Selama berabad-abad, hutan mempunyai ritme yang sangat konstan. Di bawah pepohonan, akar dan organisme mikroskopis secara teratur melepaskan karbon dioksida ke atmosfer saat mereka menguraikan bahan organik dan mendorong pertumbuhan tanaman.
Para ilmuwan menyebut proses ini sebagai respirasi tanah dan ini merupakan salah satu fluks karbon terbesar di Bumi.
Penelitian baru menunjukkan bahwa ritme alami ini terganggu oleh polusi yang semakin meningkat dan sering diabaikan: kelebihan nitrogen.
Polusi nitrogen melanda hutan di seluruh dunia
Pada pagi musim semi yang sejuk, lantai hutan tampak tenang dan hening. Namun di bawah permukaan, miliaran mikroba bekerja keras untuk menguraikan daun, kayu, dan bahan organik lainnya. Pada saat yang sama, akar kecil melepaskan karbon dioksida saat mereka tumbuh dan berfungsi.
Bersama-sama, proses-proses ini menciptakan pertukaran karbon yang konstan antara bumi dan atmosfer.
Namun, selama beberapa dekade, hutan telah terkena polusi nitrogen dalam jumlah yang semakin meningkat. Pupuk, emisi kendaraan, dan aktivitas industri melepaskan nitrogen reaktif ke udara, yang sebagian besar pada akhirnya kembali ke tanah dalam bentuk hujan, salju, atau partikel di udara.
Sejak revolusi industri, aktivitas manusia meningkat hampir tiga kali lipat dari pengendapan nitrogen global.
Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa kelebihan nitrogen berdampak pada ekosistem hutan. Yang masih belum jelas adalah mengapa beberapa penelitian menunjukkan nitrogen meningkatkan respirasi tanah, sementara penelitian lain menemukan efek sebaliknya.
Memecahkan misteri hutan yang sudah lama ada
Untuk menyelidikinya, tim peneliti internasional mengumpulkan salah satu kumpulan data terbesar yang pernah digunakan untuk mempelajari respirasi tanah.
Analisisnya menggabungkan:
- 168 percobaan penambahan nitrogen dilakukan di hutan di seluruh dunia
- 3.689 pengamatan respirasi alami tanah
- Peta global menunjukkan hutan dengan nitrogen terbatas dan hutan jenuh nitrogen
- Data deposisi nitrogen resolusi tinggi
- Pengukuran respirasi akar dan respirasi mikroba
Tim kemudian menggunakan pembelajaran mesin untuk memodelkan bagaimana hutan di seluruh dunia merespons peningkatan masukan nitrogen.
Kesimpulan mereka ternyata sangat sederhana: Tidak semua hutan memberikan respons yang sama. Sebaliknya, mereka biasanya mengikuti salah satu dari dua jalur berbeda.
Ketika nitrogen bertindak sebagai pupuk
Di hutan yang kekurangan nitrogen, tambahan nitrogen pada awalnya dapat merangsang aktivitas biologis.
Hutan dengan nitrogen terbatas ini sering ditemukan di daerah boreal dan lanskap pegunungan terpencil.
Ketika nitrogen tersedia, mikroba menjadi lebih aktif, akar tumbuh lebih cepat, dan bahan organik terurai lebih cepat. Akibatnya respirasi tanah meningkat.
Namun manfaatnya tidak bertahan selamanya.
Ketika kadar nitrogen terus meningkat, dampak positifnya mulai memudar. Toksisitas dapat terjadi, sumber karbon yang tersedia akan habis, dan peningkatan respirasi tanah pada akhirnya akan menurun sebelum akhirnya menurun.
Para peneliti menggambarkan pola ini sebagai respons berbentuk U terbalik. Respirasi tanah meningkat, mencapai maksimum, dan kemudian mulai menurun.
Ketika nitrogen mendorong hutan melampaui batas kemampuannya
Situasinya sangat berbeda di hutan yang sudah mengandung nitrogen dalam jumlah tinggi.
Dalam ekosistem yang jenuh nitrogen, tambahan nitrogen dapat mendorong sistem melampaui ambang batas toleransinya.
