Et nyt estimat af organisk kulstof i jorden i USA for at forbedre jordsystemets modeller

Jorden indeholder omkring dobbelt så meget kulstof som atmosfæren og planter tilsammen. Det er et stort kulstofdræn, der er i stand til at absorbere mere kuldioxid fra atmosfæren, end det frigiver. Håndtering af jordens kulstof er nøglen i bestræbelserne på at afbøde klimaændringer, ud over at være afgørende for jordens sundhed og landbrugets produktivitet.

Måling af jordens kulstof er imidlertid en omhyggelig, dyr proces. Prøver skal graves fra jorden og sendes til et laboratorium til analyse, hvilket gør opskaleringsmålinger i stor rumlig skala udfordrende.

Nu har miljøforskere kombineret data på feltniveau med maskinlæringsteknikker for at estimere jordens organiske kulstof på amerikansk kontinental skala. Journal of Geophysical Research:Biogeosciences har offentliggjort det nye estimat for organisk kulstof i jorden, som forbedrer det overordnede estimat for USA og giver ny indsigt i virkningerne af miljøvariabler på jordens organiske kulstof.

"Der er voksende erkendelse af, at jordens organiske kulstof er vigtigt, og at vi bør investere i at opbygge det gennem bæredygtig landforvaltningspraksis," siger Debjani Sihi, seniorforfatter af undersøgelsen og assisterende professor i miljøvidenskab ved Emory University. "Vores estimat er mere nøjagtigt end eksisterende estimater og giver et bedre benchmark til at vejlede politiske beslutningstagere og jordforvaltere i at indføre klimasmarte praksisser."

Land er langt mere effektivt end havet til at tilbageholde kulstof, bemærker Sihi, og tilbyder en mulig naturbaseret løsning til at hjælpe med at afbøde klimaændringer.

"Vi kunne potentielt skabe betingelser," forklarer hun, "der er gunstige for jord til at opfange kuldioxid fra atmosfæren og låse den der i rigtig lang tid - over årtusinder."

Sihi er en biogeokemiker, der studerer miljø- og bæredygtighedsspørgsmål i sammenhængen mellem jord og klima.

Første forfatter til det aktuelle papir er Zhuonan Wang, en tidligere postdoktor i Sihis laboratorium, som nu er på Colorado State University.

Giver i jorddata

Jordens organiske kulstof består af plante- og dyrestoffer i forskellige nedbrydningstilstande. Mens uorganisk kulstof også findes i jorden i form af karbonatmineraler, er organisk kulstof normalt den største andel og den vigtigste drivkraft for jordens biologi og kvalitet.

Det amerikanske landbrugsministerium vedligeholder National Cooperative Soil Survey-databasen for jordkarakterisering. Disse data blev indsamlet gennem årtier både ved at gå over jorden og observere og ved at grave kerneprøver op og sende dem til laboratorier til analyse. Måling af jordens organiske kulstof kræver for eksempel at grave en kerne til rodzonen, cirka 30 centimeter dyb for at opnå en muldjordsprofil, og indtil kernen rammer grundfjeldet for at opnå en hel jordprofil.

Jordprøvetagning udføres også i andre dele af verden. International Soil Organic Carbon Network omfatter mere end 430.000 jordprofiler, trukket fra hele kloden. Forskere bruger sådanne data til at skabe "jordkort" eller estimater af jordegenskaber i forskellige regioner. Et velkendt jordbundskort er Harmonized World Soil Database, udviklet af FN's fødevare- og landbrugsorganisation og samarbejdspartnere. En anden er SoilGrids, støttet af International Soil Reference and Information Center i Holland.

Der findes betydelige uoverensstemmelser i estimaterne af jordens organiske kulstof i både den harmoniserede verdensjorddatabase og SoilGrids. Sihi og hendes team satte sig for at se, om de kunne løse disse uoverensstemmelser inden for de amerikanske estimater ved at finde mere effektive måder at opskalere jordprøvedataene på.

Forskerne opdelte USA – inklusive alle 50 stater og Puerto Rico – i 20 forskellige regioner og skabte maskinlæringsmodeller for hver region. De opnåede næsten 50.000 jordprøver, der spænder fra 30 centimeter til en meter dybe, fra hele disse regioner. De byggede deres algoritmer ved hjælp af disse dataprøver for organisk kulstof i jorden, matchet til præcise geografiske informationssystemplaceringer.

De trak også fra yderligere open source-data for at fodre deres modeller med 36 miljøvariabler, herunder detaljer om klimaet, jordens topografiske egenskaber, jordens biogeokemiske egenskaber og mængden af ​​vegetation i landskabet.

Et bedre benchmark til modellering af jordsystemer

Resultaterne viste, at den nye metode gav mere nøjagtige estimater end både Harmonized World Soil Database og SoilGrids for de øverste 30 centimeter jord, hvor det mest biologisk aktive jordorganiske kulstof har tendens til at være koncentreret.

Den nye metode afslørede også, hvordan virkningerne af miljøvariabler på jordens organiske kulstof varierer på tværs af regioner. Mens klima var den mest almindelige forudsigelse for jordens organiske kulstof i de fleste regioner, havde vegetationsindekset en tendens til at være vigtigere i de tørre områder i sydvest. Højde var en nøglevariabel i områder, der var bjergrige eller omfattede et større floddelta.

Forskerne håber, at andre vil anvende deres tilgang til andre lande og kontinenter, hvor der er tilstrækkeligt med data på jorden.

"Det smukke ved vores tilgang er, at det giver os mulighed for at identificere regioner med høj usikkerhed i vores estimater, og det hjælper os med at vejlede fremtidige prøveudtagningsindsatser," siger Sihi.

At tage miljøvariabler i betragtning øger også den nye models fleksibilitet, da de globale temperaturer stiger på grund af klimaændringer, hvilket får jordbunden til at opvarme og ændre nedbørsmønstre. Det er fortsat uklart, bemærker Sihi, om jord vil fortsætte med at tjene som kulstofdræn eller omdannes til en kulstofkilde.

"For at forstå, hvordan jordens kulstof vil ændre sig under et skiftende klima, har vi først brug for nøjagtige estimater af de nuværende organiske kulstofniveauer i jorden og de nøglefaktorer, der påvirker dem," siger Sihi. "Vores nye estimat er et skridt i retning af at få mere nøjagtige basisdata for at forbedre jordens systemmodeller for klimaændringer."

Medforfattere til det nye skøn omfatter Jitendra Kumar (Oak Ridge National Laboratory), Samantha Weintraub-Leff (National Ecological Observatory Network), Katherine Todd-Brown (University of Florida) og Umakant Mishra (Sandia National Laboratories).

Flere oplysninger: Zhuonan Wang et al., Upscaling Soil Organic Carbon Measures at the Continental Scale Using Multivariate Clustering Analysis and Machine Learning, Journal of Geophysical Research:Biogeosciences (2024). DOI:10.1029/2023JG007702

Leveret af Emory University