De bodem is het grootste terrestrische koolstofreservoir op aarde. Het is belangrijk om te weten hoe koolstof in de bodem wordt opgeslagen in een 'sink' en hoe het als 'bron' in de atmosfeer terechtkomt.

Om dat te begrijpen, moeten bodemmicro-organismen worden bestudeerd, inclusief waar ze wonen, en hun toegang tot opgeslagen koolstof voor voedsel. Als microben toegang hebben tot koolstof en zuurstof, ze ontleden die elementen in koolstofdioxide, of CO2, een proces dat 'mineralisatie' wordt genoemd.

Voor deze en andere microbiële activiteit is water nodig. Wanneer water de leidingen tussen de bodemporiën vult, het verbindt microben met hulpbronnen door een driedimensionaal netwerk van waterige snelwegen te creëren.

Poriënruimtes

Maar niet alle koolstof in de bodem is beschikbaar als microbieel voedsel. Een deel ervan wordt beschermd in microscopisch kleine poriën in de bodem, waarvan de kleine diameters de toegang tot koolstofhongerige microben beperken. Zal bodemkoolstof voedsel zijn of niet? Zijn lot hangt af van de hydrologische activiteit en connectiviteit in de bodem.

Een nieuw artikel in Nature Communications, een samenwerking van hoofdauteur A. Peyton Smith en anderen van het Pacific Northwest National Laboratory en EMSL, onderzoekt het belang van bevochtigingspatronen op porieschaal, eerdere bodemvochtcondities en andere factoren die de koolstofdynamiek van de bodem op elke schaal beïnvloeden, van porie tot kern tot veld. (Kernschaal kan een schop vol zijn. Veldschaal kan zo groot zijn als een ecosysteem.)

Smith en haar co-auteurs stellen dat aardsysteemmodellen bodemvocht als meer dan een enkel getal moeten beschouwen. Het is beter, ze zeggen, om de bodem te zien als een driedimensionaal raamwerk dat de nadruk legt op de vochtcondities die de hydrologische leidingen vormen die koolstof en andere bodembronnen verspreiden.

Onzekerheden uitbannen

Erkenning van het driedimensionale karakter van de bodem, naast de hydrologie, is een belangrijke stap in de richting van het oplossen van onzekerheden over bodemkoolstof in huidige aardsysteemmodellen. Dergelijke modellen voorspellen of bodems putten of bronnen van koolstof zullen zijn.

Droogte en andere extreme gebeurtenissen in verband met neerslag nemen in intensiteit toe, duur en omvang. Dit heeft gevolgen voor de koolstofopslag in de bodem, zowel op ecosysteem- als op wereldschaal.

in de bodem, het lot van koolstof kan twee kanten op gaan, zei Smit, een PNNL-postdoc, "Het is eten of bewaren."

Tot dusver, studies tonen aan dat door droogte aangetaste bodems CO2 in de atmosfeer pulseren wanneer ze opnieuw worden bevochtigd, een fenomeen dat bekend staat als het 'berkeneffect'. Hoe langer de droogte, hoe groter de polsslag van dit broeikasgas.

Maar het Birch-effect wordt zelden onderzocht op meerdere ruimtelijke en temporele schalen. Als resultaat, huidige modellen beperken ons vermogen om te voorspellen hoe cycli van drogen en herbevochtigen de koolstof in de bodem beïnvloeden.

Bevochtigingsrichting, Tot aan de molecuul

In de nieuwe krant onderzoekers wilden een begrip op moleculair niveau ontwikkelen van de bevochtigingsrichting en het voorafgaande bodemvocht. In een laboratoriumomgeving, ze gebruikten 16 experimentele kernen van zandgrond uit de Florida Everglades om het vermogen van bodems te onderzoeken om ofwel een koolstofput of een koolstofbron te zijn als reactie op droogte en herbevochtiging.

We weten al dat wanneer de bodem van boven nat is, door neerslag, de grotere poriën vullen het eerst. We weten ook dat als de grond van onderaf nat is, door grondwater, capillaire werking verzadigt eerst de fijnste poriën.

Deze boven-beneden dynamiek schept onderscheidende condities. Het beïnvloedt het type koolstof dat beschikbaar is voor microbiële afbraak; de grootte van poriën die gevuld worden met water, verbetering van de hydrologische connectiviteit; en de grootte van poriën die gevuld worden met lucht, die de zuurstof levert die nodig is voor de ontbinding.

"De connectiviteit is belangrijk, " zei Smit, "niet alleen poriegrootte."

'Droogte erfenis'

Het artikel laat zien dat de "droge erfenis" en bevochtigingsrichting van een bodem belangrijker zijn voor koolstofopslag dan het huidige vochtgehalte. Vooral, wanneer herbevochtiging afkomstig is van stijgend grondwater, produceert dit een sneller koolstofverlies van kern naar ecosysteem dan neerslaggebeurtenissen van bovenaf.

Nog altijd, op veldschaal, zowel neerslag- als grondwaterschommelingen werken samen om de koolstof in de bodem te destabiliseren.

Modellen die koolstoffluxen op ecosysteemschaal simuleren, moeten rekening houden met de dynamiek van deze directionele bevochtigingsgebeurtenissen, de auteurs zeggen - niet als een enkel getal maar als een driedimensionaal raamwerk.