Skovjord frigiver mere kuldioxid end forventet i regntiden

Nuværende kulstofcyklusmodeller kan undervurdere mængden af ​​kuldioxid, der frigives fra jorden i regntiden i tempererede skove som dem, der findes i det nordøstlige USA, ifølge forskere fra Penn State.

Trærødder og mikrober bruger ilt til at omdanne organisk kulstof i jorden til kuldioxid (CO ₂ ) for energi gennem en proces kaldet aerob respiration. Denne frigivelse af CO ₂ fra jord til atmosfæren repræsenterer den største flux af kulstof fra terrestriske økosystemer, gør det til en nøglekomponent i det globale kulstofbudget. Aerob respiration er den dominerende proces, der bidrager til denne flux, men forskerne fandt ud af, at under våde forhold, anaerob respiration - eller respiration uden ilt - bidrager også væsentligt til fluxen.

"I nuværende modeller, mængder af kuldioxid og ilt styres af forbruget af ilt og produktionen af ​​kuldioxid gennem aerob respiration, " sagde Caitlin Hodges, en ph.d.-kandidat i Institut for Økosystemvidenskab og Ledelse. "Det er normalt et en-til-en forhold mellem forbrug og produktion. Men vi fandt ud af, at især om sommeren, der var et signifikant signal om anaerob respiration forårsaget af, at rødderne havde et højere behov for ilt og udkonkurrerede mikroberne. Mikroberne skal så gå over til at bruge anaerob respiration."

Et benchmark for fortolkning af jordprocesser påvirket af jordens kuldioxid og ilt er at beregne den tilsyneladende respiratoriske kvotient (ARQ), som kombinerer kuldioxid- og iltkoncentrationer til én værdi.

"Hvis ARQ er lig med en, det betyder, at aerob respiration er den kontrollerende proces, " sagde Hodges. "Hvis der er en væsentlig afvigelse fra en, så fortæller det os, at noget andet er at kontrollere jordgaskoncentrationerne."

Forskerne studerede jordrespiration i et skifervandskel og et sandstensvandskel i det National Science Foundation-finansierede Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory. De målte jordens kuldioxid- og iltniveauer omkring otte og 16 tommer under jorden og lige over grundfjeldslaget, hvor jorden ender.

"Caitlin fortolkede gasprøver fra jord lidt ligesom en politimand fortolker alkometertesten af ​​en bedugget chauffør, " sagde Susan Brantley, anerkendt professor i geovidenskab og direktør for Earth and Environmental Systems Institute (EESI) i Penn State. "Kemien af ​​gassen, der sidder fast i jorden, giver et billede af, hvad bakterierne laver."

Holdet fandt ud af, at ARQ nogle gange signalerede betydelig anaerob respiration af mikroberne. Under anaerob respiration, mikroberne skiftede fra at bruge oxygen til oxiderede metaller, som jern og mangan, til vækst.

"Når vi ser store tal i ARQ, det betyder, at vi har mere kuldioxid, end iltniveauet antyder, " sagde Jason Kaye, professor i jordbundsbiogeokemi. "Hvordan kan det ske? Det kan ske, fordi CO ₂ produceres uden iltforbrug, og det er præcis, hvad en anaerob proces er. Det er, hvad disse store tal betyder. Du ser mere kuldioxid, end du ville forvente fra aerob respiration."

Penn State-holdets forskning, rapporteret i Soil Science Society of America Journal , er den første til at bruge ARQ til at finde beviser for et sæsonbestemt mønster af anaerob respiration i tempererede skove.

Forskerne beregnede også den samlede mængde kuldioxid - 36 gram pr. kvadratmeter - der forlader jordsystemet hvert år på grund af anaerob respiration. De sagde, at det konservative skøn udgør 10% af al respiration udført af jordmikrober på deres forskningssteder, hvilket er et stort antal, da videnskabsmænd ikke tænker på disse fugtige tempererede skove som udsender meget anaerob respiration.

"Det forventes, at det nordøstlige USA vil have øget nedbør med klimaændringer, " sagde Hodges. "Vi forventer, at denne anaerobe respiration vil blive en mere dominerende proces i disse skovsystemer, og vores jordkulstofmodeller tager endnu ikke højde for dette."

Brantley sagde, at nye tilgange som jordgasprøvetagning er nødvendige for at forstå, hvordan jord vil reagere på skiftende klima.