Temporal soil nitrogen dynamics with stand age of Betula platyphylla forests in the permafrost region, Northeast China

تخيل التربة كمطبخ ضخم تحت الأرض حيث تطبخ النباتات وجباتها. لكن هناك عقبة: المكون الأهم، وهو النيتروجين، يصل عادة في شكل لا تستطيع النباتات أكله؛ فهو محبوس داخل الأوراق الميتة والجذور القديمة مثل وصفة سرية داخل خزنة مغلقة. ولإخراج الطعام، يجب على طهاة صغار يُطلق عليهم "الميكروبات التربية" تفكيك تلك المادة العضوية وفتح قفل النيتروجين، وتحويله إلى شكل قابل للاستخدام. تُسمى عملية فتح هذا القفل بـ "المعدنة" (mineralization). في بعض الأماكن، مثل الغابات الاستوائية الدافئة، يعمل هؤلاء الطهاة لساعات إضافية، ويكون المطبخ دائماً مليئاً بالطعام الجاهز للأكل. أما في الشمال المتجمد، حيث تظل الأرض باردة ومتجمدة غالباً (التربة الصقيعية)، يكون هؤلاء الطهاة بطيئين، والمطبخ غالباً ما يكون فارغاً. وهذا أمر بالغ الأهمية، لأنه إذا لم تتمكن النباتات من الحصول على النيتروجين الخاص بها، فلن تتمكن من النمو، وستعاني الغابة بأكملها. لطالما تساءل العلماء: مع تقدم الغابة في العمر وزيادة حجمها، هل يصبح مطبخ التربة أفضل في إطعام الأشجار، أم يظل عالقاً في المسار البطيء؟

تتعمق هذه الورقة في هذا السؤال من خلال دراسة نوع معين من الأشجار، وهو خشب البتولا الأبيض (Betula platyphylla)، في الغابات المتجمدة في شمال شرق الصين. أراد الباحثون معرفة كيف يتغير "المطبخ" مع نمو الغابة من حشد من الشتلات الصغيرة (عمرها 25 عاماً) إلى غابة ناضجة (عمرها 61 عاماً). لم يكتفوا بالتخمين؛ بل ذهبوا إلى الميدان وأجروا تجربة ذكية. أخذوا أسطوانات صغيرة من التربة، وتركوها في الأرض لمدة شهر ليروا ما يحدث بشكل طبيعي، ثم قاسوا كمية النيتروجين التي تم تحريرها. وجدوا أنه كلما زاد عمر الغابة، أصبحت التربة في الواقع أفضل بكثير في تحرير النيتروجين، على الرغم من أن إجمالي كمية النيتروجين "الجاهز للأكل" الموجود في التربة لم يتغير كثيراً. اتضح أنه في هذه الغابات الباردة، تنشئ الأشجار الأقدم مطبخاً صاخباً وفعالاً حيث يتم تدوير النيتروجين واستخدامه باستمرار، بدلاً من أن يظل مجرد كومة مركونة.

قصة مطبخ الغابة المتجمدة

تخيل أرض الغابة كمطعم مزدحم. الأشجار هي الزبائن، والتربة هي المطبخ. المكون الأهم لنمو الأشجار هو النيتروجين، ولكنه في التربة يكون معظمه محبوساً في حالة "مجمدة" داخل الأوراق والجذور الميتة. وللحصول عليه، تحتاج التربة للقيام بخدعة سحرية تسمى المعدنة، حيث يعمل الميكروبات كطهاة لتفكيك المادة العضوية وإطلاق النيتروجين في شكل يمكن للنباتات ابتلاعه.

في مناطق التربة الصقيعية الباردة في شمال شرق الصين، يكون هذا المطبخ بطيئاً عادةً. الأرض باردة، والطهاة (الميكروبات) خاملون. ولكن ماذا يحدث عندما تتقدم الغابة في العمر؟ هل تحصل الأشجار في النهاية على مطبخ أفضل، أم أن البرد سيبقي كل شيء عالقاً؟ قرر فريق من العلماء من جامعة شاوغوانون اكتشاف ذلك من خلال دراسة ثلاثة أعمار مختلفة لغابات خشب البتولا الأبيض: غابة شابة (25 عاماً)، وغابة متوسطة العمر (40 عاماً)، وغابة قديمة (61 عاماً).

التجربة: شهر في حياة التربة

لمعرفة كيف يعمل المطبخ، لم يكتفِ العلماء بأخذ لقطة عابرة؛ بل راقبوا التربة وهي "تطبخ" بمرور الوقت. من مايو إلى أكتوبر 2018، أنشأوا سلسلة من "الحواضن" مباشرة في الغابة. غرسوا أنابيب بلاستيكية (أنابيب PVC) في الأرض، وملؤوها بالتربة، وتركوها هناك لمدة شهر.

تخيل هذه الأنابيب ككبسولات زمنية صغيرة. أخذ العلماء مجموعة من الأنابيب فوراً لمعرفة كمية النيتروجين الموجودة في البداية. ثم تركوا مجموعة أخرى في الأرض لمدة شهر. وعندما أخرجوها بعد شهر، استطاعوا قياس بالضبط كمية النيتروجين الجديدة التي تم "طهيها" أو تحريرها بواسطة الميكروبات خلال ذلك الوقت. فعلوا ذلك لخمسة أشهر مختلفة، وفحصوا كل من الطبقة العليا من التربة (0-10 سم) والطبقة التي تقع أسفلها مباشرة (10-20 سم).

ما وجدوه: المطبخ أصبح أسرع، لكن المخزن ظل كما هو

كانت النتائج مفاجئة ومثيرة للاهتمام للغاية.

