Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) studerade nyligen hur fukt påverkar jordens heterotrofiska andning. Det är den andningsliknande processen genom vilken mikrober omvandlar dött organiskt kol i jorden till koldioxid.

Globalt, jordar lagrar enorma mängder organiskt kol, varav en del konsumeras av mikrober och andas ut som koldioxid. På det här sättet, jordar producerar ett stort naturligt koldioxidflöde till atmosfären varje år. (Mängden är stor:ungefär sex gånger större än mänskliga utsläpp av samma växthusgas.)

Att förstå vad som påverkar detta flöde har enorma konsekvenser för förståelsen av klimatförändringar och kolcykeln, och för att sätta utsläppsmål.

Biogeokemistudien erbjuder en kostnadseffektiv modelleringsstrategi som är den första som undersöker effekten av fukt på dessa klimatkritiska andningshastigheter i den svårsimulerade porskalan. Uppsatsen hävdar också att simuleringar måste erkänna mångfalden av jordporutrymmen, och gå bortom modelleringsantagandet att jordar är homogena.

Det är redan välkänt att fuktförhållandena i marken påverkar andningshastigheten hos heterotrofa mikrober. Men tänk på komplexet, små världar där fukt lever och gör sitt arbete. Jordar är gjorda av sand, slam, leror, och organiskt material formas till miniatyr-"porosfärer". I tur och ordning, dessa sammankopplade mikrobiella livsmiljöer är kluven av vatten och gaser.

Att modellera heterotrofisk andning vid vad forskare kallar "porskala" är svårt. För en, det finns stora beräkningsmässiga utmaningar med att modellera vätskor i så liten skala. För en annan, modellering i porskala är svårt på grund av skillnader i mikroskala i marken. Det visar sig att fördelningen av organiskt kol i jordar är mycket lokaliserad. Hur mycket organiskt kol som går vart beror på fysiskt skydd, kemisk motstridighet, poranslutning, oenhetliga mikrobiella kolonier, och lokal fukthalt.

Denna studie – författad av Zhifeng Yan, Vanessa Bailey, och fyra andra PNNL-forskare – är den första att göra en porskaleundersökning av hur fuktdrivna andningshastigheter påverkas av faktorer inklusive jordporstrukturens heterogenitet, biotillgänglighet av organiskt kol i marken, distribution av fukthalt, och substrattransport. Den ger också insikt i de fysiska processer som styr hur markandningen reagerar på förändringar i fuktförhållandena. Dessutom, Tidningens numeriska analyser representerar ett kostnadseffektivt tillvägagångssätt för att undersöka kolmineralisering i jordar.

Simuleringarna i denna studie bekräftar generellt flera tidigare antaganden:att markens kolrespirationshastighet är en funktion av fukthalten; att sådana hastigheter ökar när fukt (och därför substrattillgänglighet) ökar; och att markens kolandning minskar efter ett visst optimum på grund av syrebegränsning.

Resultaten av studiens modell, replikeras av fältforskning, bekräfta också att andningshastigheten ökar med högre markporositet, och att komprimerade jordar - de med mindre porositet eftersom de är oplogade och ostörda - minskar hastigheten med vilken koldioxid flyr ut i atmosfären.

Längs vägen, studien varnar för faran med att anta att modellerade jordar har en enhetlig porositet. Det är bättre, säger forskarna, att försöka simulera den strukturella heterogeniteten – mångfalden – hos jordar som de finns i naturen.

Ytterligare forskning behövs, de lägger till, om hur kopplade aeroba och anaeroba processer skulle påskynda eller bromsa mängden organiskt kol som binds i marken. Dessa kopplade processer fanns inte i studiens design.