Av allt kol som lagras i ekosystem runt om i världen finns ungefär hälften i jordar. Beroende på klimat, vegetation och skötsel kan jordar vara antingen en kolkälla eller en sänka.
Naturliga klimatlösningar (NCS) erbjuder en lovande möjlighet att föra oss närmare våra netto-nollutsläppsmål genom att ta bort koldioxid från atmosfären och lagra den i växtbiomassa och jord. Tillväxten av bioenergiråvaror har stor potential i detta avseende eftersom dessa gräs både bygger kol i marken och har potential att användas för att producera koldioxidneutrala biobränslen och bioprodukter.
Under de senaste 40 åren har biogeokemiska modeller varit ett avgörande verktyg som forskare använder för att förstå hur klimat, ekologiska störningar och markförvaltning påverkar kol och andra flöden i ett ekosystem. På grund av deras framgång får biogeokemiska modeller draghjälp som viktiga verktyg för att utvärdera effektiviteten av NCS. Dessa modeller kan användas för att informera ledningen och policybeslut.
En av dessa modeller, kallad DayCent, simulerar dagliga flöden av kol, kväve och vatten mellan atmosfären, vegetationen och marken. Att projicera potentialen för stora fleråriga bioenergigrödor som NCS var dock utmanande på grund av två begränsningar av tidigare versioner av DayCent-modellen. Liksom många ekosystemmodeller har DayCent inte uttryckligen modellerat markmikrober och den roll de spelar som drivkrafter för markens kolcykling. Dessutom har stora fleråriga gräs som miscanthus och switchgrass distinkta fysiologiska egenskaper som inte tas med i många modellstrukturer.
För att komma till rätta med detta problem har ett CABBI-forskarteam inom hållbarhetstemat utvecklat DayCent-CABBI, en modell som integrerar markmikrober och de distinkta fysiologiska egenskaperna hos stora fleråriga gräs i DayCent.
I en ny artikel publicerad i Geoderma , diskuterar forskarna utvecklingen och valideringen av DayCent-CABBI – och sätter dess prediktiva kraft på prov.
"Att lägga till nya växt- och mikrobkomponenter till DayCent-CABBI-modellen förbättrar dess representation av ekosystemdynamiken", säger Melannie Hartman, en huvudförfattare på studien och Senior Research Associate vid Colorado State University. "Dessa framsteg förbättrar modellens förmåga att utvärdera hållbarheten i att odla olika typer av bioenergigrödor."
Mikrober i jorden bidrar till betydande kollagring och flöden, så forskargruppen uppdaterade DayCent för att inkludera en levande mikrobiell biomassapool. Denna funktion reglerar utsläppet av koldioxid till atmosfären baserat på poolens storlek. De lade också till en pool av död mikrobiell biomassa som möjliggör en mer realistisk representation för kol att flöda från en pool till en annan, vilket bättre kommer att simulera kollagring i marken.
"Mikrober är viktiga att inkludera i modellen eftersom till exempel dött mikrobiell biomassa kol är mer sannolikt att behållas i marksystemet i decennier till årtusenden om det har en stark koppling till markens mineralytor", säger Danielle Berardi, huvudförfattare. och nyutexaminerad med en ekologi Ph.D. från University of Idaho.
"Den maximala kapaciteten för den här typen av markkol i ett givet system baseras på marktexturen, som bestämmer den tillgängliga ytan för kol att binda till. Vi har förbättrat hur mineralassocierat organiskt material representeras i DayCent, vilket är avgörande för modellering av mätbara pooler av organiskt material i marken."
Den andra betydande förändringen som teamet gjorde fokuserade på att mer exakt modellera olika delar av fleråriga växter. Traditionella modeller har klumpat ihop löv och stjälkar som "växtkomponenter ovan jord." Genom att dela upp dessa växtdelar och modellera dem separat kan DayCent-CABBI mer exakt simulera kol-, kväve- och lignininnehåll för var och en, vilket både förbättrar hur växttillväxt simuleras och ger en mer realistisk strökemi och mer mångsidiga skördealternativ med implikationer för markens kol- och kvävekretslopp.
Dessutom lade teamet till en rhizomkomponent till modellen. Rhizom är grunda fleråriga rötter som lagrar kolhydrater och kväve under viloperioden när ovanjordiska växtdelar har vissnat. Eftersom dessa rotsystem i bioenergigrödor som miscanthus inte är anpassade för hårda vintrar som de kan möta i centrala USA, lade forskarna till en temperaturtröskel för rhizomer - när temperaturen sjunker tillräckligt långt, kommer modellen att simulera skador på rhizomer.
Med dessa modifieringar satte forskarna DayCent-CABBI på prov genom att simulera switchgrass och miscanthus vid University of Illinois Energy Farm från 2008 till 2049. Modellen kalibrerades och utvärderades med hjälp av fältdata från 2008 till 2019.
Jämfört med historiska data hade versionen av modellen med den nya mikrobiellt explicita jordmodellen bättre modelldataöverensstämmelse med dagliga ekosystems kolflöden, särskilt på våren, vilket indikerar att denna modifiering verkligen förbättrar DayCents förmåga att exakt bedöma potentialen av fleråriga gräs som NCS.
Under framtida simuleringar (2020-2049) simulerade versionen av DayCent som använder den tidigare jordmodellen ett kontinuerligt ökande markkol in i framtiden för båda grödorna, medan den nya versionen simulerade en eventuell platå av markkol före 2049. Denna platå representerar forskarnas bästa förståelsen för framtida markens kolflöden och stabilisering i miscanthus och switchgrass.
"Dessa välbehövliga modelleringsframsteg gynnar inte bara CABBI utan också det större samhället av forskare och intressenter som vill uppskatta kolintensiteten i att odla högavkastande perenna gräs för produktion av biobränsle och bioprodukter", säger medförfattare Wendy Yang, CABBI:s hållbarhet Temaledare och professor i växtbiologi vid University of Illinois Urbana-Champaign.
Mer information: Danielle M Berardi et al, Mikrobiella explicita processer och förfinade perenna växtegenskaper förbättrar modellerad ekosystems koldynamik, Geoderma (2024). DOI:10.1016/j.geoderma.2024.116851
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
