Jorden innehåller ungefär dubbelt så mycket kol som atmosfären och växterna tillsammans. Det är en stor kolsänka som kan absorbera mer koldioxid från atmosfären än den släpper ut. Hantering av markens kol är nyckeln i ansträngningarna för att mildra klimatförändringarna, förutom att den är avgörande för markens hälsa och jordbrukets produktivitet.
Att mäta markens kol är dock en mödosam och dyr process. Prover måste grävas från marken och skickas till ett labb för analys, vilket gör uppskalningsmätningar i stor rumslig skala utmanande.
Nu har miljöforskare kombinerat data på fältnivå med maskininlärningstekniker för att uppskatta markens organiskt kol på amerikansk kontinental skala. Journal of Geophysical Research:Biogeosciences har publicerat den nya uppskattningen av organiskt kol i jorden, som förbättrar den övergripande skattningen för USA och ger nya insikter om effekterna av miljövariabler på organiskt kol i marken.
"Det finns en växande insikt om att organiskt kol i marken är viktigt och att vi bör investera i att bygga upp det genom hållbar markförvaltning", säger Debjani Sihi, senior författare till studien och biträdande professor i miljövetenskap vid Emory University. "Vår uppskattning är mer korrekt än befintliga uppskattningar och ger ett bättre riktmärke för att vägleda beslutsfattare och markförvaltare att anta klimatsmarta metoder."
Land är mycket effektivare än havet när det gäller att hålla kvar kol, konstaterar Sihi, och erbjuder en möjlig naturbaserad lösning för att mildra klimatförändringarna.
"Vi skulle potentiellt kunna skapa förhållanden", förklarar hon, "som är gynnsamma för marken att fånga upp koldioxid från atmosfären och låsa den där under en riktigt lång tid – över årtusenden."
Sihi är en biogeokemist som studerar miljö- och hållbarhetsfrågor i sambandet mellan jord och klimat.
Första författare till den aktuella artikeln är Zhuonan Wang, en före detta postdoktor i Sihis labb som nu är vid Colorado State University.
Markens organiskt kol består av växt- och djurmaterial i olika nedbrytningstillstånd. Medan oorganiskt kol också finns i marken i form av karbonatmineraler, är organiskt kol vanligtvis den största andelen och den viktigaste drivkraften för markens biologi och kvalitet.
U.S.A. Department of Agriculture upprätthåller National Cooperative Soil Survey-databasen för jordkarakterisering. Dessa data samlades in under decennier både genom att gå över marken och observera och genom att gräva upp kärnprover och skicka dem till laboratorier för analys. Mätning av organiskt kol i marken kräver till exempel att man gräver en kärna till rotzonen, cirka 30 centimeter djup för att få en matjordsprofil och tills kärnan träffar berggrunden för att få en hel jordprofil.
Jordprover görs även i andra delar av världen. International Soil Organic Carbon Network omfattar mer än 430 000 markprofiler, hämtade från hela världen. Forskare använder sådana data för att skapa "jordkartor" eller uppskattningar av markegenskaper i olika regioner. En välkänd markkarta är Harmonized World Soil Database, utvecklad av FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation och samarbetspartners. En annan är SoilGrids, som stöds av International Soil Reference and Information Centre i Nederländerna.
Det finns betydande inkonsekvenser i uppskattningarna av markens organiskt kol inom både Harmonized World Soil Database och SoilGrids. Sihi och hennes team gav sig i kast med att se om de kunde lösa dessa inkonsekvenser inom USA:s uppskattningar genom att hitta mer effektiva sätt att skala upp jordprovsdata.
Forskarna delade upp USA – inklusive alla 50 delstaterna och Puerto Rico – i 20 olika regioner och skapade maskininlärningsmodeller för varje region. De fick nästan 50 000 jordprover, från 30 centimeter till en meter djupa, från hela dessa regioner. De byggde sina algoritmer med hjälp av dessa dataprover för organiskt kol i marken, matchat till exakta geografiska informationssystemsplatser.
De hämtade också från ytterligare öppen källkod för att mata sina modeller med 36 miljövariabler, inklusive detaljer om klimatet, markens topografiska egenskaper, jordens biogeokemiska egenskaper och mängden vegetation i landskapet.
Resultaten visade att den nya metoden gav mer exakta uppskattningar än både Harmonized World Soil Database och SoilGrids för de översta 30 centimeterna av jord, där det mest biologiskt aktiva markorganiska kolet tenderar att vara koncentrerat.
Den nya metoden avslöjade också hur effekterna av miljövariabler på markens organiskt kol varierar mellan regioner. Medan klimatet var den vanligaste prediktorn för markens organiskt kol i de flesta av regionerna, tenderade vegetationsindexet att vara viktigare i de torra områdena i sydväst. Höjd var en nyckelvariabel i regioner som var bergiga eller inkluderade ett stort floddelta.
Forskarna hoppas att andra kommer att tillämpa sitt tillvägagångssätt på andra länder och kontinenter där det finns tillräckligt med data på plats.
"Det fina med vårt tillvägagångssätt är att det ger oss möjlighet att identifiera regioner med hög osäkerhet i våra uppskattningar och det hjälper oss att vägleda framtida provtagningsinsatser," säger Sihi.
Att ta hänsyn till miljövariabler ökar också den nya modellens flexibilitet när de globala temperaturerna stiger på grund av klimatförändringar, vilket gör att marken värms upp och ändrar nederbördsmönster. Det är fortfarande oklart, noterar Sihi, om jordar kommer att fortsätta att fungera som en kolsänka eller omvandlas till en kolkälla.
"För att förstå hur markens kol kommer att förändras under ett föränderligt klimat behöver vi först noggranna uppskattningar av aktuella markhalter av organiskt kol och de nyckelfaktorer som påverkar dem", säger Sihi. "Vår nya uppskattning är ett steg mot att få mer exakta basdata för att förbättra jordens systemmodeller för klimatförändringar."
Medförfattare till den nya uppskattningen inkluderar Jitendra Kumar (Oak Ridge National Laboratory), Samantha Weintraub-Leff (National Ecological Observatory Network), Katherine Todd-Brown (University of Florida) och Umakant Mishra (Sandia National Laboratories).
Mer information: Zhuonan Wang et al, Upscaling Soil Organic Carbon Measurements at the Continental Scale Using Multivariate Clustering Analysis and Machine Learning, Journal of Geophysical Research:Biogeosciences (2024). DOI:10.1029/2023JG007702
Tillhandahålls av Emory University