1. كومة "الجاهز للأكل" لم تكبر
عندما نظر العلماء إلى إجمالي كمية النيتروجين الموجودة في التربة في أي لحظة معينة ("Min-N")، كانت متساوية تقريباً عبر جميع أعمار الغابات الثلاث. سواء كانت الغابة عمرها 25 أو 61 عاماً، فقد احتوت التربة على حوالي 8.39 ملجم·كجم⁻¹، و8.15 ملجم·كجم⁻¹، و8.49 ملجم·كجم⁻¹ من النيتروجين، على التوالي. الأمر يشبه أن مخزن المطعم كان يحتوي على نفس عدد أطباق الطعام، بغض النظر عن عمر المطعم.

2. لكن الطهاة أصبحوا أسرع بكثير!
هنا تصبح القصة مثيرة. فبينما لم تتغير كمية الطعام الموجود في المخزن، إلا أن سرعة طبخه زادت بشكل كبير. معدل تحرير النيتروجين (صافي معدنة النيتروجين) قفز بشكل ملحوظ مع تقدم عمر الغابة:

• في الغابة التي عمرها 25 عاماً، كان المعدل بطيئاً عند 0.11 ملجم·كجم⁻¹·يوم⁻¹.
• في الغابة التي عمرها 40 عاماً، تسارع إلى 0.46 ملجم·كجم⁻¹·يوم⁻¹.
• في الغابة التي عمرها 61 عاماً، كان الأسرع بواقع 0.67 ملجم·كجم⁻¹·يوم⁻¹.

هذا يعني أنه في الغابات الأقدم، يتم تحرير النيتروجين واستخدامه بسرعة أكبر بك much. إنه مطبخ ذو دوران سريع حيث يُطبخ الطعام، ويُؤكل، ويُعاد تدويره بسرعة، بدلاً من أن يظل مركوناً على الرف.

3. شكل الطعام تغير
لاحظ العلماء أيضاً تحولاً في نوع النيتروجين المتاح. في الغابات الأصغر سناً، كان هناك المزيد من النترات (نوع محدد من النيتروجين)، ولكن مع تقدم عمر الغابة، انخفضت مستويات النترات، وارتفع الأمونيوم (نوع آخر). يبدو أن الغابات الأقدم أفضل في الاحتفاظ بالأمونيوم، ربما لأن التربة الباردة والحمضية تجعل من الصعب تحويل الأمونيوم إلى نترات.

4. الطبقة العليا هي القسم المميز (VIP)
مثل أي مطبخ جيد، الرف العلوي هو الأكثر نشاطاً. كانت الطبقة العليا من التربة (0-10 سم) أكثر نشاطاً بكثير من الطبقة التي تحتها (10-20 سم). في الغابة التي عمرها 40 عاماً، كانت الطبقة العليا أكثر نشاطاً بمقدار 5.38 مرة من الطبقة السفلية! وهذا منطقي لأن هذا هو المكان الذي تسقط فيه الأوراق وحيث تعيش الميكروبات.

لماذا يحدث هذا؟ المكونات السرية

إذن، ما الذي يجعل مطابخ الغابات الأقدم أسرع بكثير؟ قام العلماء بعملية بحث وتحرٍ للعثور على "المحركات" وراء هذا التغيير. ووجدوا أن ثلاثة عوامل رئيسية هي التي تحرك الخيوط:

1. درجة حرارة التربة: حتى التغيرات الطفيفة في الدفء ساعدت الميكروبات على العمل بجهد أكبر.
2. إجمالي النيتروجين: الغابات الأقدم كانت تحتوي على المزيد من إجمالي النيتروجين في التربة منذ البداية، مما منح الطهاة المزيد من المواد الخام.
3. الكتلة الحيوية الميكروبية: الغابات الأقدم كانت تمتلك عدداً أكبر من "الطهاة" الميكروبيين المستعدين للقيام بالعمل.

تشير الدراسة إلى أنه مع نمو غابة خشب البتولا الأبيض، فإنها تبني بيئة أفضل لهؤلاء الطهاة الصغار. فالأشجار تسقط المزيد من الأوراق والجذور، مما يغذي الميكروبات، والتي بدورها تقوم بتحرير النيتروجين بشكل أسرع. إنها دورة إيجابية: الأشجار الأكبر تعني تربة أفضل، والتربة الأفضل تعني دعم أشجار أكبر.

الخلاصة

تخبرنا هذه الأبحاث أنه حتى في الشمال البارد والمتجمد، تمتلك الغابات طريقة لتصبح أكثر ذكاءً وكفاءة مع تقدمها في العمر. وبينما لا تتراكم الكمية الإجمالية للنيتروجين في التربة بالضرورة، فإن النظام يصبح أكثر ديناميكية. يتم تدوير النيتروجين باستمرار وجعله متاحاً للأشجار.

هذه أخبار جيدة لصحة غابات التربة الصقيعية هذه. فهي تشير إلى أن ترك هذه الغابات تنمو وتصل إلى مرحلة النضج هو عامل رئيسي في الحفاظ على صحتها وإنتاجيتها. يأمل العلماء أن تساعد هذه المعرفة مديري الغابات في اتخاذ قرارات بشأن كيفية رعاية هذه الغابات، لضمان استمرار ازدهارها في ظل مناخ متغير. ومع ذلك، يلاحظون أيضاً أن هذه الغابات لا تزال أبطأ من الغابات في الأماكن الأكثر دفئاً، مما يذكرنا بأن البرد لا يزال قوة مؤثرة في الشمال.