Klimatforskare har inte riktigt redogjort för vad växter gör på natten, och det, det visar sig, är ett misstag. En ny studie från Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har funnit att växtnäringsupptag i frånvaro av fotosyntes påverkar utsläpp av växthusgaser till atmosfären.

I en studie publicerad idag i Naturens klimatförändringar , huvudförfattaren William Riley demonstrerar hur man kan förbättra klimatmodeller för att mer exakt representera biogeokemisk dynamik på land. Med hjälp av en ny global markmodell utvecklade och integrerade de i DOE:s Energy Exascale Earth System Model (E3SM), Riley och hans team fann att växter kan ta upp mer koldioxid och jordar förlorar mindre lustgas än tidigare trott. Deras globala simuleringar innebär svagare terrestriska ekosystemåterkopplingar med atmosfären än nuvarande modeller förutspår.

"Det här är goda nyheter, med avseende på vad som för närvarande finns i klimatmodellerna, sa Riley, en forskare i Berkeley Labs område för jord och miljö. "Men det är inte goda nyheter i allmänhet - det kommer inte att lösa problemet. Oavsett vad, växter kommer inte att hålla jämna steg med antropogena koldioxidutsläpp; det är bara att de kanske gör det bättre än nuvarande modeller antyder. "

Människor har släppt ut rekordstarka 34 gigaton CO ₂ per år, i genomsnitt under det senaste decenniet. Ungefär hälften av det finns kvar i atmosfären, medan resten absorberas av hav och land (genom fotosyntes); det senare beloppet, kallad den markbundna kolsänkan, varierar från år till år beroende på faktorer som bränder, torka, markanvändning, och väder.

Forskare försöker förstå hur ökande globala koldioxidutsläpp kommer att påverka den markbundna kolsänkan, som uppskattas för närvarande vara mellan 0 och 11 gigaton CO ₂ per år, inklusive ändring av markanvändning, med stor variation mellan olika år. En ytterligare komplikation innefattar markbunden lustgas, som är en kraftfull växthusgas som naturligt frigörs från mark och genom jordbruks- och industriverksamhet. Med andra ord, i vilken utsträckning kommer växter att kunna förbättra ökningarna av antropogena koldioxidutsläpp?

Den nya Berkeley Lab-studien fann att genom att inte ordentligt redogöra för vad växter gör på natten och under den icke-växande säsongen, klimatmodeller kan underskatta den markbundna kolsänkan och överskatta utsläpp av lustgas, den senare med 2,4 gigaton CO ₂ -ekvivalent per år. "Detta antal är betydande jämfört med den nuvarande markbundna kolsänkan, "Riley sa, allt från ungefär en fjärdedel till mer än 100 procent, beroende på år.

Tävling mellan växter och mikrober om näringsämnen

Växternas förmåga att ta upp koldioxid begränsas av tillgången på jordnäringsämnen, särskilt kväve och fosfor. De rikligare näringsämnena är, desto fler växter kan dra fördel av ökande koldioxid i atmosfären. Mikrober i jorden är också en faktor eftersom de konkurrerar med växter om näringsämnen.

Mikrober, faktiskt, spela en viktig roll i kolcykeln, och växelverkan mellan växter, jord, och mikrober är komplexa, presenterar en utmaning för klimatforskare. De flesta klimatmodeller antar att växter konkurrerar om näringsämnen i jorden bara när de kräver det för fotosyntes, och inte, till exempel, på natten eller under icke-växande säsonger.

"Vad de flesta klimatmodeller har ignorerat är den här ganska robusta observationslitteraturen som visar att växter hämtar kväve från jorden även när de inte fotosyntetiserar, "Sa Riley.

Berkeley Lab har fokuserat på ämnet interaktioner mellan växt-jord-mikrober genom sitt initiativ Microbes to Biomes, och det kommer att vara ett kärntema för integrationscentret för biologiskt och miljöprogram, eller BioEPIC, en föreslagen anläggning som skulle rymma enstaka experimentella möjligheter för att främja DOE:s uppdragsmål inom energi och miljövetenskap. Ett mål är att representera och studera dessa processer i stor skala och på ett kontrollerat sätt.

"Denna studie visar framsteg i att mer mekaniskt representera de markbundna processer som är viktiga för klimatet och kommer att vara viktiga för BioEPIC, "Sa Riley.

Lägre lustgasutsläpp

I den här studien, Berkeley Lab -forskare Qing Zhu, medförfattare till tidningen, genomförde en metaanalys av 120 experiment med kortsiktigt kväveupptag av växter för att testa deras nya globala markmodell, heter ELMv1. "Vi jämförde också observationer av näringsupptag vid nattetid kontra dagtid och över icke-växande säsonger, "Riley sa." Vi är ganska säkra på att de grundläggande mekanismerna i modellen är korrekta och denna metaanalys och enskilda platsobservationer stödjer det. "

De fann att en betydande del av näringsupptag sker i avsaknad av fotosyntes när växter och mikrober konkurrerar om näringsämnen. "Beloppen varierar mycket efter latitud, men på de högre breddgraderna, som Arktis, ungefär 20 procent av växternas årliga kväveupptag sker utanför växtsäsongen. Det går upp till 55 procent för nattupptag i tropikerna, "sa han." Det är en enorm affär för växter och kommer att underlätta atmosfäriskt kolupptag, och det ignoreras för närvarande helt i de flesta klimatmodeller. "

"Denna typ av modellförbättringar hjälper oss att bättre förstå konsekvenserna av framtida CO ₂ utsläpp, "Sa Riley.

En ytterligare medförfattare till tidningen, "Svagare landklimatåterkopplingar från näringsupptag under fotosyntesinaktiva perioder, "var Berkeley Lab -forskaren Jinyun Tang. Studien finansierades av DOE:s vetenskapsbyrå.