Neues Modell integriert Bodenmikroben und hohe mehrjährige Gräser

Etwa die Hälfte des weltweit in Ökosystemen gespeicherten Kohlenstoffs befindet sich in Böden. Je nach Klima, Vegetation und Bewirtschaftung können Böden entweder eine Kohlenstoffquelle oder eine Kohlenstoffsenke sein.

Natürliche Klimalösungen (NCS) bieten eine vielversprechende Möglichkeit, uns unserem Netto-Null-Emissionsziel näher zu bringen, indem sie Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen und es in pflanzlicher Biomasse und im Boden speichern. Das Wachstum von Bioenergierohstoffen birgt in dieser Hinsicht großes Potenzial, da diese Gräser im Boden Kohlenstoff erzeugen und das Potenzial haben, zur Herstellung kohlenstoffneutraler Biokraftstoffe und Bioprodukte verwendet zu werden.

In den letzten 40 Jahren waren biogeochemische Modelle ein entscheidendes Instrument, das Forscher nutzen, um zu verstehen, wie sich Klima, ökologische Störungen und Landbewirtschaftung auf Kohlenstoff und andere Flüsse in einem Ökosystem auswirken. Aufgrund ihres Erfolgs erfreuen sich biogeochemische Modelle immer größerer Beliebtheit als wichtige Instrumente zur Bewertung der Wirksamkeit von NCS. Diese Modelle können als Grundlage für Management- und politische Entscheidungen verwendet werden.

Eines dieser Modelle namens DayCent simuliert die täglichen Flüsse von Kohlenstoff, Stickstoff und Wasser zwischen Atmosphäre, Vegetation und Boden. Allerdings war die Prognose des Potenzials großer mehrjähriger Bioenergiepflanzen als NCS aufgrund zweier Einschränkungen früherer Versionen des DayCent-Modells eine Herausforderung. Wie viele Ökosystemmodelle hat DayCent Bodenmikroben und ihre Rolle als Treiber des Kohlenstoffkreislaufs im Boden nicht explizit modelliert. Darüber hinaus weisen große mehrjährige Gräser wie Chinaschilf und Rutenhirse ausgeprägte physiologische Merkmale auf, die in vielen Modellrahmen nicht berücksichtigt werden.

Um dieses Problem anzugehen, entwickelte ein CABBI-Forschungsteam im Bereich Nachhaltigkeit DayCent-CABBI, ein Modell, das Bodenmikroben und die unterschiedlichen physiologischen Merkmale hoher mehrjähriger Gräser in DayCent integriert.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in GeodermForscher diskutieren die Entwicklung und Validierung von DayCent-CABBI und testen seine Vorhersagekraft.

„Das Hinzufügen neuer pflanzlicher und mikrobieller Komponenten zum DayCent-CABBI-Modell verbessert seine Darstellung der Ökosystemdynamik“, sagte Melannie Hartman, Hauptautorin der Studie und leitende wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Colorado State University. „Diese Fortschritte verbessern die Fähigkeit des Modells, die Nachhaltigkeit des Anbaus verschiedener Arten von Bioenergiepflanzen zu bewerten.“

Mikroben im Boden tragen zu erheblichen Kohlenstoffspeicherungen und -flüssen bei, daher hat das Forschungsteam DayCent um einen Pool lebender mikrobieller Biomasse erweitert. Diese Funktion reguliert die Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre basierend auf der Größe des Beckens. Sie fügten außerdem einen Pool abgestorbener mikrobieller Biomasse hinzu, der eine realistischere Darstellung des Kohlenstoffflusses von einem Pool zum anderen ermöglicht und so die Kohlenstoffspeicherung im Boden besser simuliert.

„Es ist wichtig, Mikroben in das Modell einzubeziehen, da beispielsweise Kohlenstoff aus abgestorbener mikrobieller Biomasse mit größerer Wahrscheinlichkeit über Jahrzehnte oder sogar Jahrtausende im Bodensystem zurückgehalten wird, wenn er stark an Bodenmineraloberflächen gebunden ist“, sagte Hauptautorin Danielle Berardi. und kürzlich Absolvent mit einem Doktortitel in Ökologie. von der University of Idaho.

