Drought increases soil nitrous oxide emissions and nitrogen availability under plant cover in arable soils

L'aria che respiriamo contiene un protagonista silenzioso e invisibile nella storia del clima: l'ossido di diazoto. Sebbene l'anidride carbonica attiri spesso i titoli di testa per il suo ruolo nel riscaldamento del pianeta, questo altro gas è molto più potente nel trattenere il calore, molecola per molecola. Esso sfugge dal suolo, principalmente come sottoprodotto del modo in cui i microbi scompongono l'azoto, un nutriente essenziale per la vita delle piante. Gli agricoltori aggiungono azoto ai loro campi per aiutare le colture a crescere, ma quando quell'azoto rimane inutilizzato nel terreno, i microbi possono trasformarlo in ossido di diazoto, che poi fluttua nell'atmosfera. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che l'acqua gioca un ruolo massiccio in questo processo. Quando il suolo è umido, l'ossigeno è scarso e i microbi passano a una modalità che produce più di questo gas. Quando il suolo è secco, il processo solitamente rallenta e le emissioni diminuiscono. Ma con il cambiamento climatico, che porta siccità estive più frequenti e intense in luoghi come l'Europa settentrionale, è emersa una nuova domanda: questa semplice regola regge ancora quando le piante crescono in quel terreno secco?

Un team di ricercatori dell'Università di Helsinki si è messo in viaggio per rispondere a questo quesito, creando un mondo controllato all'interno di una serra. Volevano vedere come la presenza di piante vive cambi la storia dell'ossido di diazoto quando il suolo si secca. Hanno riempito dei vasi con terreno argilloso raccolto da un'azienda agricola sperimentale e hanno allestito un esperimento semplice. Alcuni vasi sono stati lasciati completamente nudi, rappresentando il suolo senza vegetazione. Altri sono stati piantati con avena, una coltura comune. Alcuni di questi vasi di avena contenevano anche una seconda pianta, o erba medica o segalpina italiana, per vedere se diverse combinazioni di piante facevano la differenza. Metà di questi vasi è stata mantenuta umida, simulando una stagione di crescita normale, mentre l'altra metà è stata lasciata asciugare per simulare una siccità. I ricercatori hanno poi osservato attentamente, misurando quanto ossido di diazoto sfuggiva dal suolo in quasi sei settimane, monitorando al contempo quanto azoto le piante assorbivano e cosa accadeva all'azoto rimanente nella terra.

I risultati hanno rivelato una svolta sorprendente nella relazione tra piante, siccità ed emissioni. Nei vasi senza piante, il terreno secco si è comportato esattamente come previsto: la mancanza di acqua ha rallentato i microbi e la quantità di ossido di diazoto rilasciata è diminuita drasticamente, calando di quasi l'80 percento rispetto al terreno umido. Tuttavia, la storia è stata completamente diversa nei vasi con le piante. Quando il terreno si è seccato, le piante non hanno impedito la fuga del gas; al contrario, le emissioni dal terreno vegetato sono effettivamente aumentate, salendo tra due e quattro volte superiori rispetto alle condizioni di umidità. Questo è stato un risultato controintuitivo, che suggerisce che la presenza di radici vive cambi fondamentalmente il modo in cui il suolo reagisce alla mancanza d'acqua.

Per capire perché ciò sia accaduto, i ricercatori hanno guardato più a fondo nella chimica del suolo. Hanno scoperto che nel terreno secco e nudo, l'azoto semplicemente restava lì, inutilizzato e bloccato. Ma nel terreno secco con le piante, è accaduto qualcosa di diverso. Le piante continuavano ad assorbire azoto, ma la siccità sembrava anche alterare il modo in cui i microbi lo elaboravano, portando a un accumulo di una forma specifica di azoto chiamata nitrato. Anche se le piante stavano ancora crescendo e assorbendo nutrienti, la combinazione di questo nitrato extra e del carbonio che le piante rilasciavano dalle radici ha creato la tempesta perfetta affinché i microbi producessero più ossido di diazoto. Le piante non avevano fermato la formazione del gas; avevano involontariamente fornito il combustibile affinché esso aumentasse quando l'acqua spariva.

