Jordkulstofforskning reducerer usikkerheden i forudsigelsen af ​​klimaændringernes påvirkninger

DOE og USDA forskere bruger nye globale modeller til at studere, hvordan miljøkontrollere påvirker jordens organiske kulstof, ændringer, som kan ændre atmosfæriske kulstofkoncentrationer og påvirke klimaet. Forudsigelser kan gavne industriens afbødningsplaner.

Naturen giver et utal af måder at holde styr på sin sundhed. En af de mere vellykkede indikatorer er status for jordens organiske kulstof, eller koncentrationen af ​​kulstof i den organiske del af jorden, der består af forrådnende vegetation eller animalske produkter. En lille ændring i kulstofniveauer kan dramatisk ændre atmosfæriske kulstofkoncentrationer og påvirke klimaet.

"Organisk kulstof i jorden er vigtigt at studere, fordi det er jordbundens egenskab, der leverer adskillige økosystemtjenester til menneskeheden, såsom deaktivering af forurenende stoffer, bevarelse af biodiversiteten, bevare og rense vand, øge jordens frugtbarhed, og afbøde virkningerne af klimaændringer, " sagde Umakant Mishra, en geospatial videnskabsmand ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory.

Et samarbejde mellem US Department of Agriculture og flere DOE National Labs, inklusive Argonne, sat sig for at forudsige og modellere effekten af ​​miljøkontrollere, eller jorddannende faktorer - klima, organismer, topografi, modermateriale og tid - på jordens organiske kulstof i forskellige rumlige skalaer på tværs af det kontinentale USA.

Resultaterne af undersøgelsen af ​​organisk kulstof i jorden har til formål at reducere usikkerheden i forudsigelse af globale kulstof-klimatilbagemeldinger og tilhørende klimaændringer. De kunne også give mere sikkerhed for, hvordan fremtidige klimaekstremer kan påvirke aktiviteterne i adskillige industrier, fra landbrug og afgrødeforsikringsindustrier til naturressourcebevaringsindustrier.

Forskere, for første gang, var i stand til at generere skaleringsalgoritmer for at tage højde for et så stort geografisk område ved at bruge et stort sæt af nyligt tilgængelige feltobservationer, et stort antal miljøfaktorer og en maskinlæringsalgoritme - en kunstig intelligensmetode, der lærer af specifikke data for gradvist at forbedre forudsigelser af nye, lignende data.

I dette tilfælde, skala refererer til det område, over hvilket jordens organiske kulstofegenskaber antages at være ens, og skalering tager information indsamlet fra én rumlig skala og anvender den på en anden. Med området opdelt i et mønster af gitterceller, den rumlige skala, der blev brugt i denne forskning, strakte sig fra en finere opløsning på 100 m til en mere kurs 50 km mellem gittercentre.

"Indholdet af organisk kulstof i jorden er forskelligt på forskellige prøveudtagningssteder, det er derfor, vi skal tage prøver på repræsentative steder, hvis vi har til hensigt at fange den rumlige heterogenitet af jordegenskaber i undersøgelsesområdet, " sagde Mishra.

De skaleringsalgoritmer, som han og hans samarbejdspartnere skabte som en del af forskningen, er vigtige for Jordens systemmodeller, ligesom DOE's Energy Exascale Earth System Model, ud over at forudsige ændringer i klimaet mere præcist.

Skalering, Mishra bemærkede, er et spørgsmål, som traditionelt er blevet ignoreret i biogeokemiske/naturvidenskaber, hvor man mente, at egenskaber eller processer forbundet med én rumlig skala kan anvendes i både mindre eller større skalaer. I virkeligheden, dette er dog ikke tilfældet.

Nuværende jordsystemmodeller, som bruges til at forudsige de fremtidige globale kulstof-klimatilbagemeldinger og tilhørende klimaændringer, opererer i grove rumlige skalaer (50-100 km) og er i øjeblikket ikke i stand til at repræsentere miljøkontrollanter og deres effekt på jordens organiske kulstof på en måde, der stemmer overens med feltobservationer.

"Kontrollen af ​​miljøfaktorer på jordens organiske kulstof er ikke i overensstemmelse med observationerne i de nuværende jordoverflademodeller, " tilføjede han. "Vi mener, at de skaleringsfunktioner, vi udviklede i denne forskning, som er trukket fra talrige prøver på tværs af et stort geografisk område, kan forbedre den rumlige repræsentation af jordens organiske kulstof i jordoverfladen inden for jordsystemmodeller."

Blandt resultaterne af holdets seneste arbejde, modeller viste, at topografiske og jordbundsegenskaber var væsentlige kontroller af jordens organiske kulstof i finere skalaer. I den grovere ende af skalaen, klima- og arealanvendelsesfaktorer fungerede som vigtige kontroller.

En artikel om undersøgelsen, "Betydningen og styrken af ​​miljøkontrollere af jordorganisk kulstofændringer med skala, " vises i den 1. oktober, 2020, udgave af Geoderma (offentliggjort online, 23. juni, 2020).