Jordar kan släppa ut mycket mer CO2 än förväntat i atmosfären när klimatet värms upp, enligt ny forskning av forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Deras resultat är baserade på ett fältexperiment som, för första gången, utforskat vad som händer med organiskt kol som fångas i marken när alla jordlager värms upp, som i detta fall sträcker sig till ett djup av 100 centimeter. Forskarna upptäckte att uppvärmning av både ytan och de djupare jordlagren vid tre försöksområden ökade tomternas årliga utsläpp av CO2 med 34 till 37 procent över icke-uppvärmd jord. Mycket av CO2 härstammar från djupare lager, vilket tyder på att djupare kolförråd är mer känsliga för uppvärmning än man tidigare trott.

De rapporterar sitt arbete online den 9 mars i tidskriften Vetenskap .

Resultaten belyser vad som potentiellt är en stor källa till osäkerhet i klimatprognoser. Organiskt kol i marken innehåller tre gånger så mycket kol som jordens atmosfär. Dessutom, uppvärmningen förväntas öka hastigheten med vilken mikrober bryter ned organiskt kol i jorden, släpper ut mer CO2 i atmosfären och bidrar till klimatförändringarna.

Men, tills nu, Majoriteten av fältbaserade markuppvärmningsexperiment fokuserade bara på de översta fem till 20 centimeterna av jord – vilket lämnar mycket kol orenat. Experter uppskattar att jordar under 20 centimeters djup innehåller mer än 50 procent av jordens lager av organiskt kol i jorden. De stora frågorna har varit:i vilken utsträckning reagerar de djupare jordlagren på uppvärmning? Och vad betyder detta för utsläppet av CO2 i atmosfären?

"Vi fann att responsen var ganska betydande, säger Caitlin Hicks Pries, en postdoktor vid Berkeley Labs Climate and Ecosystem Sciences Division. Hon genomförde forskningen tillsammans med författaren Margaret Torn, och Christina Castahna och Rachel Porras, som också är Berkeley Lab-forskare.

"Om våra resultat tillämpas på jordar runt om i världen som liknar det vi studerade, betyder jordar som inte är frusna eller mättade, våra beräkningar tyder på att år 2100 kan uppvärmningen av djupare jordlager orsaka utsläpp av kol till atmosfären i en hastighet som är betydligt högre än idag, kanske till och med så högt som 30 procent av dagens mänskliga orsakade årliga koldioxidutsläpp beroende på de antaganden som uppskattningen bygger på, ", tillägger Hicks Pries.

Behovet av att bättre förstå svaret från alla jorddjup på uppvärmning understryks av prognoser som, under nästa århundrade, djupare jordar kommer att värmas upp i ungefär samma hastighet som ytjordar och luften. Dessutom, Mellanstatlig panel för klimatförändringssimuleringar av global genomsnittlig jordtemperatur, använda ett "business-as-usual"-scenario där koldioxidutsläppen ökar under de kommande decennierna, förutspår att jorden kommer att värmas upp med 4° Celsius år 2100.

För att studera de potentiella effekterna av detta scenario, forskarna från Berkeley Lab var pionjärer för en innovativ experimentell uppställning vid University of Californias Blodgett Forest Research Station, som ligger vid foten av Kaliforniens Sierra Nevada-berg. Jordmånen vid forskningsstationen är representativ för tempererade skogsmarker, som i sin tur står för cirka 13,5 procent av jordytan världen över.

Forskarna byggde sitt experiment runt sex jordytor som mäter tre meter i diameter. Varje tomts omkrets ringlades med 22 värmekablar som var vertikalt sänkta mer än två meter under jord. De värmde tre av tomterna 4° Celsius i mer än två år, lämnar de andra tre tomterna ouppvärmda för att fungera som kontroller.

De övervakade markandningen på tre olika sätt under experimentets gång. Varje plot hade en automatiserad kammare som mätte flödet av kol vid ytan varje halvtimme. Dessutom, en dag varje månad, Hicks Pries och teamet mätte ytkolflödet på sju olika platser på varje tomt.

En tredje metod undersökte det så viktiga underjordiska riket. En uppsättning "halmrör" av rostfritt stål installerades under ytan vid varje tomt. Forskarna använde stråna för att mäta CO2-koncentrationer en gång i månaden på fem djup mellan 15 och 90 centimeter. Genom att känna till dessa CO2-koncentrationer och andra markegenskaper, de kunde modellera i vilken utsträckning varje djup bidrog till mängden CO2 som frigjordes vid ytan.

De upptäckte att av den 34 till 37 procentiga ökningen av CO2 som släpps ut vid de tre uppvärmda tomterna, 40 procent av denna ökning berodde på CO2 som kom från under 15 centimeter. De fann också att jordens känslighet för uppvärmning var liknande över de fem djupen.

Forskarna säger att dessa fynd antyder i vilken grad organiskt kol i marken påverkar klimatförändringen för närvarande kan underskattas.

"Det finns ett antagande att kol i underjorden är mer stabil och inte lika känslig för uppvärmning som i matjorden, men vi har lärt oss att det inte är fallet, " säger Torn. "Djupare jordlager innehåller mycket kol, och vårt arbete indikerar att det är en viktig saknad komponent i vår förståelse av den potentiella återkopplingen av jordar till planetens klimat."