Почва содержит больше углерода, чем атмосфера Земли и растения вместе взятые. Это делает скорость разложения почвенного углерода важной переменной в моделях, используемых для прогнозирования изменений климата.
Новое исследование, проведённое группой, в которую входят четыре исследователя из Айовского государственного университета, показало, что даже в одинаковых лабораторных условиях скорость разложения органического углерода в образцах почвы, собранных по всей территории США, различалась до десяти раз. Это частично связано с различиями в минеральных и микробных свойствах почвы — факторами, которые часто недостаточно представлены в современных моделях земных систем.
Уточнение моделей
Обновление моделей с учётом более глубокого понимания разлагаемости органического углерода в почве и последующих выбросов углекислого газа может повысить точность оценок обратной связи почвенного углерода в моделях. Это приведёт к более точным прогнозам климата, считает Чаоцюнь Лу, доцент кафедры экологии, эволюции и биологии организмов.
«Для моделирования мы традиционно упрощали эти вариации, предполагая, что углерод в аналогичных типах почвы или в аналогичных биомах разлагается с одинаковой базовой скоростью, если нет изменений окружающей среды. Однако наши результаты показывают, что базовая скорость на самом деле сильно различалась даже в пределах одного типа почвы или биома. Это действительно изменит общепринятую практику», — сказал Лу, автор исследования, недавно опубликованного в журнале One Earth.
Учёные, работающие над моделями земных систем — сложными симуляциями, которые оценивают глобальные эффекты взаимосвязанных биологических, геохимических и физических процессов, — давно знают, что модельные оценки разложения почвенного углерода имеют большие неопределённости.
Методы исследования
В надежде лучше количественно оценить эти вариации коллеги Лу инкубировали образцы почвы из 20 участков в рамках Национальной экологической обсерваторной сети — федеральной программы, которая отслеживает экосистемы по всей территории США. В течение 18 месяцев исследователи измеряли выбросы углекислого газа и ключевые свойства почвы, чтобы создать модель почвенного углерода, которая оценивала скорость разложения каждого образца (как быстро разлагается органическое вещество) и эффективность использования углерода (сколько разложенного углерода поглощается микробами).
Анализ с помощью машинного обучения помог показать, какие из 26 типов измерений, взятых из образцов почвы, наиболее сильно связаны с вариациями разложения, сказал соавтор исследования Бо Йи, бывший научный сотрудник в лаборатории Лу и первый автор нового исследования.
Некоторые контролирующие факторы были уже хорошо изучены, такие как тип почвы и уровни pH и азота. Анализ данных инкубации также выявил сильную связь между скоростью разложения и уровнями грибов и определённых форм железа и алюминия. Минеральные вещества в почве тесно связаны с долгосрочной стабильностью минерального органического углерода — той частью почвенного углерода, которая может сохраняться в почве в течение десятилетий или даже сотен лет.
Результаты исследования
Исследователи объединили свои измерения почвы с оценками базовых скоростей, чтобы создать модели искусственного интеллекта, которые успешно зафиксировали вариации этих скоростей в 156 образцах почвы. Затем они применили эту модель к континентальной части США, создав карты, которые прогнозируют эффективность использования углерода и скорости разложения для отдельных участков земли размером примерно 2,5 мили с каждой стороны. Карты показывают большие региональные различия в динамике почвенного углерода по всей территории США.
Учёные, работающие с моделями почвенного углерода или земных систем для прогнозирования углеродно-климатической обратной связи, вероятно, будут использовать окончательные параметрические карты исследования для улучшения своих симуляций, сказал Лу.
«Эти геохимические и микробные показатели определяют большую изменчивость, и мы не включили их должным образом в предыдущие модельные работы», — сказала она.
Лу сказала, что исследование также показывает, что модели должны учитывать, как разлагаются различные компоненты почвенного углерода, поскольку минеральный органический углерод сохраняется гораздо дольше, чем частицы углерода — в основном органическое вещество растительного происхождения в почве, которое разлагается за годы, а не за столетия.
Помимо улучшения моделирования, Лу сказала, что исследование может также послужить основой для программ сохранения и углеродных рынков, выявив региональные различия в уязвимости почвенного углерода. На юго-западе органический углерод в почве, как правило, разлагается быстрее, и после разложения большая часть этого углерода попадает в атмосферу в виде углекислого газа. На северо-западе и востоке почвенный углерод разлагается медленнее, и большая доля разложенного углерода остаётся в почве в виде микробной биомассы. Большая часть Среднего Запада находится между этими крайностями.
Эти различия предполагают, что стимулы для увеличения связывания углерода в почве должны учитывать устойчивость почвы к удержанию углерода, сказала она.
«Если углерод остаётся в почве дольше в определённых районах, то же количество связывания углерода там может быть более ценным, чем в других районах», — сказала она.
Предоставлено:
[Iowa State University](https://phys.org/partners/iowa-state-university/)