Cunha, H.F.V., Andersen, K.M., Lugli, L.F. et al. Direct evidence for phosphorus limitation on Amazon forest productivity. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05085-2
Amazon’s growth limited by lack of phosphorus
Growth of the Amazon rainforest in our increasingly carbon-rich atmosphere could be limited by a lack of phosphorus in the soil, new research shows.
Higher concentrations of carbon dioxide (CO2) cause plants to grow more quickly, meaning they store more carbon.
This storage – especially in huge forests like the Amazon – helps to limit rising CO2 levels, slowing climate change.
However, plants also need nutrients to grow, and the new study shows that availability of a particular nutrient, phosphorus, could limit the Amazon’s ability to increase productivity (growth rate) as CO2 rises.
This could also make the rainforest less resilient to climate change, the researchers warn.
The study, published in the journal Nature, was carried out by an international team led by Brazil’s National Institute of Amazonian Research (INPA), the University of Exeter, and Nanyang Technological University.
“Our results question the potential for current high rates of carbon uptake in Amazonia to be maintained” said lead author Hellen Fernanda Viana Cunha, who is currently finishing her PhD at INPA.
“About 60% of the Amazon basin is on old soils with low phosphorus content, but the role of phosphorus in controlling productivity was unclear because most fertilisation experiments in other parts of the world have been in more phosphorus-rich systems.
“Our experiment, the Amazon Fertilisation Experiment (AFEX), examined the effects of adding phosphorus, nitrogen and base cations (other potentially key nutrients) in an old-growth, low-phosphorus area of the rainforest.
“Only phosphorus led to increased productivity in the first two years of the experiment.”
“Having such rapid and strong responses to phosphorus, both above and below ground, is an indication that the whole system was functioning under severe phosphorous limitation.” ~ Lead Author, Hellen Fernanda Viana Cunha
Soil in tropical regions such as the Amazon generally formed millions of years ago, and nutrients like phosphorus and cations, which come from chemical break down of rocks, can be lost over time.
While nutrients such as nitrogen can be absorbed from the air by micro-organisms associated with certain plants and soils, phosphorus is not available as a gas in the atmosphere – so once it is lost there is little opportunity for levels to increase.
In the new AFEX experiment, two years with extra phosphorus caused significant increases in fine root growth (29%) and canopy productivity (19%).
Stem growth did not increase. Ms Cunha said this may be because roots and leaves require more phosphorus than stems, and stem growth is a slower process.
Long-term monitoring of the experiment is required to determine whether a stem wood productivity response becomes apparent.
The findings have major implications not only for carbon storage, but also for the forest’s resilience to global changes.
“Plants grow faster with more CO2 in the atmosphere. However, results from AFEX suggest that the ability of the Amazon Forest to take advantage of increasing atmospheric CO2, which would enhance the forest’s resilience, will be ultimately limited by soil phosphorus availability,” said Assistant Professor Kelly Andersen, from Nanyang Technological University.
“Therefore, tropical forests growing on low nutrient soils may be experiencing increased risks caused by global change, with their resilience diminishing over time.
The AmazonFACE experiment – which is elevating CO2 at site near the AFEX experiment and whose international team includes researchers from the AFEX experiment– is working to address this key priority.
However, Dr Andersen said there is an urgent need to establish large-scale nutrient addition experiments across a range of tropical forest regions to better understand how soil nutrients control forest productivity and carbon cycling across the tropics.
“Whether soil phosphorus, or other nutrients, determines tropical forest productivity in low soil nutrient forests of Southeast Asia, remains uncertain.” Dr. Andersen is working with colleagues to address this research gap.
The new study was funded by the Natural Environment Research Council.
The paper is entitled: “Direct evidence for phosphorus limitation on Amazon forest productivity.”
The paper is available at the following URL: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05085-2
DOI: 10.1038/s41586-022-05085-2
An accompanying Nature News & Views article, by S. Joseph Wright, entitled “Low phosphorus levels limit carbon capture by Amazonian forests” is available at the following URL: https://www.nature.com/articles/d41586-022-02106-y
A version of this press release was published as a news blog by the College of Science, Nanyang Technological University:
https://blogs.ntu.edu.sg/science/2022/08/11/amazons-growth-limited-by-lack-of-phosphorus/
Crescimento da Amazônia limitado pela falta de fósforo
O crescimento da Floresta Amazônica em uma atmosfera cada vez mais rica em carbono pode ser limitada pela falta de fósforo no solo, mostra uma nova pesquisa.
