Befugtningsmønstre i poreskala og tidligere jordfugtighed ændrer kuldynamikken i alle skalaer

Jordbunden er Jordens største terrestriske reservoir af kulstof. Det er vigtigt at vide, hvordan jordkulstof opbevares i en "vask", og hvordan det frigives til atmosfæren som en "kilde".

Forståelse, der kræver undersøgelse af jordens mikroorganismer, herunder hvor de bor, og deres adgang til opbevaret kulstof til mad. Når mikrober har adgang til kulstof og ilt, de nedbryder disse grundstoffer til kuldioxid, eller CO2, en proces kaldet "mineralisering".

Vand er påkrævet til denne og anden mikrobiel aktivitet. Når vand fylder kanalerne mellem jordens porer, det forbinder mikrober med ressourcer ved at oprette et tredimensionelt netværk af vandige motorveje.

Porerum

Men ikke alt jordkulstof er tilgængeligt som mikrobiel mad. Noget af det er beskyttet inden for mikroskopiske porerum i jorden, hvis små diametre begrænser adgangen til kulstofhungrende mikrober. Vil jordkulstof være mad eller ej? Dens skæbne afhænger af den hydrologiske aktivitet og forbindelse i jordbunden.

Et nyt papir i Nature Communications, et samarbejde af hovedforfatter A. Peyton Smith og andre ved Pacific Northwest National Laboratory og EMSL, undersøger betydningen af ​​befugtningsmønstre i poreskala, tidligere jordfugtighedsforhold og andre faktorer, der påvirker jordens kulstofdynamik i alle skalaer, fra pore til kerne til felt. (Kerneskala kan være en skovl fuld. Feltskala kan være lige så stor som et økosystem.)

Smith og hendes medforfattere argumenterer for, at jordsystemmodeller bør behandle jordfugtighed som mere end et enkelt tal. Det er bedre, de siger, at tænke på jord som en tredimensionel ramme-en, der understreger de fugtighedsforhold, der danner de hydrologiske ledninger, der diffunderer kulstof og andre jordressourcer.

Forviste usikkerheder

Anerkender jordens tredimensionelle karakter, ud over dets hydrologi, er et vigtigt skridt i retning af at løse usikkerheder om jordkulstof i de nuværende jordsystemmodeller. Sådanne modeller forudsiger, om jord vil være dræn eller kilder til kulstof.

Tørke og andre ekstreme hændelser relateret til nedbør fortsætter med at stige i intensitet, varighed og omfang. Dette har konsekvenser for kulstoflagring i jordbunden både i økosystemet og globalt.

I jord, kulstofs skæbne kan gå på en af ​​to måder, sagde Smith, en PNNL postdoc, "Det er spise eller holde."

Indtil nu, undersøgelser viser, at tørke-påvirket jord pulserer CO2 ud i atmosfæren, når de genfugtes, et fænomen kendt som "Birch -effekten". Jo længere tørke, jo større pulse af denne drivhusgas.

Men birkeffekten undersøges sjældent i flere rumlige og tidsmæssige skalaer. Som resultat, nuværende modeller begrænser vores evne til at forudsige, hvordan cyklusser med tørring og genfugtning påvirker jordens kulstof.

Vådretning, Ned til molekylet

I det nye papir, forskere satte sig for at udvikle en molekylær forståelse af befugtningsretning og tidligere jordfugtighed. I et laboratorium, de brugte 16 eksperimentelle kerner af sandjord fra Florida Everglades til at undersøge jordens kapacitet til enten at være en kulstofvaske eller en kulstofkilde som reaktion på tørke og genfugtningsretning.

Vi ved allerede, at når jorden er våd ovenfra, ved nedbør, de større porer udfyldes først. Vi ved også, at når jorden er våd nedenunder, ved grundvand, kapillær handling mætter de fineste porer først.

Denne dynamik over og under skaber særlige forhold. Det påvirker den type kulstof, der er tilgængelig til mikrobiel nedbrydning; størrelsen af ​​porer, der bliver fyldt med vand, forbedring af hydrologisk forbindelse og størrelsen af ​​porer, der bliver fyldt med luft, som giver den nødvendige ilt til nedbrydning.

"Forbindelsen er vigtig, "sagde Smith, "ikke kun porestørrelse."

'Tørke -arv'

Papiret viser, at en jords "tørkearv" og befugtningsretning er vigtigere for kulstofopbevaring end dets nuværende fugtindhold. I særdeleshed, når genfugtning kommer fra stigende grundvand, producerer det et hurtigere kul-til-økosystem kulstoftab end nedbørshændelser ovenfra.

Stadig, på markskalaen, både nedbør og grundvandssvingninger interagerer for at destabilisere jordens kulstof.

Modeller, der simulerer kulstofstrømme i en økosystemskala, skal tage højde for dynamikken i disse retningsbestemte befugtningshændelser, forfatterne siger-ikke som et enkelt tal, men som en tredimensionel ramme.