專家過去認為，土壤中幾乎所有的氮都直接來自大氣，由微生物固存或溶解在雨水中。但事實證明，科學家們一直忽略了這種對植物生長至關重要的元素的另一個主要來源：根據四月份發表在科學雜誌上的一項研究，土壤和植物中高達四分之一的氮是從基岩中滲出的。
加州大學戴維斯分校的全球生態學家、主要研究作者本傑明·Z·霍爾頓說，除了少數零星的研究，“[研究]界從未想過要研究岩石”。這一發現的意義不僅在於理解地球的氮迴圈；它還可能改變氣候模型。霍爾頓說，這表明某些地區的植物可能比以前認為的生長得更快更大，因此可以吸收更多的二氧化碳。
紅杉森林生長在富含氮的土壤和岩石之上，這有助於解釋為什麼它們能長到如此巨大的尺寸。圖片來源：Feargus Cooney 蓋蒂圖片社
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隨著全球氣溫升高，計算植物吸收多少吸熱二氧化碳變得越來越重要。確切的數量仍然不確定，但霍爾頓指出，植物可以提供“更多的緩衝……來儲存我們的碳汙染”。
之前的研究已經考察了沉積物中有多少氮進入地幔（地殼下方的層）以及火山向大氣中釋放多少氮（大氣中有 78% 是氮）。從 20 世紀 70 年代開始，一些研究表明，幾種型別的沉積岩含有來自古代海底沉積的早已死亡的植物、藻類和動物的氮。一些論文表明，這種元素可能在某些地方滲入土壤。但科學家們並未跟進這些發現，岩石風化釋放的氮量被認為是微不足道的。“它沒有進入我們思考氮迴圈如何運作的正規化，”霍爾頓說。
他和他的同事在 2011 年在自然雜誌上發表了一項研究，發現加利福尼亞州部分地區沉積岩上方的森林土壤比火成岩（火山岩）區域的土壤多含 50% 的氮。他們還發現，在沉積基岩上生長的樹木中氮含量高出 42%。儘管這項研究表明，這種元素正在從岩石進入少數特定地區的土壤和植物，但它並未表明這是一種全球範圍內的重要現象。
在他們的新研究中，霍爾頓和他的同事以加利福尼亞州為模型地質系統，因為該州包含了地球上大部分的岩石型別。他們測量了近 1000 個加利福尼亞州樣本和來自全球其他地區的樣本中的氮含量。然後，他們開發了一個計算機模型來計算地球岩石分解並將氮釋放到土壤中的速度。
風化過程釋放的氮最終進入海洋，在那裡沉積在海底形成的岩石中。構造板塊運動將岩石抬升；它們降解並釋放出氮，氮被植物和動物吸收並再次被困在岩石中——從而使迴圈永續。風化可能既包括物理分解——當岩石被向上推升並暴露于山脈中的元素時會加速物理分解——也包括化學溶解，例如當酸性雨水與岩石中的化合物發生反應時。
紐約州米爾布魯克卡里生態系統研究所的生物地球化學家威廉·施萊辛格沒有參與這項研究，他說他曾經測量過岩石中大量的氮含量，但沒有“把兩者聯絡起來”。他曾認為這不是土壤養分的一個廣泛或重要的來源。但施萊辛格警告不要過度解讀新發現的意義，他指出，透過合成肥料進入土壤的氮量遠遠超過來自岩石的氮量。他認為這項發現應該被納入全球氮和碳模型中，但他補充說，“我不認為它會改寫我們對氣候變化的理解。”
儘管如此，這些發現解釋了某些土壤中令人費解的高氮含量。“我們的研究有助於解決觀測結果和模型預測之間的差距，”霍爾頓說。這些結果在考慮加拿大和俄羅斯富含氮的大片森林時尤其重要，其中許多森林覆蓋在沉積地層之上。
霍爾頓說，這項新研究使用了對岩石中氮含量相當保守的測量方法，實際數量可能高於他的團隊計算的數量。“當然，人類和我們的活動大大增加了侵蝕量，”這將透過風化作用促進氮的釋放，他說——“我們沒有在研究中考慮到這一點。”