Intensifying phosphorus limitation accelerates the global decline of the CO₂ fertilization effect

दशकों से, पृथ्वी की भूमि ने जलवायु परिवर्तन के विरुद्ध एक विशाल ढाल के रूप में कार्य किया है, जो हवा में मनुष्यों द्वारा छोड़ी जाने वाली कार्बन डाइऑक्साइड के लगभग एक-तिहाई हिस्से को सोख लेती है। यह क्षमता एक ऐसी घटना पर निर्भर करती है जिसे वैज्ञानिक 'कार्बन डाइऑक्साइड फर्टिलाइजेशन इफेक्ट' (कार्बन डाइऑक्साइड निषेचन प्रभाव) कहते हैं। इसे एक प्राकृतिक प्रोत्साहन के रूप में समझें: जैसे-जैसे वायुमंडल कार्बन डाइऑक्साइड से भरता है, पौधे आम तौर पर तेजी से और बड़े होते हैं क्योंकि उनके पास अपनी पत्तियां और लकड़ी बनाने के लिए आवश्यक कच्चे माल की अधिक मात्रा होती है। इस अतिरिक्त वृद्धि ने ग्लोबल वार्मिंग की गति को धीमा करने में मदद की है। हालांकि, हाल के अवलोकन बताते हैं कि यह सहायक प्रोत्साहन कम हो रहा है। वह प्रश्न जिसने शोधकर्ताओं की रातों की नींद उड़ा रखी है, वह यह है कि क्यों। वर्षों तक, प्रमुख सिद्धांत यह था कि पौधे पानी की कमी का सामना कर रहे थे, या हवा उनके फलने-फूलने के लिए बहुत शुष्क हो रही थी। लेकिन एक नया अध्ययन बताता है कि कहानी अधिक जटिल है, जो एक अलग, अक्सर अनदेखी की जाने वाली कमी की ओर इशारा करती है जो चुपचाप कार्बन को सोखने की पृथ्वी की क्षमता को कमजोर कर रही है।

सन यत-सेन विश्वविद्यालय के जिंग पेंग के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम इस घटते हुए प्रोत्साहन की जांच करने के लिए आगे बढ़ी। उन्होंने पौधों की वृद्धि के दीर्घकालिक उपग्रह चित्रों को जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़ा, जो यह ट्रैक करते हैं कि मिट्टी और पौधों के माध्यम से कार्बन, नाइट्रोजन और फास्फोरस कैसे चलते हैं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या पौधों की वृद्धि में गिरावट सूखे की स्थिति के कारण थी या पोषक तत्वों, विशेष रूप से फास्फोरस की कमी के कारण। फास्फोरस एक महत्वपूर्ण खनिज है जिसकी पौधों को ऊर्जा संग्रहीत करने और डीएनए बनाने के लिए आवश्यकता होती है, लेकिन नाइट्रोजन के विपरीत, जिसे हवा से लिया जा सकता है, फास्फोरस को मिट्टी में चट्टानों से निकाला जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि जल तनाव (water stress) एक भूमिका निभाता है, लेकिन यह पूरी कहानी नहीं है। वास्तव में, दुनिया के कई हिस्सों में, पौधे बारिश की कमी से जूझ नहीं रहे हैं। इसके बजाय, वे एक दीवार से टकरा रहे हैं क्योंकि वे उस अतिरिक्त कार्बन का उपयोग करने के लिए पर्याप्त फास्फोरस प्राप्त नहीं कर पा रहे हैं।

अध्ययन ने 1982 और 2015 के बीच के वर्षों पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसा कालखंड है जब वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड का स्तर लगातार बढ़ता रहा। टीम ने मापा कि कार्बन डाइऑक्साइड में प्रत्येक वृद्धि के लिए कितनी अतिरिक्त पौधों की वृद्धि हुई, जिसकी दर वैश्विक स्तर पर घट रही है। उन्होंने पाया कि यह गिरावट उन विशिष्ट क्षेत्रों में सबसे तेजी से हो रही है जहाँ फास्फोरस की कमी अधिक तीव्र हो रही है। इन क्षेत्रों में, जिनमें उष्णकटिबंधीय (tropics) और उत्तरी उच्च अक्षांशों के हिस्से शामिल हैं, कार्बन डाइऑक्साइड में प्रत्येक 100 पार्ट्स प्रति मिलियन (ppm) की वृद्धि के लिए विकास दर लगभग 2.28 प्रतिशत की दर से कम हुई। यह वैश्विक औसत से थोड़ा अधिक और अन्य क्षेत्रों की तुलना में काफी अधिक था। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट क्षेत्रों के मौसम के आंकड़ों की जांच की और पाया कि वे शेष विश्व की तुलना में अधिक भीषण सूखे या उच्च तापमान का अनुभव नहीं कर रहे थे। कुछ मामलों में, जलवायु वास्तव में अधिक सौम्य थी। इस विसंगति का अर्थ था कि पौधों की वृद्धि में इस तेज गिरावट के लिए मौसम को दोषी नहीं ठहराया जा सकता।