„Die maximale Kapazität dieser Art von Bodenkohlenstoff in einem bestimmten System basiert auf der Bodentextur, die die verfügbare Oberfläche bestimmt, an die sich Kohlenstoff binden kann. Wir haben die Art und Weise verbessert, wie mit Mineralien verbundene organische Stoffe in DayCent dargestellt werden, was von entscheidender Bedeutung ist.“ zur Modellierung messbarer Reservoirs organischer Bodensubstanz.

Die andere große Änderung, die das Team vornahm, konzentrierte sich auf eine genauere Modellierung verschiedener Teile mehrjähriger Pflanzen. Traditionelle Modelle gruppieren Blätter und Stängel als „Luftpflanzenbestandteile“. Durch die Aufteilung dieser Pflanzenteile und deren separate Modellierung kann DayCent-CABBI den Kohlenstoff-, Stickstoff- und Ligningehalt jedes einzelnen Teils genauer simulieren, wodurch die Art und Weise, wie das Pflanzenwachstum simuliert wird, eine realistischere Streuchemie und vielseitigere Ernteoptionen mit Auswirkungen auf den Kohlenstoff- und Kohlenstoffgehalt im Boden bereitgestellt werden Stickstoffkreislauf.

Darüber hinaus fügte das Team dem Modell eine Rhizomkomponente hinzu. Rhizome sind flache mehrjährige Wurzeln, die während der Ruhezeit, wenn die oberirdischen Pflanzenteile verdorren, Kohlenhydrate und Stickstoff speichern. Da die Wurzelsysteme von Bioenergiepflanzen wie Chinaschilf nicht an die harten Winter in den zentralen Vereinigten Staaten angepasst sind, haben die Forscher einen Temperaturgrenzwert für die Rhizome hinzugefügt: Sobald die Temperaturen ausreichend sinken, simuliert das Modell Schäden an Rhizomen.

Mit diesen Modifikationen stellten die Forscher DayCent-CABBI auf die Probe, indem sie von 2008 bis 2049 Rutenhirse und Chinaschilf auf der Energiefarm der University of Illinois simulierten. Das Modell wurde mithilfe von Felddaten aus den Jahren 2008 bis 2019 kalibriert und bewertet.

Im Vergleich zu historischen Daten zeigte die Modellversion mit dem neuen expliziten mikrobiellen Bodenmodell eine bessere Übereinstimmung zwischen den Modelldaten und den täglichen Kohlenstoffflüssen des Ökosystems, insbesondere im Frühjahr, was darauf hindeutet, dass diese Modifikation die Fähigkeit von DayCent, das Potenzial genau einzuschätzen, effektiv verbessert. mehrjährige Gräser wie NCS.

Für zukünftige Simulationen (2020–2049) simulierte die Version von DayCent, die das vorherige Bodenmodell nutzte, einen kontinuierlichen Anstieg des Bodenkohlenstoffs in der Zukunft für beide Kulturpflanzen, während die neue Version ein mögliches Plateau des Bodenkohlenstoffs in der Zukunft simulierte. Boden vor 2049 Dieses Plateau repräsentiert die Ergebnisse der Forscher. besseres Verständnis zukünftiger Kohlenstoffflüsse im Boden und Stabilisierung von Chinaschilf und Rutenhirse.

„Diese dringend benötigten Fortschritte in der Modellierung kommen nicht nur CABBI zugute, sondern auch der gesamten Gemeinschaft von Forschern und Interessenvertretern, die die Kohlenstoffintensität wachsender ertragreicher mehrjähriger Gräser für die Produktion von Biokraftstoffen und Bioprodukten abschätzen möchten“, sagte Co-Autorin Wendy Yang. CABBIs Nachhaltigkeitsmanager. Themenleiter und Professor für Pflanzenbiologie an der University of Illinois in Urbana-Champaign.