Lo studio ha anche esaminato se il tipo di pianta importasse. Hanno confrontato l'avena che cresceva da sola contro l'avena mescolata con segalpina italiana o erba medica. Sebbene le diverse piante mostrassero lievi variazioni in quanto azoto prelevavano dal suolo, il modello generale rimaneva lo stesso: qualsiasi copertura vegetale riduceva le emissioni rispetto al terreno nudo, ma la siccità causava un aumento delle emissioni in tutti i trattamenti vegetati. I ricercatori hanno notato che l'erba medica, che può fissare il proprio azoto dall'aria, non si era comportata drasticamente diversamente dalle graminacee in questo breve esperimento, probabilmente perché le piante erano ancora giovani e non avevano ancora stabilito i loro complessi sistemi radicali. Il fattore dominante era semplicemente la presenza di vegetazione rispetto alla terra nuda, e il passaggio da condizioni umide a secche.

Queste scoperte sfidano l'assunto che la siccità porti sempre a emissioni inferiori. Sebbene il terreno secco e nudo sopprima effettivamente il rilascio di ossido di diazoto, le stesse condizioni di secchezza possono innescare un picco di emissioni se sono presenti le piante. I ricercatori suggeriscono che ciò accada perché le piante mantengono il suolo vivo con il carbonio, e la siccità causa un accumulo di nitrato che i microbi poi convertono in gas. Questo ha implicazioni importanti per la gestione del territorio. Se un campo viene lasciato nudo durante un periodo secco, potrebbe emettere meno gas, ma non appena pioverà di nuovo, quell'azoto accumulato potrebbe essere rilasciato in un massiccio impulso. Al contrario, mantenere la crescita delle piante, anche durante i periodi secchi, aiuta a bloccare quell'azoto nella biomassa vegetale, impedendo che si accumuli nel suolo. Lo studio suggerisce che mantenere una buona crescita delle piante è una strategia chiave per tenere bassi i livelli di ossido di diazoto, non solo durante le stagioni umide, ma specialmente quando il tempo diventa secco.

L'esperimento è stato condotto in un periodo di 39 giorni, che è un tempo relativamente breve nella vita di una pianta o di un ecosistema del suolo. I ricercatori hanno riconosciuto che questi risultati riflettono le prime fasi di crescita e che le dinamiche potrebbero cambiare man mano che le piante maturano e i loro sistemi radicali diventano più complessi. Hanno inoltre osservato che, sebbene il loro ambiente controllato in serra abbia permesso di isolare gli effetti della siccità e della copertura vegetale, i campi reali sono soggetti a vento, fluttuazioni di temperatura e altre variabili che potrebbero alterare il risultato. Ciononostante, i dati forniscono un quadro chiaro di un meccanismo che era precedentemente trascurato: le piante non stanno solo sedute passivamente nel suolo; esse rimodellano attivamente l'ambiente chimico e, così facendo, possono trasformare una siccità da soppressore di emissioni in un innesco per le stesse.

La lezione più ampia è quella dell'equilibrio. L'agricoltura dipende dalla gestione dell'azoto per nutrire le colture, ma quello stesso azoto è una fonte di potenti gas serra. Lo studio evidenzia che la soluzione non è semplicemente lasciare i campi a maggesse durante i periodi secchi, né assumere che il terreno secco sia sempre un rifugio sicuro dalle emissioni. Invece, la presenza di una vegetazione sana e in crescita agisce come un cuscino, assorbendo l'azoto che altrimenti resterebbe nel suolo in attesa di essere convertito in gas. Assicurando che le colture si stabiliscano bene e continuino a crescere anche sotto stress idrico, gli agricoltori potrebbero essere in grado di ridurre il rischio di grandi e improvvisi rilasci di ossido di diazoto quando le piogge torneranno finalmente. Questo lavoro aggiunge un nuovo livello alla nostra comprensione del suolo, mostrando che l'interazione tra le radici delle piante e la terra secca è una danza complessa di chimica che determina quanto gas che intrappola il calore possa sfuggire nella nostra atmosfera.