几个世纪以来，森林遵循着一种remarkably consistent的节奏。在树木下，根和微生物不断将二氧化碳释放到大气中，分解有机材料并促进植物生长。科学家称这种过程为土壤呼吸，它代表了地球上最大的碳流之一。新的研究表明，这种自然节奏正在受到一种日益增加且常常被忽视的污染形式的干扰：过量氮。氮污染正在全球森林中扩散在一个凉爽的春天早晨，森林地面可能看起来平静而静止。然而在表面下，数十亿微生物正在努力分解树叶、木材和其他有机物。同时，细小的根在生长和功能时释放出二氧化碳。这些过程共同创造了土壤与大气之间碳的稳定交换。然而，几十年来，森林一直暴露在越来越多的氮污染中。化肥、汽车排放和工业活动将反应性氮释放到空气中，其中很多最终通过雨水、雪或空气中颗粒物回到地面。自工业革命以来，人类活动使全球氮沉积大约增加了三倍。科学家们早已知道过量氮会影响森林生态系统。然而尚不清楚的是为什么一些研究发现氮增加了土壤呼吸，而另一些则发现了相反的效果。解决一个长期的森林之谜为了调查，一组国际研究人员汇集了有史以来最大的数据集之一，以研究土壤呼吸。分析结合了：168个在全球森林中进行的氮添加实验，3689个自然土壤呼吸的观察，显示氮限制和氮饱和森林的全球地图，高分辨率氮沉积数据，根呼吸和微生物呼吸的测量。然后，该团队使用机器学习对全球森林对增加氮输入的反应进行了建模。他们的结论出人意料地简单：森林并不是都以相同的方式反应。相反，它们通常遵循两条不同的路径。当氮像肥料一样发挥作用在氮稀缺的森林中，额外的氮最初可以刺激生物活动。这些氮限制的森林通常出现在北方地区和偏远的山地景观中。当氮变得可用时，微生物变得更加活跃，根系生长得更快，分解有机物的速度加快。因此，土壤呼吸增加。但好处并不会无限期地持续。当氮水平继续上升时，积极的效果开始减退。毒性可能会产生，可用的碳源耗尽，土壤呼吸的增加最终会平稳下来，然后下降。研究人员将这种模式描述为倒U形反应。土壤呼吸上升，达到峰值，然后开始下降。当氮推动森林超出其极限时，情况在已经包含高氮水平的森林中看起来很不同。在这些氮饱和生态系统中，额外的氮可能会将系统推向其耐受阈值之外。微生物群落发生变化。敏感物种消失。细根缩小或死亡。土壤酸度增加。土壤呼吸没有呈现出逐渐的反应，而是可能会急剧下降。根据研究，这种突然下降在经历了几十年重度氮污染的地区是常见的，包括欧洲的部分地区、中国东部和美国东部。因此，接受相似数量氮的两片森林可能会以完全不同的方式反应。一片可能经历土壤活动的增加，而另一片可能遭遇重大下降。一个隐秘的气候联系这些发现重要，因为土壤呼吸在全球范围内极其庞大。研究人员估计，通过土壤呼吸释放的碳是人类产生的年度化石燃料排放的七到八倍。即使是相对较小的变化也可能具有重要的影响。总体而言，研究发现氮沉积使全球土壤呼吸大约增加了5%。大多数森林仍然氮限制，额外的氮仍然刺激生物活动。然而，在氮饱和森林中观察到的呼吸下降并不一定是好消息。这些地区土壤中较低的二氧化碳排放通常反映了根系活动的下降和微生物种群的缩小。这些是健康生态系统的关键组成部分，并在建立和维持土壤碳储量中发挥重要作用。换句话说，较少的二氧化碳释放有时可能表明生态系统弹性的丧失，而不是环境利益。预测森林反应的新框架通过将数千个观察结果与数十年的生态研究相结合，科学家们开发了一种新的框架来预测森林对氮的反应。