Ramme til at spore individuelle kulstofatomers vej

Som vandmolekyler i en flod, jordens kulstofatomer er altid i bevægelse.

For bedre at forstå denne handling, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere og samarbejdspartnere har skabt en ny konceptuel ramme samt en simuleringsmodel, der sporer individuelle kulstofatomers vej, når de interagerer med miljøet - undergår biokemiske transformationer, bevæger sig gennem jordens porerum og skrider frem mod deres endelige skæbne - kuldioxid (CO ₂ ). Forskningen vises i tidsskriftet Global forandringsbiologi .

Jorden lagrer mere kulstof end atmosfæren og biosfæren tilsammen, og balancen mellem dannelse af organisk kulstof i jorden (SOC) og tab vil drive kraftige kulstoftilbagekoblinger i det kommende århundrede.

Den mest almindelige tilgang til at forudsige SOC-dynamik bruger pool-baserede modeller, som antager klasser af SOC med internt homogene fysiske og kemiske egenskaber. Men nye beviser viser, at jordens kulstofomsætning ikke er dominerende styret af kemien af ​​kulstoftilførsler, men ved, hvordan den bevæger sig gennem sit rumligt og tidsmæssigt heterogene miljø.

De nye rammer, kaldet Probabilistisk Repræsentation af organisk stof-interaktioner i jordmiljøet (LOFT), bruger procesbaseret, probabilistiske tilgange fokuseret på kulstofflow og dynamiske transformationer, "fluxer" i modsætning til diskrete puljer.

Klimaændringer skyldes en forstyrrelse af det globale kulstofkredsløb, og jordbunden spiller en central rolle i reguleringen af ​​Jordens klimasystem. Jord er et enormt reservoir - men er truet - på grund af intensivere landbrug, permafrost optøning, atmosfærisk opvarmning, etc.

"I virkeligheden, SOC eksisterer i en tilstand af konstant flux med nye input af planteafledt kulstof opvejet af kontinuerlige SOC-tab gennem nedbrydning, " sagde LLNL videnskabsmand Jennifer Pett-Ridge, en medforfatter af papiret. "Selv små ændringer i størrelsen af ​​disse ændringer påvirker styrken af ​​den terrestriske kulstofdræn. Vi er nødt til at flytte jordforvaltningen mod tilgange, der bevarer det kulstof, vi har, Tilføj mere, og ideelt set sænke de processer, der fører til SOC-tab."

PROMISE-konceptet overvejer, hvordan SOC-cyklushastigheder styres af de tilfældige processer, der påvirker nærheden mellem mikrobielle nedbrydere og organisk materiale, med vægt på deres fysiske placering i jordmatricen. Holdet viste, hvordan anvendelsen af ​​denne nye model sporer skæbnen for individuelle kulstofatomer, når de interagerer med deres miljø, undergår biokemiske transformationer og bevæger sig gennem jordens porerum.

"Vi tænker på kulstof som altid i bevægelse, som vandmolekyler i en flod. Nogle gange sidder de fast (som i en hvirvelstrøm ved kanten af ​​en flod), men til sidst løsner de sig og går videre mod deres endelige skæbne - mineralisering til CO ₂ , " sagde Pett-Ridge. "I vores simuleringsmodel, vi kan spore individuelle kulstofatomers skæbne, når de interagerer med deres miljø - som en partikel, der bevæger sig ned ad en flod, at sidde fast og derefter slippes tilbage i hovedstrømmen - i et dynamisk kontinuum."

PROMISE-rammen omformer dialogen omkring spørgsmål relateret til SOC-ledelse i en svingende verden. Holdet sagde, at de ønsker, at rammerne skal anspore udviklingen af ​​nye analytiske værktøjer og modelstrukturer på tværs af discipliner - inklusive jordøkologer, biogeokemikere, økosystemmodellere og matematiske biologer - som vil belyse fysiske kontroller på strømmen af ​​kulstof mellem planter, jord og atmosfæriske bassiner.

"Økosystemer fungerer, fordi energioverførsel ikke står stille, " sagde Pett-Ridge. "Ved at kæmpe med den dynamiske natur af kulstof i jorden, vi kan styre denne kritiske ressource mere effektivt i en foranderlig verden."