Hoe bossen reageren op verhoogde stikstofniveaus door luchtvervuiling is niet altijd hetzelfde. Terwijl een bos stikstof filtert zoals verwacht, een hoger percentage dan eerder gezien verlaat het systeem weer als het krachtige broeikasgas lachgas, zeggen onderzoekers.

"Ik denk dat wat we hebben beschreven een nieuw voorbeeld is van hoe bossen reageren op hoge atmosferische inputs, " zei Jason Kaye, hoogleraar biogeochemie aan Penn State.

Bossen dienen als belangrijke filters van stikstof tegen atmosferische vervuiling zoals de verbranding van fossiele brandstoffen, het bufferen van de voedingsstof zodat deze niet in stromen terechtkomt en milieuschade veroorzaakt.

"Vroeger, wetenschappers hebben een beperkt aantal manieren gedefinieerd waarop bossen kunnen reageren, aangezien ze nieuwe stikstoftoevoer door atmosferische vervuiling accumuleren, " zei Kaye. "We zien veel stikstof binnenkomen, maar het lijkt te vertrekken als een gas, en dat is een nieuwe draai aan ons begrip van hoe bossen zullen reageren op luchtvervuiling."

Eerdere studies toonden aan dat bossen maar liefst 90 procent van de stikstof absorberen die met regen uit de atmosfeer valt. Wanneer bossen verzadigd raken, extra stikstof wordt niet zo effectief geabsorbeerd en bergafwaarts naar beken getransporteerd, waar het het systeem kan verlaten en kan bijdragen aan watervervuiling.

Een deel van de stikstof wordt ook geconsumeerd door microben die worden aangetroffen in natte, zuurstofarme bodems in de buurt van beken en wetlands, en wordt omgezet in het broeikasgas lachgas, die uiteindelijk terugkeert naar de atmosfeer.

In de nieuwe studie onlangs gepubliceerd in de Journal of Geophysical Research:Biogeowetenschappen , onderzoekers ontdekten dat het bos meer dan de helft van de stikstof uit de luchtvervuiling absorbeerde, maar dat de productie van lachgas sneller plaatsvindt dan verwacht, en in hooggelegen delen van het stroomgebied die niet eerder zijn onderzocht. De productie van lachgas in het hoogland was een van de hoogste stikstofopbrengsten in het systeem.

"Verhuizen naar hoger gelegen gebieden verder weg van de stroom, je verwacht niet dat het zo nat is, " zei Julie Weitzman, een postdoctoraal onderzoeker aan het CUNY Advanced Science Research Center en het Cary Institute of Ecosystem Studies. "Maar als we de hydrologie van het gebied kennen, vooral de wadi en middenhelling met diepe grond, het kan zeker verzadigd raken door afvoer van de bergkammen en convergerende stroming die naar concave gebieden gaat."

Onderzoekers zeiden dat het stikstofbudget dat ze ontwikkelden zou kunnen leiden tot een beter begrip van hoe grote landschappen, zoals de bossen van het noordoosten van de V.S., zal reageren op stijgende stikstofniveaus in de atmosfeer.

"We willen kunnen voorspellen hoe bosecosystemen stromen gaan bufferen tegen luchtvervuiling, "Zei Kaye. "We willen dat in de toekomst kunnen projecteren onder veel verschillende scenario's. Ik denk dat dit werk suggereert dat we echt moeten nadenken over controles op stikstofgasverliezen uit hooglanden terwijl we dat inzicht opbouwen."

De studie is ook een van de eerste die een stikstofbudget opstelt dat inputs van steenverwering omvat. Onderzoekers zeiden dat ongeveer 10 procent van de jaarlijkse stikstoftoevoer afkomstig is van verwering van rotsen. Omdat schaliegesteente wijdverbreid is op het aardoppervlak, steenverwering vertegenwoordigt een belangrijk onderdeel van het stikstofbudget dat in eerdere studies ontbrak, aldus de onderzoekers.

Weitzman, wie is de hoofdauteur van het papier, voerde het onderzoek uit terwijl een afgestudeerde student aan Penn State. Ze verzamelde twee jaar lang veldmonsters van het nabijgelegen Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, onderdeel van een door de National Science Foundation gefinancierd netwerk ter bevordering van interdisciplinair onderzoek naar aardoppervlakwetenschap.

Susan Brantley, vooraanstaand hoogleraar geowetenschappen aan het College of Earth and Mineral Sciences en directeur van het Earth and Environmental Systems Institute in Penn State, is hoofdonderzoeker van het Shale Hills CZO-project.

"De CZO is uniek omdat er zoveel verschillende medewerkers zijn die naar verschillende aspecten van de kritieke zone kijken, " Zei Weitzman. "Er waren veel gegevens en veel mensen keken naar verschillende aspecten. U hoeft niet naar buiten te gaan om elk klein aspect van het stikstofbudget alleen aan te pakken. We hebben dit budget samengesteld met een beetje informatie van iedereen die daar heeft gewerkt."

De CZO beschikt over twee beboste locaties in de buurt van het Shaver's Creek Environmental Center in Huntingdon County. Het project is onlangs uitgebreid met een landbouwterrein dat eigendom is van Herbert Cole, emeritus hoogleraar aan het College van Landbouwwetenschappen.

"We verzamelen deze bovenloopstroomgebieden die ons helpen te voorspellen wat er gaande is in Shaver's Creek, "Zei Kaye. "We hebben begrip voor het beboste stroomgebied. Het water stroomt langs agrarische landschappen, en we moeten dezelfde stikstofbegrotingsaanpak volgen en toepassen op Cole Farm en kijken wat we daar leren."