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

Immagina il suolo come una gigantesca cucina sotterranea dove le piante cucinano i loro pasti. Ma c'è un problema: l'ingrediente più importante, l'azoto, di solito arriva in una forma che le piante non possono mangiare—è bloccato dentro foglie morte e vecchie radici come una ricetta segreta in una cassaforte chiusa. Per estrarre il cibo, piccoli chef chiamati microbi del suolo devono scomporre quella materia organica e sbloccare l'azoto, trasformandolo in una forma utilizzabile. Questo processo di sblocco è chiamato "mineralizzazione". In alcuni luoghi, come le calde foreste tropicali, questi chef lavorano straordinariamente e la cucina è sempre piena di cibo pronto da mangiare. Ma nel nord ghiacciato, dove il terreno rimane freddo e spesso congelato (permafrost), gli chef sono pigri e la cucina è spesso vuota. Questo è un grande problema perché se le piante non riescono a ottenere il loro azoto, non possono crescere e l'intera foresta soffre. Gli scienziati si sono spesso chiesti: man mano che una foresta diventa più vecchia e grande, la cucina del suolo diventa più brava a nutrire gli alberi o rimane ferma nella corsia lenta?

Questo articolo approfondisce questa domanda esaminando un tipo specifico di albero, la betulla bianca (Betula platyphylla), nelle foreste ghiacciate della Cina nordorientale. I ricercatori volevano vedere come cambia la "cucina" mentre la foresta cresce da un gruppo di giovani polloni (25 anni) a uno maturo (61 anni). Non si sono limitati a indovinare; sono andati sul campo e hanno eseguito un esperimento intelligente. Hanno prelevato piccoli cilindri di suolo, li hanno lasciati nel terreno per un mese per vedere cosa accadeva naturalmente e poi hanno misurato quanto azoto fosse stato sbloccato. Hanno scoperto che, man mano che la foresta invecchia, il suolo diventa in realtà molto più bravo a sbloccare l'azoto, anche se la quantità totale di azoto "pronto da mangiare" presente nel suolo non è cambiata molto. Si scopre che in queste foreste fredde, gli alberi più vecchi creano una cucina frenetica ed efficiente dove l'azoto viene costantemente riciclato e utilizzato, invece di rimanere semplicemente ammucchiato.

La storia della cucina della foresta ghiacciata

Pensa al suolo della foresta come a un ristorante affollato. Gli alberi sono i clienti e il suolo è la cucina. L'ingrediente più importante per la crescita degli alberi è l'azoto, ma nel suolo è per lo più bloccato in uno stato "congelato" all'interno di foglie morte e radici. Per ottenerlo, il suolo deve compiere un trucco magico chiamato mineralizzazione, dove i microbi agiscono come chef per scomporre la materia organica e rilasciare l'azoto in una forma che le piante possano deglutire.

Nelle regioni del permafrost della Cina nordorientale, questa cucina è solitamente lenta. Il terreno è freddo e gli chef (i microbi) sono pigri. Ma cosa succede quando la foresta invecchia? Gli alberi finiscono per avere una cucina migliore, o il freddo tiene tutto bloccato? Un team di scienziati della Università di Shaoguan ha deciso di scoprirlo studiando tre diverse "età" di foreste di betulla bianca: una giovane (25 anni), una di mezza età (40 anni) e una vecchia (61 anni).

L'esperimento: Un mese nella vita del suolo

Per vedere come funziona la cucina, gli scienziati non si sono limitati a scattare una fotografia; hanno osservato il suolo cucinare nel tempo. Da maggio a ottobre 2018, hanno allestito una serie di "incubatori" proprio nella foresta. Hanno infilato dei tubi di plastica (nuclei in PVC) nel terreno, li hanno riempiti di suolo e li hanno lasciati lì per un mese.

Immaginate questi tubi come piccole capsule del tempo. Gli scienziati hanno estratto immediatamente un set di tubi per vedere quanto azoto ci fosse all'inizio. Poi, hanno lasciato un altro set nel terreno per un mese. Quando hanno estratto quelli un mese dopo, hanno potuto misurare esattamente quanto nuovo azoto era stato "cucinato" o sbloccato dai microbi durante quel tempo. Hanno fatto questo per cinque mesi diversi, controllando sia lo strato superiore del suolo (0–10 cm) che lo strato appena sotto (10–20 cm).

Cosa hanno scoperto: La cucina diventa più veloce, ma la dispensa resta la stessa

I risultati sono stati un po' sorprendenti e molto interessanti.

