربة - وجدوا شيئاً مفاجئاً: لم يختلف إجمالي الكربون في النظام البيئي بشكل ملموس بين المناطق التي تحترق غالباً وتلك التي لا تحترق. لقد قامت النار ببساطة بنقل الكربون من الهواء والنباتات إلى الأرض. ففي القطع التي تحترق سنوياً، احتوت التربة على المزيد من الكربون البيروجيني، وهو الفحم المتين الناتج عن الحرائق، مما ساعد في تفسير سبب ارتفاع مخزونات كربون التربة. كما كشفت الدراسة أنه بينما لعبت خصوبة التربة دوراً في المشهد الطبيعي، إلا أنها لم تكن السبب الرئيسي لهذه الأنماط؛ بل كان تكرار الحريق نفسه هو العامل المهيمن الذي أعاد تشكيل مكان وجود الكربون.
تتحدى هذه النتائج فكرة أن مجرد تغيير موسم الحرق، وهي استراتيجية إدارة شائعة، من شأنه أن يزيد إجمالي الكربون المخزن في هذه المناظر الطبيعية. وتشير الأبحاث إلى أن توقيت الحريق يهم بدرجة أقل من عدد مرات حدوثه. وبينما يحافظ الحرق المتكرر على بقاء المناظر الطبيعية مفتوحة وعشبية من خلال منع الأشجار من السيطرة، فإنه لا يستنزف بالضرورة احتياطيات الكربون الإجمالية للنظام البيئي. بدلاً من ذلك، فإنه يغير التوازن، حيث يقلل الكربون في النباتات ويعزز الكربون في التربة. وهذا يعني أن النظر فقط إلى الأشجار أو الأعشاب فوق الأرض يعطي صورة غير مكتملة. ولفهم التأثير المناخي لإدارة الحرائق في هذه النظم البيئية العشبية حقاً، يجب النظر إلى النظام بأكمله، بما في ذلك الجذور والتربة، حيث غالباً ما يختبئ الكربون في وضح النهار.
ملخص تقني: تقسيم الكربون في النظم البيئية في مدغشقر العشبية
بيان المشكلة تعد النظم البيئية العشبية من بين أكثر المناظر الطبيعية عرضة للحرائق عالمياً، ومع ذلك فإن عواقب أنظمة الحرائق على تخزين الكربون (C) في النظام البيئي تظل معتمدة على السياق وغير مفهومة جيداً، لا سيما في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى. وبينما تستهدف استراتيجيات إدارة الحرائق غالباً التكرار والموسمية للتخفيف من الانبعاثات أو تعزيز الاحتجاز، فإن تأثيراتها على إجمالي كربون النظام البيئي معقدة. إن المعرفة الحالية منحازة بشدة نحو الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض، وغالباً ما تغفل المجمعات تحت سطح الأرض (الجذور والتربة) والكربون الناتج عن الحريق (PyC). علاوة على ذلك، في مدغشقر، حيث تغطي النباتات العشبية القابلة للاشتعال حوالي 65% من الأراضي وتنشط فيها الحرائق بشكل كبير، يغيب الفهم العلمي لكيفية تأثير استراتيجيات الحرق المتباينة على مخزونات كربون النظام البيئي. لقد ركزت الأبحاث السابقة على الغابات أو رسم خرائط التربة على المستوى الوطني، مما ترك فجوة حرجة في تحديد كيفية تأثير تكرار الحرائق وموسميتها على تخصيص وتكوين الكربون في الأراضي العشبية والسافانا في مدغشقر.
المنهجية استخدمت الدراسة نهجاً رصدياً عبر 60 قطعة أرض في المرتفعات الوسطى بمدغشقر، تشمل ثلاثة أنظمة بيئية ممثلة: الأراضي العشبية متوسطة الارتفاع، والأراضي العشبية عالية الارتفاع، وسافانا تابيا (التي تهيمن عليها أشجار Uapaca bojeri). تم إعادة بناء تاريخ الحرائق للفترة من 2016 إلى 2022 باستخدام قاعدة بيانات MGBAS2 لتوصيف تكرار الحرائق (الحرائق في السنة) والموسمية (داخل الموسم مقابل خارج الموسم).
تضمنت عملية أخذ العينات الميدانية ما يلي:
الغطاء النباتي: كمية الكربون في النباتات الخشبية (باستخدام معادلات القياس الحيوي)، والنباتات الأرضية، والفرش النباتي (Litter).
تحت سطح الأرض: أخذ عينات إتلافية من الجذور الدقيقة وجمع عينات من التربة العليا (بعمق 0-5 سم).
كيمياء التربة: تحليل خصوبة التربة (الرقم الهيدروجيني pH، النيتروجين الكلي، النترات، الأمونيوم، وفسفور وبوتاسيوم وماغنيسيوم وكالسيوم المستخلصة بطريقة Mehlich-III) والكثافة الظاهرية.
الكربون الناتج عن الحريق (PyC): تم قياسه عبر التحلل الهيدروجيني (HyPy) في مجموعة فرعية مكونة من 24 قطعة أرض (8 لكل نظام بيئي)، والتي تمثل حالات الحريق القصوى (غير المحروقة مقابل المحروقة بشكل متكرر).
شملت التحليلات الإحصائية نماذج غاوسية وتحليل التكرار (RDA) لتقييم الارتباطات بين أنظمة الحرائق ومخزونات الكربون، والتخصيص (الكربون فوق سطح الأرض [AGC] مقابل الكربون تحت سطح الأرض [BGC])، والتكوين. وتم استخدام تقسيم التباين للفصل بين تأثير تكرار الحرائق وخصوبة التربة.
