Jordporer, kulstoflagre, og vejrtrækningsmikrober

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) undersøgte for nylig, hvordan fugt påvirker jordens heterotrofiske respiration. Det er den åndedrætslignende proces, hvorved mikrober omdanner dødt organisk kulstof i jorden til kuldioxid.

Globalt, jord lagrer enorme mængder organisk kulstof, hvoraf nogle forbruges af mikrober og udåndes som kuldioxid. På denne måde jordbunden producerer en stor naturlig kuldioxidstrøm til atmosfæren hvert år. (Mængden er stor:omkring seks gange større end menneskelige emissioner af den samme drivhusgas.)

At forstå, hvad der påvirker denne flux, har enorme konsekvenser for forståelsen af ​​klimaændringer og kulstofkredsløbet, og til at opstille emissionsmål.

Biogeokemi-studiet tilbyder en omkostningseffektiv modelleringsstrategi, som er den første til at undersøge fugtighedens effekt på disse klimakritiske respirationshastigheder i poreskalaen, der er svær at simulere. Artiklen argumenterer også for, at simuleringer er nødt til at anerkende mangfoldigheden af ​​jordporerum, og bevæge sig ud over modelleringsantagelsen om, at jordbunden er homogen.

Det er allerede velkendt, at fugtforhold i jord påvirker respirationshastighederne for heterotrofe mikrober. Men overvej det komplekse, små verdener, hvori fugten bor og gør sit arbejde. Jord er lavet af sand, silt, ler, og organisk stof dannet til miniature "porosfærer". På tur, disse sammenlåsende mikrobielle habitater er flettet med vand og gasser.

Det er svært at modellere heterotrofisk respiration ved det, forskerne kalder "poreskalaen". For en, der er store beregningsmæssige udfordringer ved at modellere væsker i så lille en skala. For en anden, pore-skala modellering er vanskelig på grund af mikroskala forskelle i jorden. Det viser sig, at fordelingen af ​​organisk kulstof i jorde er meget lokaliseret. Hvor meget organisk kulstof der går hen, afhænger af fysisk beskyttelse, kemisk genstridighed, poreforbindelse, uensartede mikrobielle kolonier, og lokalt fugtindhold.

Denne undersøgelse - forfattet af Zhifeng Yan, Vanessa Bailey, og fire andre PNNL-forskere - er de første til at lave en poreskalaundersøgelse af, hvordan fugtdrevne respirationshastigheder påvirkes af faktorer, herunder jordporestrukturens heterogenitet, biotilgængelighed af organisk kulstof i jorden, fordeling af fugtindhold, og substrattransport. Det giver også indsigt i de fysiske processer, der styrer, hvordan jordrespiration reagerer på ændringer i fugtforhold. I øvrigt, papirets numeriske analyser repræsenterer en omkostningseffektiv tilgang til undersøgelse af kulstofmineralisering i jord.

Simuleringerne i denne undersøgelse bekræfter generelt adskillige tidligere antagelser:at jordens kulstofrespirationshastighed er en funktion af fugtindholdet; at sådanne hastigheder stiger, når fugtigheden (og derfor substrattilgængeligheden) øges; og at jordens kulstofrespiration falder efter et vist optimum på grund af iltbegrænsning.

Resultaterne af undersøgelsens model, gentaget af feltforskning, bekræfter også, at respirationshastigheden stiger med højere jordporøsitet, og at komprimeret jord - dem med mindre porøsitet, fordi de er upløjede og uforstyrrede - reducerer hastigheden, hvormed kuldioxid slipper ud i atmosfæren.

Langs vejen, undersøgelsen advarer mod faren ved at antage, at modellerede jorde har en ensartet porøsitet. Det er bedre, siger forskerne, at forsøge at simulere den strukturelle heterogenitet - mangfoldighed - af jorde, som de findes i naturen.

Yderligere forskning er nødvendig, tilføjer de, om, hvordan koblede aerobe og anaerobe processer ville fremskynde eller bremse mængden af ​​organisk kulstof, der bindes i jorden. Disse koblede processer var ikke i undersøgelsens design.