Kể từ thời kỳ Cách mạng Công nghiệp, các hoạt động của con người đã làm lượng nitơ lắng đọng trên toàn cầu tăng lên khoảng gấp ba lần. Phân bón nông nghiệp, khí thải từ phương tiện giao thông và hoạt động công nghiệp đã thải ra môi trường một lượng lớn nitơ phản ứng. Phần lớn trong số đó cuối cùng quay trở lại mặt đất thông qua mưa, tuyết hoặc các hạt bụi trong không khí.
Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng lượng nitơ dư thừa có thể làm thay đổi hệ sinh thái rừng. Tuy nhiên, một câu hỏi vẫn chưa có lời giải rõ ràng: vì sao một số nghiên cứu cho thấy nitơ làm tăng quá trình hô hấp của đất, trong khi những nghiên cứu khác lại ghi nhận điều ngược lại?
Để tìm câu trả lời, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã xây dựng một trong những bộ dữ liệu lớn nhất từng được sử dụng để nghiên cứu hô hấp đất. Nghiên cứu tổng hợp 168 thí nghiệm bổ sung nitơ tại các khu rừng trên khắp thế giới, 3.689 quan sát về hô hấp đất trong điều kiện tự nhiên, các bản đồ toàn cầu xác định những khu rừng thiếu nitơ và những khu rừng đã bão hòa nitơ, dữ liệu chi tiết về lượng nitơ lắng đọng, các phép đo riêng biệt đối với hô hấp của rễ cây và vi sinh vật đất.
Các nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ học máy (machine learning) để mô phỏng cách các khu rừng trên toàn cầu phản ứng với lượng nitơ ngày càng tăng. Kết quả cho thấy một điều khá đơn giản nhưng quan trọng: không phải mọi khu rừng đều phản ứng giống nhau. Thay vào đó, chúng thường đi theo hai hướng khác biệt.
Ở những khu rừng thiếu nitơ, việc bổ sung thêm nguyên tố này có thể kích thích hoạt động sinh học. Các khu rừng dạng này thường xuất hiện ở vùng hàn đới hoặc các khu vực núi cao xa xôi. Khi nitơ trở nên dồi dào hơn, vi sinh vật hoạt động mạnh hơn, rễ cây phát triển nhanh hơn và vật chất hữu cơ bị phân hủy nhanh hơn. Kết quả là quá trình hô hấp đất gia tăng. Tuy nhiên, tác động tích cực này không kéo dài mãi mãi. Khi lượng nitơ tiếp tục tăng, những lợi ích ban đầu dần suy giảm. Độc tính có thể xuất hiện, các nguồn carbon dễ sử dụng bị cạn kiệt và tốc độ hô hấp đất bắt đầu chững lại trước khi giảm xuống. Các nhà nghiên cứu mô tả hiện tượng này bằng mô hình “đường cong chữ U ngược”: hô hấp đất tăng lên, đạt đỉnh rồi giảm dần.
Trong các hệ sinh thái đã bão hòa nitơ, việc tiếp tục bổ sung nitơ có thể đẩy môi trường vượt qua ngưỡng chịu đựng tự nhiên. Khi đó, cấu trúc cộng đồng vi sinh vật thay đổi nhiều loài nhạy cảm biến mất, các rễ cây nhỏ bị thu hẹp hoặc chết dần, độ axit trong đất gia tăng.
Thay vì thay đổi từ từ, quá trình hô hấp đất có thể sụt giảm đột ngột. Theo nghiên cứu, hiện tượng này đặc biệt phổ biến tại các khu vực đã phải chịu ô nhiễm nitơ nặng nề trong nhiều thập kỷ, bao gồm một số vùng ở châu Âu, miền đông Trung Quốc và miền đông Hoa Kỳ. Điều đó đồng nghĩa với việc hai khu rừng nhận lượng nitơ tương đương nhau vẫn có thể phản ứng hoàn toàn khác nhau: một nơi hoạt động sinh học tăng lên, trong khi nơi khác lại suy giảm nghiêm trọng.
Phát hiện này đặc biệt quan trọng bởi hô hấp đất là một trong những dòng carbon lớn nhất trên hành tinh. Các nhà nghiên cứu ước tính lượng carbon được giải phóng từ hô hấp đất lớn gấp 7–8 lần tổng lượng phát thải nhiên liệu hóa thạch hằng năm do con người tạo ra. Vì vậy, ngay cả những thay đổi nhỏ cũng có thể dẫn đến những tác động đáng kể đối với khí hậu toàn cầu.
Nhìn chung, nghiên cứu cho thấy lượng nitơ lắng đọng hiện nay làm hô hấp đất trên toàn cầu tăng khoảng 5%. Nguyên nhân là phần lớn các khu rừng vẫn đang trong tình trạng thiếu nitơ nên được kích thích khi nhận thêm nguồn dinh dưỡng này.
Tuy nhiên, sự suy giảm hô hấp đất ở các khu rừng bão hòa nitơ không hẳn là tín hiệu tích cực. Lượng CO2 phát thải từ đất giảm trong trường hợp này thường phản ánh sự suy yếu của hệ rễ cây và sự suy giảm quần thể vi sinh vật. Đây đều là những thành phần quan trọng giúp duy trì sức khỏe hệ sinh thái và tích trữ carbon trong đất. Nói cách khác, lượng khí CO2 giảm đôi khi không phải là dấu hiệu môi trường được cải thiện, mà là dấu hiệu cho thấy hệ sinh thái đang mất dần khả năng chống chịu.
Bằng cách kết hợp hàng nghìn dữ liệu quan sát với nhiều thập kỷ nghiên cứu sinh thái học, nhóm khoa học đã xây dựng một khung lý thuyết mới để giải thích cả những phản ứng diễn ra từ từ lẫn những biến đổi đột ngột của rừng trước ô nhiễm nitơ.
Nhiều quốc gia hiện đã triển khai các biện pháp cắt giảm ô nhiễm nitơ nhằm bảo vệ đa dạng sinh học và cải thiện chất lượng không khí. Nghiên cứu mới cho thấy, việc giảm lượng nitơ từ nông nghiệp, giao thông và công nghiệp có thể giúp bảo vệ nguồn carbon đang được lưu trữ trong đất rừng. Bằng cách ngăn các hệ sinh thái vượt qua ngưỡng bão hòa nitơ, các khu rừng sẽ có cơ hội duy trì chu trình carbon tự nhiên, đồng thời tăng khả năng chống chịu trước những tác động ngày càng lớn của biến đổi khí hậu.
Trong bối cảnh khí hậu toàn cầu tiếp tục nóng lên, việc kiểm soát ô nhiễm nitơ không chỉ là vấn đề môi trường địa phương mà còn là một phần quan trọng trong nỗ lực bảo vệ các hệ sinh thái rừng và cân bằng carbon của Trái Đất.
