Som vattenmolekyler i en flod, markens kolatomer är alltid i rörelse.

För att bättre förstå denna åtgärd, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och medarbetare har skapat ett nytt konceptuellt ramverk såväl som en simuleringsmodell som spårar vägen för enskilda kolatomer när de interagerar med miljön - genomgår biokemiska omvandlingar, rör sig genom markens porutrymme och fortskrider mot sitt slutliga öde - koldioxid (CO ₂ ). Forskningen visas i tidskriften Global förändringsbiologi .

Jordar lagrar mer kol än atmosfären och biosfären tillsammans och balansen mellan bildning av organiskt kol i marken (SOC) och förlust kommer att driva kraftfulla återkopplingar av kolklimat under det kommande århundradet.

Den vanligaste metoden för att förutsäga SOC-dynamik använder poolbaserade modeller, som antar klasser av SOC med internt homogena fysikaliska och kemiska egenskaper. Men nya bevis visar att markens kolomsättning inte dominerande kontrolleras av kemin i koltillförseln, utan genom hur den rör sig genom sin rumsligt och tidsmässigt heterogena miljö.

Det nya ramverket, kallas probabilistisk representation av organiskt materialinteraktioner inom markmiljön (LOFTE), använder processbaserad, probabilistiska tillvägagångssätt fokuserade på kolflöde och dynamiska transformationer, "flöden" i motsats till diskreta pooler.

Klimatförändringar är resultatet av en störning av den globala kolcykeln, och jordar spelar en avgörande roll för att reglera jordens klimatsystem. Jordar är en enorm reservoar - men hotas - på grund av intensifierat jordbruk, permafrost tina, atmosfärisk uppvärmning, etc.

"I verkligheten, SOC existerar i ett tillstånd av konstant flöde med nya insatser av växthärlett kol som kompenseras av kontinuerliga SOC-förluster genom nedbrytning, " sa LLNL-forskaren Jennifer Pett-Ridge, en medförfattare till tidningen. "Även små förändringar i omfattningen av dessa förändringar påverkar styrkan i den markbundna kolsänkan. Vi måste ändra markhanteringen mot metoder som bevarar det kol vi har, lägga till mer, och idealiskt sakta ner de processer som leder till SOC-förlust."

PROMISE-konceptet överväger hur SOC-cykelhastigheter styrs av de slumpmässiga processer som påverkar närheten mellan mikrobiella nedbrytare och organiskt material, med betoning på deras fysiska placering i jordmatrisen. Teamet visade hur tillämpningen av denna nya modell spårar ödet för enskilda kolatomer när de interagerar med sin miljö, genomgår biokemiska omvandlingar och rör sig genom markens porutrymme.

"Vi tänker på kol som alltid i rörelse, som vattenmolekyler i en flod. Ibland fastnar de (som i en virvel vid flodkanten), men så småningom lossnar de och går vidare mot sitt slutliga öde - mineralisering till CO ₂ , " sa Pett-Ridge. "I vår simuleringsmodell, vi kan spåra enskilda kolatoms öde när de interagerar med sin omgivning - som en partikel som rör sig nerför en flod, fastnar och sedan släpps tillbaka in i huvudflödet - i ett dynamiskt kontinuum."

PROMISE -ramverket omformar dialogen kring frågor som rör SOC -hantering i en fluktuerande värld. Teamet sa att de vill att ramverket ska stimulera utvecklingen av nya analytiska verktyg och modellstrukturer över discipliner – inklusive markekologer, biogeokemister, ekosystemmodellerare och matematiska biologer – som kommer att belysa fysiska kontroller på flödet av kol mellan växter, jord och atmosfäriska pooler.

"Ekosystem fungerar eftersom energiöverföringen inte står stilla, ", sa Pett-Ridge. "Genom att brottas med den dynamiska naturen hos markens kol, vi kan hantera denna kritiska resurs mer effektivt i en föränderlig värld."