Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben onlangs onderzocht hoe vocht de heterotrofe ademhaling in de bodem beïnvloedt. Dat is het ademen-achtige proces waarbij microben dode organische koolstof in de bodem omzetten in koolstofdioxide.

wereldwijd, bodems slaan enorme hoeveelheden organische koolstof op, waarvan een deel wordt geconsumeerd door microben en uitgeademd als koolstofdioxide. Op deze manier, bodems produceren elk jaar een grote natuurlijke koolstofdioxidestroom in de atmosfeer. (De hoeveelheid is groot:ongeveer zes keer groter dan de menselijke uitstoot van hetzelfde broeikasgas.)

Begrijpen wat deze flux beïnvloedt, heeft enorme implicaties voor het begrijpen van klimaatverandering en de koolstofcyclus, en voor het vaststellen van emissiedoelstellingen.

De Biogeochemistry-studie biedt een kosteneffectieve modelleringsstrategie die als eerste het effect van vocht op deze klimaatkritische ademhalingssnelheden op de moeilijk te simuleren porieschaal onderzoekt. De paper stelt ook dat simulaties de diversiteit van bodemporiënruimten moeten erkennen, en verder gaan dan de modelleringsaanname dat bodems homogeen zijn.

Het is al bekend dat de vochtcondities in de bodem de ademhalingssnelheid van heterotrofe microben beïnvloeden. Maar denk aan het complexe, kleine werelden waarin vocht woont en zijn werk doet. Bodems zijn gemaakt van zand, slib, klei, en organische materie vormde zich tot miniatuur 'porosferen'. Beurtelings, deze in elkaar grijpende microbiële habitats zijn verscheurd door water en gassen.

Het modelleren van heterotrofe ademhaling op wat wetenschappers de "porieschaal" noemen, is moeilijk. Voor een, er zijn grote rekenkundige uitdagingen voor het modelleren van vloeistoffen op zo'n kleine schaal. Voor een ander, porieschaalmodellering is moeilijk vanwege microschaalverschillen in de bodem. Het blijkt dat de verspreiding van organische koolstof in bodems zeer plaatselijk is. Hoeveel organische koolstof waarheen gaat, hangt af van fysieke bescherming, chemische weerspannigheid, porie connectiviteit, niet-uniforme microbiële kolonies, en lokaal vochtgehalte.

Deze studie, geschreven door Zhifeng Yan, Vanessa Bailey, en vier andere PNNL-wetenschappers - is de eerste die een porieschaalonderzoek heeft gedaan naar hoe vochtgestuurde ademhalingssnelheden worden beïnvloed door factoren zoals heterogeniteit van de bodemporiestructuur, biologische beschikbaarheid van organische koolstof in de bodem, verdeling van het vochtgehalte, en substraattransport. Het geeft ook inzicht in de fysieke processen die bepalen hoe bodemademhaling reageert op veranderingen in vochtomstandigheden. Bovendien, de numerieke analyses van het artikel vertegenwoordigen een kosteneffectieve benadering voor het onderzoeken van koolstofmineralisatie in bodems.

De simulaties in deze studie bevestigen over het algemeen verschillende eerdere aannames:dat de koolstofademhalingssnelheid in de bodem een ​​functie is van het vochtgehalte; dat dergelijke snelheden toenemen naarmate het vocht (en dus de beschikbaarheid van substraat) toeneemt; en dat de koolstofademhaling in de bodem na een of ander optimum afneemt vanwege zuurstofbeperking.

De resultaten van het studiemodel, gerepliceerd door veldonderzoek, bevestigen ook dat de ademhalingssnelheid stijgt met een hogere bodemporositeit, en dat verdichte bodems - die met minder porositeit omdat ze ongeploegd en ongestoord zijn - de snelheid verminderen waarmee kooldioxide in de atmosfeer ontsnapt.

Onderweg, de studie waarschuwt voor het gevaar om aan te nemen dat gemodelleerde bodems een uniforme porositeit hebben. Het is beter, zeggen de onderzoekers, om te proberen de structurele heterogeniteit - diversiteit - van bodems zoals ze in de natuur voorkomen, te simuleren.

Verder onderzoek is nodig, zij voegen toe, over hoe gekoppelde aërobe en anaërobe processen de hoeveelheid organische koolstof die in de bodem wordt vastgelegd, zouden versnellen of vertragen. Deze gekoppelde processen zaten niet in de opzet van het onderzoek.