Concentrações mais altas de dióxido de carbono (CO2) fazem com que as plantas cresçam mais rapidamente, o que significa que elas armazenam mais carbono.
Esse armazenamento – especialmente em grandes florestas como a Amazônia – ajuda a limitar o aumento dos níveis de CO2 , desacelerando a mudança climática.
No entanto, as plantas também precisam de nutrientes para crescer, e o novo estudo mostra que a disponibilidade de um determinado nutriente, o fósforo, pode limitar a capacidade da Amazônia de aumentar a produtividade (taxa de crescimento) à medida que o CO2 aumenta.
Isso também pode tornar a floresta tropical menos resiliente à mudança climática, alertam os pesquisadores.
O estudo publicado na revista Nature, foi realizado por uma equipe internacional liderada pelo Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia (INPA), pela Universidade de Exeter e pela Universidade Tecnológica de Nanyang.
“Nossos resultados questionam o potencial para as atuais altas taxas de absorção de carbono na Amazônia serem mantidas” disse a principal autora Hellen Fernanda Viana Cunha, que está atualmente concluindo seu doutorado.
“Cerca de 60% da bacia Amazônica está em solos antigos com baixo teor de fósforo, mas o papel do fósforo no controle da produtividade não era claro porque a maioria dos experimentos de fertilização em outras partes do mundo foram em sistemas mais ricos em fósforo”
“Nosso experimento examinou os efeitos da adição de fósforo, nitrogênio e cátions base (outros nutrientes potencialmente importantes) em uma floresta tropical madura com baixo teor de fósforo”.
“Somente o fósforo levou ao aumento da produtividade nos dois primeiros anos do experimento”
“Ter respostas tão rápidas e fortes ao fósforo, tanto acima quanto abaixo do solo, é uma indicação de que o sistema estava funcionando sob severa limitação de fósforo”.
“Os solos de regiões tropicais como a Amazônia geralmente se formaram há milhões de anos, e nutrientes como fósforo e cátions, proveniente da decomposição química das rochas, podem ser perdidos com o tempo”.
Embora nutrientes como o nitrogênio possam ser absorvidos do ar por microrganismos associados a certas plantas e solos, o fósforo não está disponível como gás na atmosfera – portanto, uma vez esgotado, há pouca oportunidade para os níveis aumentarem.
No novo experimento, dois anos com fósforo extra causaram aumentos significativos no crescimento das raízes finas (29%) e na produtividade do dossel (19%).
O crescimento do tronco não aumentou. Cunha disse que isso pode ser porque raízes e folhas exigem mais fósforo do que o tronco, e o crescimento do tronco é um processo mais lento.
O monitoramento de longo prazo do experimento é necessário para determinar se a resposta da produtividade do tronco se torna aparente.
As descobertas tem grandes implicações não apenas para o armazenamento de carbono, mas também para a resiliência da floresta à mudança global.
“Para lidar e se recuperar de ameaças crescentes, como secas, precisamos que a floresta esteja crescendo melhor do que costumava” Disse o Professor Iain Hartley, do departamento de Geografia da Universidade de Exeter.
A fertilização com CO2 pode aumentar a resiliência da floresta, mas nossas descobertas sugerem que a disponibilidade de fósforo limitará esse efeito – e, portanto, os riscos causados pela mudança climática se tornam cada vez mais importante.
Em suma, partes da Floresta Tropical que crescem em solos de baixa fertilidade podem ser mais vulneráveis do que se reconhece atualmente.
O experimento AmazonFACE – que está elevando o CO2 em um local próximo ao experimento AFEX e cuja equipe internacional inclui pesquisadores do experimento AFEX – está trabalhando para atender a essa prioridade fundamental.
O novo estudo foi financiado pela NERC (Natural Environment Research Council). O artigo é intitulado: Evidência direta da limitação por fósforo na produtividade da Floresta Amazônica.
Kelly M Andersen 