Kulstof- og nitrogenkredsløb interagerer med vegetationsskift

Kulstofkredsløbsfeedback:Når det kommer til at forstå skovenes rolle i både at afgive og opfange kuldioxid, det er tre ord, der indeholder en masse videnskab. I en ny undersøgelse, forskere ledet af Pacific Northwest National Laboratory indarbejdet i et jordsystem, der modellerer økosystemets komplekse rolle i at forstærke eller dæmpe koncentrationen af ​​kuldioxid (CO2) i atmosfæren.

Det er en proces kaldet dynamisk vegetation - hvor planter kan flytte deres levesteder som reaktion på miljøændringer såsom et varmere vejrsystem eller begrænsede næringsstoffer. Brug af en landsystemmodel med dynamisk vegetation aktiveret eller deaktiveret, forskerholdet fandt, at nitrogen og dets interaktion med planter har en stærk indflydelse på, hvordan planter reagerer på miljøændringer. Denne påvirkning kan resultere i forstærkning eller reduktion af kuldioxid, som er ansvarlig for miljøændringerne i første omgang. Forskningen viste, hvordan effektiv modellering af dynamisk vegetation og nitrogenkredsløbet kan øge forståelsen af ​​kulstofkredsløbet og fremtidige klimaændringer.

Det terrestriske økosystem spiller en stor rolle i Jordens kulstofkredsløb ved at indånde og udånde CO2 fra atmosfæren. Et højere niveau af CO2 hjælper planter mere effektivt med at bruge solens energi til fotosyntese, hvilket får dem til at fjerne (inhalere) mere CO2 fra atmosfæren. På den anden side, et højere CO2-niveau i atmosfæren fører til højere temperaturer, som kan påføre planter varmebelastning og fremskynde det organiske stof i overfladeplantestrøelse og jord til at nedbrydes. Både den øgede stress og den hurtigere nedbrydning af organisk materiale tilføjer mere CO2 til atmosfæren, end der fjernes ved den øgede fotosyntese. Denne nettostigning af CO2-udånding fra planter, når atmosfærisk CO2 stiger, er en positiv kulstofkredsløbsfeedback, der forstærker CO2 i atmosfæren.

Men her er hvor nitrogen kaster en skruenøgle ind i kulstofkredsløbsgearene. Hurtigere nedbrydning af organisk kulstof gør mere nitrogen tilgængeligt for planter, hjælpe dem med at optage mere CO2, når de vokser, at reducere de atmosfæriske niveauer. Dette er en negativ kulstofkredsløbsfeedback. Imidlertid, styrken af ​​denne negative kulstofkredsløbsfeedback afhænger af, om vegetationstypen får lov til at skifte med miljøændringer, fordi nogle planter kræver mere nitrogen end andre. Denne undersøgelse demonstrerede, hvordan kvælstofkredsløbet og dynamisk vegetation og deres interaktion bestemmer, hvordan planter over hele kloden kan forstærke eller dæmpe stigningen i atmosfærisk CO2 og tilhørende klimaopvarmning.

Blandt de jordsystemmodeller, der bidrog til det mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC) femte vurderingsrapport i 2013, kun en håndfuld inkluderet dynamisk vegetation, og endnu færre inkorporerede nitrogenkredsløbet. Der vokser vidnesbyrd om, at disse to processer vil spille en nøglerolle i det fremtidige kulstofkredsløb.

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory og deres samarbejdspartnere studerede en af ​​de få globale landmodeller, Community Land Model version 4, der er i stand til at simulere forandring af vegetationsdækning, der reagerer på både det udviklende klima og nitrogencyklussen. Ved at køre en række simuleringer for forskellige klima- og CO2-ændringsscenarier, de var i stand til at beregne følsomheden af ​​terrestrisk kulstof over for klimaopvarmning og CO2-stigning. Landets kulstoffølsomhed er en vigtig faktor, der udgør feedbacken til CO2-stigning. Effekten af ​​vegetationsændringer på denne faktor er sjældent blevet undersøgt. Holdet gentog det samme sæt eksperimenter uden en dynamisk vegetationsmodel.

Deres analyse viste en signifikant forskel i den potentielle styrke af kulstofkredsløbsfeedbacken med og uden det dynamiske vegetationsdække, der reagerer på klimatilstanden. Holdet fandt også en sammenhæng mellem de nye egenskaber ved efterspørgsel efter planters nitrogen fra utilstrækkelig repræsentation af plantekonkurrence i den dynamiske vegetationsmodel over troperne og subtroperne. Analysen fandt også, at fejl i simulering af vegetationsdække kan forplante sig til bredere skalaer gennem interaktion med nitrogenkredsløbet. Forskningen illustrerede et specifikt eksempel på en sådan fejludbredelse for at vejlede modeludviklingsindsatsen.

Med de relevante vegetationsprocesser forbedret i næste generations jordsystemmodeller, repræsentation af kulstofkredsløbsfeedbacken kan karakteriseres bedre. Fremtidige undersøgelser vil udføre simuleringer med den globale landmodel koblet til atmosfæren, ocean, og andre jordsystemkomponentmodeller til at kvantificere kulstof-klima-interaktioner, med særligt fokus på de tropiske skovmiljøer.