Komunitas mikroba berubah. Spesies sensitif menghilang. Akar halus menyusut atau mati. Keasaman tanah meningkat.
Alih-alih bereaksi secara bertahap, respirasi tanah mungkin akan menurun tajam.
Penurunan tajam seperti ini biasa terjadi di wilayah yang mengalami polusi nitrogen tinggi selama beberapa dekade, termasuk sebagian Eropa, Tiongkok bagian timur, dan Amerika Serikat bagian timur, menurut penelitian tersebut.
Akibatnya, dua hutan yang menerima jumlah nitrogen yang sama mungkin bereaksi berbeda. Yang satu mungkin mengalami peningkatan aktivitas tanah, sementara yang lain mungkin mengalami penurunan yang signifikan.
Koneksi iklim yang tersembunyi
Hasil ini penting karena respirasi tanah sangat besar dalam skala global.
Para peneliti memperkirakan bahwa karbon yang dilepaskan melalui respirasi tanah tujuh hingga delapan kali lebih besar daripada emisi tahunan bahan bakar fosil yang dihasilkan manusia.
Bahkan perubahan yang relatif kecil pun dapat mempunyai dampak yang signifikan.
Secara keseluruhan, penelitian ini menemukan bahwa pengendapan nitrogen meningkatkan respirasi tanah secara keseluruhan sekitar 5%. Sebagian besar hutan masih memiliki jumlah nitrogen yang terbatas sehingga penambahan nitrogen masih dapat menstimulasi aktivitas biologis.
Namun, penurunan respirasi yang terjadi di hutan yang jenuh nitrogen belum tentu merupakan kabar baik.
Penurunan emisi karbon dioksida dari tanah di kawasan ini sering kali mencerminkan penurunan aktivitas akar dan berkurangnya populasi mikroba. Hutan merupakan elemen kunci ekosistem yang sehat dan berperan penting dalam membangun dan memelihara simpanan karbon di dalam tanah.
Dengan kata lain, pengurangan emisi karbon dioksida kadang-kadang bisa menandakan hilangnya ketahanan ekosistem dibandingkan manfaat lingkungan.
Kerangka kerja baru untuk memprediksi respons hutan
Dengan menggabungkan ribuan pengamatan dan penelitian ekologi selama puluhan tahun, para ilmuwan telah mengembangkan kerangka kerja baru untuk menjelaskan respons bertahap dan mendadak yang diamati di seluruh dunia.
Kerangka kerja tersebut meliputi:
- Batasan biokimia
- Toleransi nitrogen spesifik spesies
- Perubahan komposisi komunitas
- Titik kritis ekologis
- Pola pengendapan nitrogen global
Untuk pertama kalinya, para peneliti mengatakan mereka dapat memprediksi dengan lebih pasti bagaimana polusi nitrogen akan mempengaruhi respirasi tanah di seluruh planet ini.
Mengapa penting untuk mengurangi polusi nitrogen
Upaya untuk mengurangi polusi nitrogen sudah dilakukan karena kekhawatiran terhadap hilangnya keanekaragaman hayati dan kualitas udara.
Temuan baru ini menunjukkan manfaat penting lainnya.
Mengurangi masukan nitrogen dari pertanian, transportasi dan industri dapat membantu melindungi karbon yang tersimpan di tanah hutan.
Dengan mencegah ekosistem melewati ambang batas saturasi nitrogen, hutan akan lebih mampu mempertahankan proses siklus karbon alaminya dan tetap tangguh seiring perubahan iklim.
Kolaborator: Land-CRAFT di Aarhus University, Stanford University, National Forestry and Grassland Administration Harbin China, Pacific Northwest National Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Beijing Normal University, Maastricht University, SLAC National Accelerator Laboratory, Duke University, dan Karlsruhe Institute of Technology.
Pendanaan: Pekerjaan ini didukung secara finansial oleh National Natural Science Foundation of China (32430067, 32588202, 42141004) dan National Key R&D Program of China (2023YFF1305900, 2022YFF080210102) yang diterima oleh NH, dan Pioneer Center for Landscape Research on Sustainable Agricultural Future (Land-CRAFT), DNRF. hibah nomor P2 yang diterima KBB
