Hur skogar reagerar på förhöjda kvävehalter från luftföroreningar är inte alltid detsamma. Medan en skog filtrerar kväve som förväntat, en högre andel än tidigare sett lämnar systemet igen som den potenta växthusgasen dikväveoxid, säger forskare.

"Jag tror att det vi har beskrivit är ett nytt exempel på hur skogar reagerar på höga atmosfäriska insatser, sa Jason Kaye, professor i biogeokemi vid Penn State.

Skogar fungerar som viktiga filter av kväve från luftföroreningar som förbränning av fossila bränslen, buffra näringsämnet från att rinna ut i vattendrag och orsaka miljöskador.

"Förr, forskare har definierat ett begränsat antal sätt som skogar kan reagera på när de ackumulerar ny kvävetillförsel från luftföroreningar, " sa Kaye. "Vi ser mycket kväve komma in, men det verkar gå som en gas, och det är en ny vändning på vår förståelse av hur skogar kommer att reagera på luftföroreningar."

Tidigare studier har visat att skogar absorberar så mycket som 90 procent av kväve som faller från atmosfären med regn. När skogarna blir mättade, extra kväve absorberas inte lika effektivt och transporteras nedförsbacke till bäckar, där den kan lämna systemet och bidra till vattenförorening.

En del av kvävet förbrukas också av mikrober som finns i våta, syrefattiga jordar nära vattendrag och våtmarker, och omvandlas till växthusgasen lustgas, som så småningom återgår till atmosfären.

I den nya studien, nyligen publicerad i Journal of Geophysical Research:Biogeosciences , forskare fann att skogen absorberade mer än hälften av kvävet från luftföroreningar, men att lustgasproduktionen sker i högre takt än förväntat, och i höglänta delar av vattendelaren som inte tidigare studerats. Kväveoxidproduktionen i höglandet var en av de högsta produktionerna av kväve i systemet.

"Att flytta till höglänta områden längre bort från bäcken, du förväntar dig inte att det ska vara så blött, " sa Julie Weitzman, en postdoktor vid CUNY Advanced Science Research Center och Cary Institute of Ecosystem Studies. "Men att känna till områdets hydrologi, speciellt vall och mellansluttning med djup jord, det kan definitivt bli mättat från avrinning från åsens toppar och konvergent flöde som rör sig till konkava områden."

Forskare sa att kvävebudgeten de utvecklade kan leda till en bättre förståelse av hur stora landskap, som skogarna i nordöstra USA, kommer att reagera på stigande kvävenivåer i atmosfären.

"Vi vill kunna förutsäga hur skogens ekosystem kommer att buffra strömmar från luftföroreningar, ", sa Kaye. "Vi vill kunna projicera det i framtiden under massor av olika scenarier. Jag tror att det här arbetet tyder på att vi verkligen behöver tänka på kontroller av kvävgasförluster från höglandet när vi bygger upp den förståelsen."

Studien är också en av de första som skapade en kvävebudget som inkluderar insatser från stenvittring. Forskare sa att cirka 10 procent av den årliga kvävetillförseln kommer från stenvittring. Eftersom skifferberggrunden är utbredd på jordens yta, stenvittring utgör en viktig del av kvävebudgeten som har saknats i tidigare studier, sa forskarna.

Weitzman, vem är huvudförfattare på tidningen, genomförde forskningen medan han var doktorand vid Penn State. Hon samlade fältprover i två år från det närliggande Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, del av ett National Science Foundation-finansierat nätverk som främjar tvärvetenskaplig forskning om jordytans vetenskap.

Susan Brantley, framstående professor i geovetenskap vid College of Earth and Mineral Sciences och chef för Earth and Environmental Systems Institute i Penn State, är huvudutredare på Shale Hills CZO-projektet.

"CZO är unik genom att det finns så många olika samarbetspartners där ute som tittar på olika aspekter av den kritiska zonen, ", sade Weitzman. "Det fanns mycket data och många människor som tittade på olika aspekter. Du behöver inte gå ut och försöka ta itu med varje liten aspekt av kvävebudgeten ensam. Vi lägger ihop den här budgeten med lite information från alla som har jobbat där ute."

CZO har två skogsområden nära Shaver's Creek Environmental Center i Huntingdon County. Projektet utökades nyligen till att omfatta en jordbruksplats som ägs av Herbert Cole, professor emeritus vid lantbrukshögskolan.

"Vi ackumulerar dessa huvudvattenavrinningar som hjälper oss att förutsäga vad som händer i Shaver's Creek, " sa Kaye. "Vi har en förståelse för det skogklädda avrinningsområdet. Vattnet rör sig ner förbi jordbrukslandskap, och vi måste ta samma kvävebudgetstrategi och tillämpa den på Cole Farm och se vad vi lär oss där."