पौधों के भीतर क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने उनकी पत्तियों के रासायनिक संतुलन का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि जिन क्षेत्रों में विकास का यह प्रोत्साहन सबसे तेजी से कम हो रहा था, वहां पत्तियों में नाइट्रोजन और फास्फोरस का अनुपात इस तरह बदल रहा था जो एक गंभीर कमी का संकेत दे रहा था। जैसे-जैसे पौधे अतिरिक्त कार्बन डाइऑक्साइड के कारण तेजी से बढ़ने की कोशिश करते हैं, उन्हें अधिक फास्फोरस की आवश्यकता होती है, लेकिन मिट्टी इतनी तेजी से इसकी आपूर्ति नहीं कर पाती। इससे एक बाधा (bottleneck) उत्पन्न हो गई। कंप्यूटर सिमुलेशन ने दिखाया कि यह पोषक तत्व की कमी, हवा के सूखेपन की तरह ही पौधों की वृद्धि पर एक शक्तिशाली प्रतिबंध बन गई है। इन फास्फोरस-सीमित क्षेत्रों में, पोषक तत्वों की कमी ने प्रभावी रूप से अतिरिक्त कार्बन डाइऑक्साइड के लाभों को रद्द कर दिया। पौधे बढ़ने की कोशिश कर रहे थे, लेकिन वे अपने शरीर बनाने के लिए आवश्यक आवश्यक सामग्रियों की कमी का सामना कर रहे थे।

इस खोज का प्रभाव विभिन्न प्रकार के वनों के आधार पर भिन्न होता है। अध्ययन ने दिखाया कि मिश्रित वन (mixed forests), जो उत्तरी उच्च अक्षांशों में सामान्य हैं, सबसे अधिक संवेदनशील थे। इन क्षेत्रों में, अतिरिक्त कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करने की पौधों की क्षमता कार्बन में प्रत्येक 100 पार्ट्स प्रति मिलियन की वृद्धि के लिए लगभग 5 प्रतिशत गिर गई। इसके विपरीत, उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों के सदाबहार चौड़ी पत्ती वाले वनों (evergreen broadleaf forests), जो फास्फोरस-कमी वाली मिट्टी के अनुकूल लाखों वर्षों से विकसित हुए हैं, में बहुत कम गिरावट देखी गई। इन उष्णकटिबंधीय पेड़ों ने फास्फोरस को कुशलतापूर्वक पुनर्चक्रित (recycle) करने की चतुर रणनीतियां विकसित की हैं, जिससे वे अपने विकास के लाभ को लंबे समय तक बनाए रखने में सक्षम हैं। हालांकि, उत्तरी वनों में यह तीव्र गिरावट एक बड़ी चिंता का विषय है क्योंकि ये पारिस्थितिकी तंत्र वर्तमान में वैश्विक कार्बन सिंक के प्रमुख चालक हैं। यदि उनकी कार्बन सोखने की क्षमता उम्मीद से अधिक तेजी से कमजोर हो रही है, तो पृथ्वी की प्राकृतिक रक्षा प्रणाली पहले की तुलना में कम मजबूत है।

शोधकर्ताओं ने जीवित पेड़ों से लेकर मृत पत्तियों और उनके नीचे की मिट्टी तक, पूरे पारिस्थितिकी तंत्र में पोषक तत्वों के प्रवाह को भी ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि कार्बन से फास्फोरस का अनुपात सभी स्तरों पर बढ़ रहा है, जिसका अर्थ है कि कार्बन सिस्टम में फास्फोरस की पुनरावृत्ति की तुलना में बहुत तेजी से जमा हो रहा है। यह असंतुलन एक स्व-सुदृढ़ीकरण चक्र (self-reinforcing cycle) का सुझाव देता है: जैसे-जैसे पौधे बढ़ते हैं, वे अधिक कार्बन को समाहित कर लेते हैं, लेकिन उस वृद्धि को बनाए रखने के लिए आवश्यक फास्फोरस दुर्लभ बना रहता है। जमीन पर गिरने वाली मृत पत्तियां कार्बन में समृद्ध लेकिन फास्फोरस में निर्धन होती जा रही हैं, जो अपघटन (decomposition) की प्रक्रिया को धीमा करती है और मिट्टी में पोषक तत्वों की वापसी को और सीमित करती है। यह एक फीडबैक लूप बनाता है जहाँ तेजी से बढ़ने का कार्य ही अंततः उन पोषक तत्वों की बड़ी कमी का कारण बन जाता है जिनकी आवश्यकता निरंतर बढ़ने के लिए होती है।

यह अध्ययन इस लंबे समय से चले आ रहे धारणा को चुनौती देता है कि पानी ही वह प्राथमिक सीमा है जो भूमि द्वारा अवशोषित किए जा सकने वाले कार्बन की मात्रा को निर्धारित करता है। हालांकि सूखा निश्चित रूप से मायने रखता है, लेकिन शोध इंगित करता है कि कई स्थानों पर वास्तविक बाधा फास्फोरस की उपलब्धता है। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य के जलवायु परिवर्तन की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले वर्तमान कंप्यूटर मॉडल अक्सर इस गतिशील पोषक तत्व चक्रण (nutrient cycling) की अनदेखी करते हैं। इस गतिशील पोषक तत्व चक्रण को शामिल करने में विफल रहकर, ये मॉडल यह अधिक अनुमान लगा सकते हैं कि आने वाले दशकों में पृथ्वी के वन कितना कार्बन संग्रहीत करने में सक्षम होंगे। यदि भूमि उतनी कार्बन नहीं सोख सकती जितनी हमें उम्मीद है, तो वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता तेजी से बढ़ेगी, जिससे ग्लोबल वार्मिंग और अधिक तीव्र होगी। ये निष्कर्ष इस बात की याद दिलाते हैं कि पृथ्वी की प्रणालियाँ गहराई से जुड़ी हुई हैं, और जलवायु की पहेली को सुलझाने के लिए केवल हवा और पानी को ही नहीं, बल्कि हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी की अदृश्य रसायन विज्ञान को देखने की भी आवश्यकता है।