DOE och USDA-forskare använder nya globala modeller för att studera hur miljökontrollanter påverkar markens organiskt kol, förändringar som kan förändra atmosfärens kolkoncentrationer och påverka klimatet. Förutsägelser kan gynna industrins begränsningsplaner.

Naturen erbjuder en myriad av sätt att hålla koll på sin hälsa. En av de mer framgångsrika indikatorerna är statusen för dess markorganiska kol, eller koncentrationen av kol i den organiska del av marken som består av ruttnande vegetation eller animaliska produkter. En liten förändring av kolhalterna kan dramatiskt förändra atmosfärens kolkoncentrationer och påverka klimatet.

"Organiskt kol i marken är viktigt att studera eftersom det är markegenskapen som tillhandahåller många ekosystemtjänster till mänskligheten, som att deaktivera föroreningar, bevara den biologiska mångfalden, bevara och rena vatten, öka jordens bördighet, och mildra klimatförändringarnas effekter, " sa Umakant Mishra, en geospatial vetenskapsman vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory.

Ett samarbete mellan US Department of Agriculture och flera DOE National Labs, inklusive Argonne, för att förutsäga och modellera effekten av miljökontrollanter, eller markbildande faktorer – klimat, organismer, topografi, modermaterial och tid - på markens organiskt kol i olika rumsliga skalor över det kontinentala USA.

Resultaten från studien av organiskt kol i marken är avsedda att minska osäkerheten i att förutsäga globala kolklimatåterkopplingar och associerade klimatförändringar. De skulle också kunna ge mer säkerhet om hur framtida klimatextremer kan påverka aktiviteterna i många industrier, från jordbruk och växtförsäkringsindustrier till industrier för bevarande av naturresurser.

Forskare, för första gången, kunde generera skalningsalgoritmer för att ta hänsyn till en så stor geografisk region genom att använda en stor uppsättning nyligen tillgängliga fältobservationer, ett stort antal miljöfaktorer och en maskininlärningsalgoritm – en artificiell intelligensmetod som lär sig av specifika data för att successivt förbättra förutsägelser om nya, liknande data.

I detta fall, skala hänvisar till det område över vilket markens organiska kolegenskaper antas vara liknande, och skalning tar information som samlats in från en rumslig skala och tillämpar den på en annan. Med regionen uppdelad i ett mönster av rutnätsceller, den rumsliga skalan som användes i denna forskning sträckte sig från en finare upplösning på 100 m till en mer kurs 50 km mellan rutnätscentra.

"Markhalten av organiskt kol skiljer sig åt på olika provtagningsplatser, det är därför vi måste ta prover på representativa platser om vi har för avsikt att fånga den rumsliga heterogeniteten hos markegenskaper i studieområdet, " sa Mishra.

Skalningsalgoritmerna som han och hans medarbetare skapade som en del av forskningen är viktiga för jordsystemmodeller, som DOE:s Energy Exascale Earth System Model, förutom att förutsäga förändringar i klimatet mer exakt.

Skalning, Mishra noterade, är en fråga som traditionellt har ignorerats inom biogeokemisk/naturvetenskap, där man trodde att egenskaper eller processer associerade med en rumslig skala kan tillämpas i både mindre eller större skalor. I verkligheten, så är dock inte fallet.

Nuvarande jordsystemmodeller, som används för att förutsäga framtida globala kolklimatåterkopplingar och tillhörande klimatförändringar, opererar på grova rumsliga skalor (50-100 km) och kan för närvarande inte representera miljökontrollanter och deras effekt på markens organiskt kol på ett sätt som överensstämmer med fältobservationer.

"Kontrollen av miljöfaktorer på organiskt kol i marken är inte förenlig med observationerna i de nuvarande markytmodellerna, ", tillade han. "Vi tror att skalningsfunktionerna vi utvecklade i denna forskning, som är hämtade från många prover över ett stort geografiskt område, kan förbättra den rumsliga representationen av markorganiskt kol i markytan inom jordsystemmodeller."

Bland resultaten av lagets senaste arbete, modeller visade att topografiska egenskaper och jordegenskaper var signifikanta kontroller av markorganiskt kol i finare skalor. I den grövre änden av skalan, klimat- och markanvändningsfaktorer fungerade som viktiga kontroller.

En artikel om studien, "Vikten och styrkan hos miljökontrollanter av markens organiska kolförändringar med skala, " visas den 1 oktober, 2020, frågan om Geoderma (publicerad online, 23 juni, 2020).