Koldioxidåterkoppling:När det gäller att förstå skogarnas roll i både att avge och fånga upp koldioxid, det är tre ord som innehåller mycket vetenskap. I en ny studie, forskare ledda av Pacific Northwest National Laboratory inkorporerade i ett jordsystem som modellerar ekosystemets komplexa roll för att förstärka eller dämpa koncentrationen av koldioxid (CO2) i atmosfären.

Det är en process som kallas dynamisk vegetation - där växter kan flytta sina livsmiljöer som svar på miljöförändringar som ett varmare vädersystem eller begränsade näringsämnen. Genom att använda en landsystemmodell med dynamisk vegetation aktiverad eller inaktiverad, forskargruppen fann att kväve och dess interaktion med växter har ett starkt inflytande på hur växter reagerar på miljöförändringar. Denna påverkan kan resultera i förstärkning eller minskning av koldioxid, som är ansvarig för miljöförändringarna i första hand. Forskningen visade hur effektiv modellering av dynamisk vegetation och kvävets kretslopp kan öka förståelsen för kolets kretslopp och framtida klimatförändringar.

Det terrestra ekosystemet spelar en stor roll i jordens kolkretslopp genom att andas in och andas ut CO2 från atmosfären. En högre nivå av CO2 hjälper växter att mer effektivt använda solens energi för fotosyntes, vilket får dem att ta bort (andas in) mer CO2 från atmosfären. Å andra sidan, en högre CO2-nivå i atmosfären leder till högre temperaturer, som kan utsätta växter för värmestress och påskynda det organiska materialet i växtskräp och jord att sönderfalla. Både den ökade stressen och den snabbare nedbrytningen av organiskt material tillför mer CO2 till atmosfären än vad som tas bort av den ökade fotosyntesen. Denna nettoökning av CO2 utandning av växter när atmosfärisk CO2 ökar är en positiv kolcykelåterkoppling som förstärker CO2 i atmosfären.

Men här är där kväve kastar en skiftnyckel i kolcykelns växlar. Snabbare sönderdelning av organiskt kol gör mer kväve tillgängligt för växter, hjälpa dem att ta upp mer CO2 när de växer, sänker de atmosfäriska nivåerna. Detta är en negativ kolcykelfeedback. Dock, styrkan hos denna negativa kolcykelåterkoppling beror på om vegetationstypen tillåts förskjutas med miljöförändringar eftersom vissa växter kräver mer kväve än andra. Denna studie visade hur kvävecykeln och den dynamiska vegetationen och deras interaktion avgör hur växter över hela världen kan förstärka eller dämpa ökningen av atmosfärisk CO2 och tillhörande klimatuppvärmning.

Bland de jordsystemmodeller som bidrog till Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) femte utvärderingsrapport 2013, endast en handfull inkluderad dynamisk vegetation, och ännu färre inkorporerade kvävekretsloppet. Bevis växer att dessa två processer kommer att spela en nyckelroll i den framtida koldioxidcykeln.

Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory och deras medarbetare studerade en av de få globala landmodellerna, Community Land Model version 4, som kan simulera förändringar i vegetationstäcket som svarar på både klimat- och kvävecykeln. Genom att köra en serie simuleringar för olika klimat- och CO2-förändringsscenarier, de kunde beräkna känsligheten hos markbundet kol för klimatuppvärmning och CO2-ökning. Kolkänslighet på land är en viktig faktor som utgör återkopplingen till CO2-ökning. Effekten av vegetationsförändring på denna faktor har sällan studerats. Teamet upprepade samma uppsättning experiment utan en dynamisk vegetationsmodell.

Deras analys visade en signifikant skillnad i den potentiella styrkan av kolcykelns återkoppling med och utan det dynamiska vegetationstäcket som svarar på klimattillståndet. Teamet hittade också en koppling mellan de framväxande egenskaperna hos växtkvävebehovet från otillräcklig representation av växtkonkurrens i den dynamiska vegetationsmodellen över troperna och subtroperna. Analysen fann också att fel vid simulering av vegetationstäcke kan spridas till bredare skalor genom interaktion med kvävets kretslopp. Forskningen illustrerade ett specifikt exempel på sådan felspridning för att vägleda modellutvecklingsinsatser.

Med de relevanta vegetationsprocesserna förbättrade i nästa generations jordsystemmodeller, representation av kolcykelns återkoppling kan karakteriseras bättre. Framtida studier kommer att utföra simuleringar med den globala landmodellen kopplad till atmosfären, hav, och andra jordsystemskomponentmodeller för att kvantifiera kol-klimat-interaktioner, med särskilt fokus på den tropiska skogen.