النتائج الرئيسية
تكرار الحرائق مقابل الموسمية: كانت الارتباطات بين أنظمة الحرائق ومخزونات الكربون مدفوعة بـ تكرار الحرائق، وليس الموسمية. لم يتم العثور على أي ارتباطات قابلة للكشف بين موسمية الحرائق وأي مجمع كربون تم قياسه.
تقسيم الكربون:
فوق سطح الأرض: أظهرت المناطق التي تحترق سنوياً انخفاضاً كبيراً في الكربون فوق سطح الأرض. وتحديداً، كان احتمال وجود الكربون الخشوي أقل بنسبة 99.9%، وكربون النباتات الأرضية أقل بنسبة 41.9%، وكربون الفرش النباتي أقل بنسبة 55.5% مقارنة بالمناطق غير المحروقة.
تحت سطح الأرض: كانت الاستجابات متباينة. انخفض كربون الجذور الدقيقة بنسبة 27.7% في المناطق المحروقة سنوياً. ومع ذلك، زاد كربون التربة العليا (0-5 سم) بنسبة 15.7%. ولأن كربون التربة العليا يهيمن على مجمع تحت سطح الأرض في هذه الأنظمة البيئية، فقد كانت النتيجة الصافية هي زيادة بنسبة 12.4% في إجمالي الكربون تحت سطح الأرض (BGC) في المناطق المحروقة بكثرة.
إجمالي كربون النظام البيئي: رغم التحول في التخصيص (نقص AGC، زيادة BGC)، لم يختلف إجمالي كربون النظام البيئي المقاس بشكل ملموس عبر تدرج تكرار الحرائق.
الكربون الناتج عن الحريق (PyC): احتوت القطع المحروقة على 0.68 ميجا جرام كربون لكل هكتار أكثر من PyC، ومساهمة أعلى بنسبة 2.46 نقطة مئوية من PyC في إجمالي كربون التربة مقارنة بالقطع غير المحروقة. كما كانت مخزونات التربة غير المرتبطة بـ PyC أعلى أيضاً في القطع المحروقة، وإن كان التأثير أقل وضوحاً من تأثير PyC.
دور خصوبة التربة: بينما ارتبط تكرار الحرائق إيجابياً ببعض مغذيات التربة الفردية (pH، N، P)، إلا أنه لم يفسر التباين الكبير في مصفوفة خصوبة التربة متعددة المتغيرات. فسرت خصوبة التربة بعض التباين في تخزين الكربون ولكنها لم تكن المحرك المهيمن لعلاقات الحرائق والكربون؛ حيث عمل تكرار الحرائق وخصوبة التربة كمتغيرات مرتبطة مستقلة إلى حد كبير.
خصوصية النظام البيئي: كانت هذه الأنماط أقوى في النظامين البيئيين العشبيين. أما في سافانا تابيا، فلم يظهر أي مجمع كربون فردي ارتباطاً قابلاً للكشف مع تكرار الحرائق، ويرجع ذلك على الأرج format التدرج الضيق لتكرار الحرائق وتحمل أشجار U. bojeri الناضجة للحرائق.
الأهمية والادعاءات تقدم الورقة أول دليل على مستوى النظام يوضح أن نشاط الحرائق الأخير في الأنظمة البيئية العشبية في مدغشقر يرتبط بأنماط متباينة لتخزين الكربون بين مجمعات النظام البيئي. ويدعي المؤلفون ما يلي:
المؤشرات فوق سطح الأرض غير كافية: إن الاعتماد فقط على الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض سيؤدي إلى تمثيل خاطئ لنتائج الكربون المتعلقة بالحرائق، مما يصنف الحرق المتكرر على أنه فقدان للكربون رغم عدم وجود فرق ملموس في إجمالي كربون النظام البيئي.
التكرار هو المحرك الحاسم: يجب أن تعطي الإدارة والمراقبة الأولوية لتكرار الحرائق على الموسمية، حيث لم تظهر الموسمية أي ارتباط قابل للكشف مع مخزونات الكربون في هذا السياق.
المحاسبة الشاملة مطلوبة: يجب أن تأخذ الإدارة الفعالة الموجهة نحو الكربون في الاعتبار كلاً من المجمعات فوق وتحت سطح الأرض، بما في ذلك PyC، وأن تراعي سياق النظام البيئي (الأراضي العشبية مقابل السافانا).
الآثار السياساتية: تشير النتائج إلى أن تغيير موسمية الحرق وحده ليس استراتيجية لزيادة مخزونات الكربون في هذه المناظر الطبيعية. بدلاً من ذلك، يجب أن تنظر التدخلات في كيفية تأثير تكرار الحرائق على بقاء الأشجار، والوقود القائم، وكربون سطح التربة، مع الاعتراف بدور الحرائق في الحفاظ على الحالات التي تهيمن عليها الأعشاب ودعم سبل العيش المحلية.
تخلص الدراسة إلى أنه على الرغم من أن البيانات الرصدية لا يمكنها تحديد السببية بشكل كامل، إلا أن الأنماط الملاحظة تسلط الضوء على الحاجة إلى تجارب إدارة تجريبية للتحكم بشكل مستقل في التكرار والموسم قبل الترويج لأنظمة محددة كتدخلات لتخفيف آثار المناخ.