1. Il mucchio di "pronto da mangiare" non è cresciuto
Quando gli scienziati hanno guardato la quantità totale di azoto presente nel suolo in un dato momento (il "Min-N"), era approssimativamente la stessa per tutte e tre le età della foresta. Che la foresta avesse 25 o 61 anni, il suolo conteneva circa 8,39 mg·kg⁻¹, 8,15 mg·kg⁻¹ e 8,49 mg·kg⁻¹ di azoto, rispettivamente. È come se la dispensa del ristorante avesse lo stesso numero di piatti di cibo, indipendentemente da quanto fosse vecchio il ristorante.

2. Ma gli chef sono diventati molto più veloci!
È qui che la storia si fa eccitante. Mentre la quantità di cibo nella dispensa non cambiava, la velocità con cui gli chef lo cucinavano aumentava drasticamente. Il tasso con cui l'azoto veniva sbloccato (mineralizzazione netta dell'N) è aumentato significativamente con l'invecchiamento della foresta:

• Nella foresta di 25 anni, il tasso era di un lento 0,11 mg·kg⁻¹·d⁻¹.
• Nella foresta di 40 anni, è accelerato a 0,46 mg·kg⁻¹·d⁻¹.
• Nella foresta di 61 anni, era il più veloce a 0,67 mg·kg⁻¹·d⁻¹.

Questo significa che nelle foreste più vecchie, l'azoto viene sbloccato e utilizzato molto più rapidamente. È una cucina ad alto turnover dove il cibo viene cucinato, mangiato e riciclato rapidamente, invece di restare sullo scaffale.

3. La forma del cibo è cambiata
Gli scienziati hanno anche notato un cambiamento nel tipo di azoto disponibile. Nelle foreste più giovani, c'era più nitrato (un tipo specifico di azoto), ma con l'invecchiamento della foresta, i livelli di nitrato sono diminuiti e l'ammonio (un altro tipo) è aumentato. Sembra che le foreste più vecchie siano più brave a trattenere l'ammonio, forse perché il terreno freddo e acido rende più difficile trasformare l'ammonio in nitrato.

4. Lo strato superiore è la sezione VIP
Proprio come in ogni buona cucina, lo scaffale superiore è quello più trafficato. Lo strato superiore del suolo (0–10 cm) era molto più attivo dello strato sottostante (10–20 cm). Nella foresta di 40 anni, lo strato superiore era 5,38 volte più attivo dello strato inferiore! Questo ha senso perché è lì che cadono le foglie e dove vivono i microbi.

Perché succede questo? Gli ingredienti segreti

Quindi, cosa rende le cucine delle foreste più vecchie così veloci? Gli scienziati hanno svolto un lavoro da detective per trovare i "motori" dietro questo cambiamento. Hanno scoperto che tre fattori principali muovevano le fila:

1. Temperatura del suolo: Anche piccoli cambiamenti di calore aiutavano i microbi a lavorare di più.
2. Azoto totale: Le foreste più vecchie avevano più azoto totale nel suolo sin dall'inizio, dando agli chef più materia prima.
3. Biomassa microbica: Le foreste più vecchie avevano una popolazione più numerosa di chef microbici pronti a fare il lavoro.

Lo studio suggerisce che man mano che la foresta di betola bianca cresce, costruisce un ambiente migliore per questi piccoli chef. Gli alberi perdono più foglie e radici, nutrendo i microbi, che a loro volta sbloccano l'azoto più velocemente. È un ciclo positivo: alberi più grandi significano un suolo migliore, il che significa che un suolo migliore sostiene alberi più grandi.

La conclusione

Questa ricerca ci dice che anche nelle zone fredde e ghiacciate del nord, le foreste hanno un modo per diventare più intelligenti ed efficienti con l'età. Sebbene la quantità totale di azoto nel suolo non necessariamente si accumuli, il sistema diventa molto più dinamico. L'azoto viene costantemente riciclato e reso disponibile per gli alberi.

Questa è una buona notizia per la salute di queste foreste del permafrost. Suggerisce che lasciare che queste foreste crescano e maturino è una chiave fondamentale per mantenerle sane e produttive. Gli scienziati sperano che questa conoscenza aiuti i gestori a decidere come prendersi cura di queste foreste, assicurando che continuino a prosperare in un clima che cambia. Tuttavia, sottolineano anche che queste foreste sono comunque più lente rispetto alle foreste in luoghi più caldi, ricordandoci che il freddo è ancora una forza potente nel nord.