Jordar är jordens största kolreservoar. Det är viktigt att veta hur jordkol lagras i ett "handfat" och hur det släpps ut i atmosfären som en "källa".

Förståelse som kräver att studera markmikroorganismer, inklusive var de bor, och deras tillgång till lagrat kol för mat. När mikrober har tillgång till kol och syre, de sönderdelar dessa element till koldioxid, eller CO2, en process som kallas "mineralisering".

Vatten krävs för denna och annan mikrobiell aktivitet. När vatten fyller ledningarna mellan jordens porer, den ansluter mikrober till resurser genom att skapa ett tredimensionellt nätverk av vattenhaltiga motorvägar.

Porrutrymmen

Men inte allt jordkol är tillgängligt som mikrobiell mat. En del av den är skyddad i mikroskopiska porutrymmen i jorden, vars små diametrar begränsar tillgången till kolhungriga mikrober. Kommer jordkol vara mat eller inte? Dess öde beror på den hydrologiska aktiviteten och anslutningen i marken.

En ny uppsats i Nature Communications, ett samarbete av huvudförfattaren A. Peyton Smith och andra vid Pacific Northwest National Laboratory och EMSL, undersöker vikten av porskala vätningsmönster, tidigare jordfuktighetsförhållanden och andra faktorer som påverkar markens koldynamik i alla skalor, från porer till kärnor till fält. (Kärnvåg kan vara en spade full. Fältskala kan vara lika stor som ett ekosystem.)

Smith och hennes medförfattare hävdar att jordsystemmodeller bör behandla markfuktighet som mer än ett enda nummer. Det är bättre, de säger, att tänka på jorden som en tredimensionell ram-en som betonar fuktförhållandena som bildar de hydrologiska ledningar som diffunderar kol och andra jordresurser.

Förvisar osäkerheter

Erkänner jordens tredimensionella karaktär, förutom dess hydrologi, är ett viktigt steg mot att lösa osäkerheter om markkol i nuvarande jordsystemmodeller. Sådana modeller förutsäger om jord kommer att vara sänkor eller källor till kol.

Torka och andra extrema händelser relaterade till nederbörd fortsätter att öka i intensitet, varaktighet och omfattning. Detta har konsekvenser för koldioxidlagring i mark både i ekosystemet och globalt.

I jord, kolets öde kan gå på två sätt, sa Smith, en PNNL postdoc, "Det är äta eller behålla."

Än så länge, studier visar att torka-drabbade jordar pulserar CO2 ut i atmosfären när de återväts, ett fenomen som kallas "björkeffekten". Ju längre torka, desto större puls för denna växthusgas.

Men björkeffekten undersöks sällan vid flera rumsliga och tidsmässiga skalor. Som ett resultat, nuvarande modeller begränsar vår förmåga att förutsäga hur torknings- och återvätningscykler påverkar markens kol.

Vätningsriktning, Ner till molekylen

I det nya papperet forskare bestämde sig för att utveckla en molekylär förståelse för vätningsriktning och föregående markfuktighet. I en laboratoriemiljö, de använde 16 experimentella kärnor av sandig jord från Florida Everglades för att undersöka jordens kapacitet att antingen vara en kolsänka eller en kolkälla som svar på torka och vätningsriktning.

Vi vet redan att när marken är våt uppifrån, genom nederbörd, de större porerna fylls i först. Vi vet också att när jorden är våt underifrån, med grundvatten, kapillärverkan mättar de finaste porerna först.

Denna ovan-under-dynamik skapar distinkta förhållanden. Det påverkar vilken typ av kol som är tillgängligt för mikrobiell sönderdelning; storleken på porerna som fylls med vatten, förbättra hydrologisk anslutning; och storleken på porerna som fylls med luft, som ger det syre som behövs för sönderdelning.

"Anslutningen är viktig, "sa Smith, "inte bara porstorlek."

'Torka -arv'

Tidningen visar att jordens "torkarv" och vätningsriktning är viktigare för kollagring än dess nuvarande fuktinnehåll. Särskilt, när återvätning kommer från stigande grundvatten ger det en snabbare koldioxidförlust från kärna till ekosystem än nederbördshändelser uppifrån.

Fortfarande, på fältskalan, både nederbörd och grundvattenfluktuationer interagerar för att destabilisera markens kol.

Modeller som simulerar kolflöden i ekosystemskala måste ta hänsyn till dynamiken i dessa riktningsvätningshändelser, författarna säger-inte som ett enda tal utan som ett tredimensionellt ramverk.