Tropiska skogar är allierade i kampen mot klimatförändringarna. Växande träd absorberar koldioxidutsläpp och lagrar dem som vedartad biomassa. Som ett resultat, återplantering av mark som en gång röjts för avverkning, brytning, och jordbruk ses som ett kraftfullt verktyg för att låsa upp stora mängder koldioxidutsläpp i de sydamerikanska tropikerna.

Men ny forskning publicerad i Naturkommunikation visar att tropiska skogars förmåga att låsa upp kol beror på en grupp träd som har en unik talang – förmågan att fixera kväve från atmosfären.

Studien modellerade hur blandningen av trädslag som växer i en tropisk skog efter en störning, som att klippa, kan påverka skogens förmåga att binda kol. Teamet fann att närvaron av träd som fixerar kväve kan fördubbla mängden kol en skog lagrar under sina första 30 år av återväxt. Vid mognad, skogar med kvävefixering tog upp 10% mer kol än skogar utan.

Sarah Batterman, en forskare vid Cary Institute of Ecosystem Studies och medförfattare på tidningen, förklarar, "Vi vill använda detta arbete för att vägleda tropisk återplantering för att optimera kolupptag och motståndskraft. Detta kräver förståelse för vilken blandning av träd som behövs för att maximera långsiktig kollagring samtidigt som de tål framtida klimatförhållanden. Våra resultat tyder på att kvävefixerande träd är en nyckelingrediens i återplanteringsreceptet."

Kvävefixerande växter samarbetar med jordmikrober för att förvandla atmosfärisk kvävgas till en form av kväve som är tillgänglig för att driva växttillväxt. Genom dessa interaktioner, kvävefixerare kan självgödsla. Denna anpassning ger dem ett försprång i nyligen rensade, tropiska jordar med tidiga följder som är kvävefattiga. Fixer hjälper också till att befrukta närliggande växter när de fäller sina löv och återför kväve till jorden.

I tropikerna, kvävefixerande träd är vanliga, men de kan vara relativt sällsynta i nyligen återhämtade skogar. Deras stora, Näringspackade frön sprids ofta av vilda djur. Att ha djurspridda frön är en nackdel i de tidiga stadierna av skogens återväxt, när djur som en gång levt i skogen ännu inte har återvänt. Att plantera fixerare som en del av återplanteringsarbetet kan öka skogens utveckling och kolansamling.

Batterman säger, "För att förstå funktionen av kvävefixerande träd i en tropisk skog, vi måste isolera deras effekter. Vi kan inte göra det i en riktig skog eftersom att lägga till eller ta bort träd skulle förändra andra aspekter av ekosystemet, såsom ljustillgänglighet, vilket skulle förvränga fynden. Det skulle också ta decennier till århundraden att mäta. Istället, vi utvecklade en modell för att kvantifiera ekosystemprocesser, som kvävecykling, som påverkar skogens tillväxt och kolbindning."

Med hjälp av data som samlats in på 112 tropiska skogstomter i Panama - ett register som innehåller data om över 13, 000 individuella träd i åldrarna från fem till 300 år efter störningen – forskargruppen utvecklade en modell som representerar interaktioner mellan jord, växter, och näringsämnen i omfattningen av enskilda träd. Modellen tar hänsyn till konkurrensen mellan växter om ljus och näringsämnen, näringscykling mellan växter och jorden, och kvävefixering på trädnivå.

Träd klassificerades i fyra grupper som är unika för olika stadier av skogens återväxt, inklusive tidiga, mitten-, och sen efterföljande arter, plus kvävefixerare. Genom att ändra trädens förmåga att fixera kväve i sin modell, teamet kunde förutsäga hur snabbt kol ackumulerades i en skog och hur mycket kol det kunde lagra.

Batterman förklarar:"Skogar med kvävefixerande träd växer snabbare i tidig följd och har en högre kollagringspotential än skogar utan kvävefixerare. De återhämtar sig också snabbare när de konfronteras med störningar."

För att kvantifiera kvävekretsloppet i tropiska skogar, många befintliga modeller använder ekosystemomfattande parametrar som evapotranspiration och netto primärproduktion för att uppskatta kvävefixeringsflöden. Dessa modeller tenderar att överskatta mängden kväve i systemet.

Huvudförfattare Jennifer Levy-Varon, som arbetade med studien medan han var postdoktor vid Princeton University, säger, "Vår modell är unik eftersom istället för att titta på ekosystemomfattande processer och använda dem för att uppskatta kväveflöden, vi finslipar på enskilda träd. Detta ger oss en mer exakt förståelse av kvävefixerers bidrag till skogens kvävebudget och tillhörande koldioxidbindning. "

För att sätta vikten av kvävefixerande träd i sitt sammanhang, teamet använde sin modell för att förutsäga hur mycket ytterligare kol som skulle kunna lagras i skogbevuxna områden i tropiska länder baserat på areal som utlovats under Bonn Challenge.

"Bonn-utmaningen är en internationell satsning på att återskapa 350 miljoner hektar mark år 2030. Vi fann att genom att inkludera kvävebindande träd i dessa insatser, tropiska länder kan avsätta ytterligare 6,7 Gt koldioxid under de kommande 20 åren. För att ge detta nummer ett sammanhang, 6,4 Gt var den totala mängden CO ₂ ekvivalenter som släpptes ut i USA 2017. Det är jämförbart med att köra 15,6 biljoner miles, vilket är ungefär 5 år av amerikanska fordonsutsläpp, säger Batterman.

Medförfattare Lars Hedin, Professor i ekologi och evolutionsbiologi vid Princeton University, avslutar, "Denna modell får oss närmare att förstå vikten av tropiska skogar i den globala kolcykeln, och deras roll i att avlägsna växthusgasen koldioxid från atmosfären. "