Bodems kunnen veel meer CO2 afgeven dan verwacht in de atmosfeer als het klimaat opwarmt, volgens nieuw onderzoek door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy.

Hun bevindingen zijn gebaseerd op een veldexperiment dat, Voor de eerste keer, onderzocht wat er gebeurt met organische koolstof die vastzit in de bodem als alle bodemlagen worden opgewarmd, die zich in dit geval uitstrekken tot een diepte van 100 centimeter. De wetenschappers ontdekten dat het opwarmen van zowel de oppervlakte als de diepere bodemlagen op drie experimentele percelen de jaarlijkse CO2-uitstoot van de percelen met 34 tot 37 procent verhoogde ten opzichte van niet-verwarmde grond. Veel van de CO2 is afkomstig uit diepere lagen, wat aangeeft dat diepere koolstofvoorraden gevoeliger zijn voor opwarming dan eerder werd gedacht.

Ze rapporteren hun werk online op 9 maart in het tijdschrift Wetenschap .

De resultaten werpen licht op wat mogelijk een grote bron van onzekerheid is in klimaatprojecties. Organische koolstof in de bodem bevat drie keer zoveel koolstof als de atmosfeer van de aarde. In aanvulling, opwarming zal naar verwachting de snelheid verhogen waarmee microben organische koolstof in de bodem afbreken, meer CO2 in de atmosfeer afgeven en bijdragen aan klimaatverandering.

Maar, tot nu, de meeste veldgebaseerde experimenten met bodemopwarming waren alleen gericht op de bovenste vijf tot 20 centimeter grond, waardoor veel koolstof niet wordt verklaard. Experts schatten dat bodems met een diepte van minder dan 20 centimeter meer dan 50 procent van de planeetvoorraad aan organische koolstof in de bodem bevatten. De grote vragen waren:in hoeverre reageren de diepere bodemlagen op opwarming? En wat betekent dit voor het vrijkomen van CO2 in de atmosfeer?

"We ontdekten dat de respons behoorlijk groot was, " zegt Caitlin Hicks Pries, een postdoctoraal onderzoeker in Berkeley Lab's Climate and Ecosystem Sciences Division. Ze voerde het onderzoek uit met co-corresponderende auteur Margaret Torn, en Christina Castahna en Rachel Porras, die ook Berkeley Lab-wetenschappers zijn.

"Als onze bevindingen worden toegepast op bodems over de hele wereld die vergelijkbaar zijn met wat we hebben bestudeerd, betekent bodems die niet bevroren of verzadigd zijn, onze berekeningen suggereren dat tegen 2100 de opwarming van diepere bodemlagen zou kunnen leiden tot het vrijkomen van koolstof in de atmosfeer met een snelheid die aanzienlijk hoger is dan nu, misschien zelfs wel 30 procent van de huidige door mensen veroorzaakte jaarlijkse koolstofemissies, afhankelijk van de aannames waarop de schatting is gebaseerd, ", voegt Hicks Pries toe.

De noodzaak om de reactie van alle bodemdiepten op de opwarming beter te begrijpen, wordt onderstreept door projecties die, in de komende eeuw, diepere bodems zullen ongeveer even snel opwarmen als oppervlaktebodems en de lucht. In aanvulling, Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering simulaties van de wereldwijde gemiddelde bodemtemperatuur, gebruikmakend van een "business-as-usual"-scenario waarin de CO2-uitstoot de komende decennia stijgt, voorspellen dat de bodem tegen 2100 4° Celsius zal opwarmen.

Om de mogelijke gevolgen van dit scenario te bestuderen, de wetenschappers van Berkeley Lab pionierden met een innovatieve experimentele opstelling aan het Blodgett Forest Research Station van de Universiteit van Californië, die is gelegen in de uitlopers van de bergen van de Sierra Nevada in Californië. De bodem op het onderzoeksstation is representatief voor gematigde bosbodems, die op hun beurt goed zijn voor ongeveer 13,5 procent van het bodemoppervlak wereldwijd.

De wetenschappers bouwden hun experiment rond zes grondpercelen met een diameter van drie meter. De omtrek van elk perceel was omringd met 22 verwarmingskabels die meer dan twee meter onder de grond verticaal waren verzonken. Ze verwarmden drie van de percelen meer dan twee jaar met 4° Celsius, de andere drie percelen onverwarmd laten om als controles te dienen.

Ze volgden de bodemademhaling op drie verschillende manieren in de loop van het experiment. Elke plot had een geautomatiseerde kamer die elk half uur de flux van koolstof aan het oppervlak meet. In aanvulling, één dag per maand, Hicks Pries en het team maten oppervlaktekoolstoffluxen op zeven verschillende locaties op elk perceel.

Een derde methode onderzocht het allerbelangrijkste ondergrondse rijk. Op elk perceel werd een set roestvrijstalen "rietjes" onder het oppervlak geïnstalleerd. De wetenschappers gebruikten de rietjes om eenmaal per maand de CO2-concentraties te meten op vijf diepten tussen 15 en 90 centimeter. Door deze CO2-concentraties en andere bodemeigenschappen te kennen, ze konden modelleren in hoeverre elke diepte bijdroeg aan de hoeveelheid CO2 die vrijkwam aan de oppervlakte.

Ze ontdekten dat, van de 34 tot 37 procent toename van CO2 die vrijkomt op de drie opgewarmde percelen, 40 procent van deze toename was te danken aan CO2 dat van onder de 15 centimeter kwam. Ze ontdekten ook dat de gevoeligheid van de bodem voor opwarming vergelijkbaar was over de vijf diepten.

De wetenschappers zeggen dat deze bevindingen suggereren dat de mate waarin organische koolstof in de bodem de klimaatverandering beïnvloedt, momenteel wordt onderschat.

"Er is een aanname dat koolstof in de ondergrond stabieler is en niet zo reageert op opwarming als in de bovengrond, maar we hebben geleerd dat dat niet het geval is, ", zegt Torn. "Diepere bodemlagen bevatten veel koolstof, en ons werk geeft aan dat het een belangrijk ontbrekend onderdeel is in ons begrip van de mogelijke feedback van bodems op het klimaat van de planeet."