Ny model integrerer jordmikrober, store flerårige græsser

Af alt kulstof, der er lagret i økosystemer rundt om i verden, kan omkring halvdelen findes i jord. Afhængigt af klima, vegetation og forvaltning kan jordbund enten være en kulstofkilde eller en dræn.

Naturlige klimaløsninger (NCS) giver en lovende mulighed for at bringe os tættere på vores netto-nul-emissionsmål ved at fjerne kuldioxid fra atmosfæren og lagre det i plantebiomasse og jord. Væksten af ​​bioenergiråvarer har et stort potentiale i denne henseende, fordi disse græsser både bygger kulstof i jorden og har potentialet til at blive brugt til at producere kulstofneutrale biobrændstoffer og bioprodukter.

I løbet af de sidste 40 år har biogeokemiske modeller været et afgørende værktøj, som forskere bruger til at forstå, hvordan klima, økologiske forstyrrelser og arealforvaltning påvirker kulstof og andre fluxer i et økosystem. På grund af deres succes vinder biogeokemiske modeller frem som vigtige værktøjer til at evaluere effektiviteten af ​​NCS. Disse modeller kan bruges til at informere ledelses- og politiske beslutninger.

En af disse modeller, kaldet DayCent, simulerer daglige strømninger af kulstof, nitrogen og vand mellem atmosfæren, vegetationen og jorden. Det var imidlertid en udfordring at fremskrive potentialet for store flerårige bioenergiafgrøder som NCS på grund af to begrænsninger af tidligere versioner af DayCent-modellen. Ligesom mange økosystemmodeller modellerede DayCent ikke eksplicit jordmikrober og den rolle, de spiller som drivere for jordens kulstofcyklus. Derudover har store flerårige græsser som miscanthus og switchgrass distinkte fysiologiske træk, der ikke tages højde for i mange modelrammer.

For at afhjælpe dette problem har et CABBI-forskerhold i Sustainability Theme udviklet DayCent-CABBI, en model, der integrerer jordmikrober og de distinkte fysiologiske træk ved store flerårige græsser i DayCent.

I et nyt papir udgivet i Geoderma , diskuterer forskerne udviklingen og valideringen af ​​DayCent-CABBI – og sætter dens forudsigelsesevne på prøve.

"At tilføje nye plante- og mikrobekomponenter til DayCent-CABBI-modellen forbedrer dens repræsentation af økosystemdynamikken," sagde Melannie Hartman, en hovedforfatter på undersøgelsen og seniorforsker ved Colorado State University. "Disse fremskridt forbedrer modellens evne til at evaluere bæredygtigheden af ​​at dyrke forskellige typer bioenergiafgrøder."

Mikrober i jorden bidrager til betydelig kulstoflagring og flux, så forskerholdet opdaterede DayCent til at inkludere en levende mikrobiel biomassepulje. Denne funktion regulerer frigivelsen af ​​kuldioxid til atmosfæren baseret på poolens størrelse. De tilføjede også en pulje af død mikrobiel biomasse, der giver mulighed for en mere realistisk repræsentation af kulstof til at strømme fra en pool til en anden, hvilket bedre vil simulere kulstoflagring i jorden.

"Mikrober er vigtige at inkludere i modellen, fordi for eksempel dødt mikrobielt biomassekulstof er mere tilbøjeligt til at blive tilbageholdt i jordsystemet i årtier til årtusinder, hvis det har en stærk binding til jordens mineraloverflader," siger Danielle Berardi, hovedforfatter. og nyuddannet med en økologi-ph.d. fra University of Idaho.

"Den maksimale kapacitet for denne type jordkulstof i et givet system er baseret på jordteksturen, som bestemmer det tilgængelige overfladeareal for kulstof at binde sig til. Vi har forbedret, hvordan mineral-associeret organisk materiale er repræsenteret i DayCent, hvilket er afgørende til modellering af målelige puljer af organisk materiale i jorden."

Den anden væsentlige ændring, som holdet lavede, fokuserede på mere præcist at modellere forskellige dele af flerårige planter. Traditionelle modeller har klumpet blade og stængler sammen som "overjordiske plantekomponenter." Ved at opdele disse plantedele og modellere dem separat giver DayCent-CABBI mulighed for mere nøjagtigt at simulere kulstof-, nitrogen- og ligninindhold for hver enkelt, hvilket både forbedrer, hvordan plantevækst simuleres, samt giver mere realistisk kuldkemi og mere alsidige høstmuligheder med implikationer for jordens kulstof- og nitrogenkredsløb.

Derudover tilføjede holdet en rhizom-komponent til modellen. Jordstængler er lavvandede flerårige rødder, der lagrer kulhydrater og nitrogen i den hvilende sæson, når overjordiske plantedele er visnet. Fordi disse rodsystemer i bioenergiafgrøder som miscanthus ikke er tilpasset til hårde vintre, som de kan møde i det centrale USA, tilføjede forskerne en temperaturtærskel for jordstænglerne - når temperaturen falder langt nok, vil modellen simulere skader på jordstængerne.

Med disse modifikationer satte forskerne DayCent-CABBI på prøve ved at simulere switchgrass og miscanthus på University of Illinois Energy Farm fra 2008 til 2049. Modellen blev kalibreret og evalueret ved hjælp af feltdata fra 2008 til 2019.

Sammenlignet med historiske data havde versionen af ​​modellen med den nye mikrobiel-eksplicitte jordmodel bedre model-data-overensstemmelse med daglige økosystemers kulstofstrømme, især i foråret, hvilket indikerer, at denne modifikation faktisk forbedrer DayCents evne til nøjagtigt at vurdere potentialet. af flerårige græsser som NCS.

Under fremtidige simuleringer (2020-2049) simulerede versionen af ​​DayCent, der brugte den tidligere jordmodel, konstant stigende jordkulstof ind i fremtiden for begge afgrøder, mens den nye version simulerede et eventuelt plateau af jordkulstof før 2049. Dette plateau repræsenterer forskernes bedste forståelse af fremtidige kulstofstrømme i jorden og stabilisering i miscanthus og switchgrass.

"Disse meget tiltrængte modelleringsfremskridt gavner ikke kun CABBI, men også det større fællesskab af forskere og interessenter, der ønsker at estimere kulstofintensiteten af ​​dyrkning af højtydende flerårige græsser til produktion af biobrændstoffer og bioprodukter," sagde medforfatter Wendy Yang, CABBI's Sustainability Temaleder og professor i plantebiologi ved University of Illinois Urbana-Champaign.

Flere oplysninger: Danielle M Berardi et al., Mikrobielle eksplicitte processer og raffinerede flerårige plantetræk forbedrer modelleret økosystems kulstofdynamik, Geoderma (2024). DOI:10.1016/j.geoderma.2024.116851

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign