Klimaatwetenschappers hebben niet goed rekening gehouden met wat planten 's nachts doen, en dat, het blijkt, is een fout. Een nieuwe studie van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft aangetoond dat de opname van voedingsstoffen door planten in afwezigheid van fotosynthese de uitstoot van broeikasgassen naar de atmosfeer beïnvloedt.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Klimaatverandering , hoofdauteur William Riley laat zien hoe klimaatmodellen kunnen worden verbeterd om de biogeochemische dynamiek van het land nauwkeuriger weer te geven. Met behulp van een nieuw wereldwijd landmodel ontwikkelden en integreerden ze in DOE's Energy Exascale Earth System Model (E3SM), Riley en zijn team ontdekten dat planten meer koolstofdioxide kunnen opnemen en dat de bodem minder lachgas verliest dan eerder werd gedacht. Hun globale simulaties impliceren zwakkere terrestrische ecosysteemfeedbacks met de atmosfeer dan de huidige modellen voorspellen.

"Dit is goed nieuws, met betrekking tot wat er momenteel in de klimaatmodellen staat, " zei Riley, een wetenschapper in Berkeley Lab's Earth &Environmental Sciences Area. "Maar het is in het algemeen geen goed nieuws - het gaat het probleem niet oplossen. Wat er ook gebeurt, planten kunnen de antropogene uitstoot van kooldioxide niet bijhouden; het is gewoon dat ze het misschien beter doen dan de huidige modellen suggereren."

Mensen hebben een record van 34 gigaton CO . uitgestoten ₂ per jaar, gemiddeld over het afgelopen decennium. Ongeveer de helft daarvan blijft in de atmosfeer, terwijl de rest wordt geabsorbeerd door oceanen en land (via fotosynthese); het laatste bedrag, genaamd de terrestrische koolstofput, varieert van jaar tot jaar, afhankelijk van factoren zoals branden, droogte, landgebruik, en weer.

Wetenschappers proberen te begrijpen hoe de toenemende wereldwijde uitstoot van kooldioxide de terrestrische koolstofput zal beïnvloeden, die momenteel wordt geschat op tussen de 0 en 11 gigaton CO ₂ per jaar, inclusief veranderingen in landgebruik, met grote jaarlijkse variabiliteit. Een andere complicatie betreft terrestrisch lachgas, dat is een krachtig broeikasgas dat van nature vrijkomt uit het land en door landbouw- en industriële activiteiten. Met andere woorden, in hoeverre zullen planten de toename van antropogene kooldioxide-emissies kunnen opvangen?

Uit de nieuwe studie van Berkeley Lab bleek dat door niet goed rekening te houden met wat planten 's nachts en tijdens het niet-groeiseizoen doen, klimaatmodellen onderschatten mogelijk de terrestrische koolstofput en overschatten de uitstoot van lachgas, de laatste met 2,4 gigaton CO ₂ -equivalent per jaar. "Dit aantal is aanzienlijk in vergelijking met de huidige terrestrische koolstofput, " zei Riley, overal van ongeveer een kwart tot meer dan 100 procent, afhankelijk van het jaar.

Plant-microbe competitie om voedingsstoffen

Het vermogen van planten om koolstofdioxide op te nemen wordt beperkt door de beschikbaarheid van bodemvoedingsstoffen, vooral stikstof en fosfor. De meer overvloedige voedingsstoffen zijn, hoe meer planten kunnen profiteren van de toename van koolstofdioxide in de lucht. Microben in de bodem zijn ook een factor omdat ze met planten concurreren om voedingsstoffen.

microben, in feite, een belangrijke rol spelen in de koolstofcyclus, en interacties tussen planten, bodem, en microben zijn complex, een uitdaging vormen voor klimaatwetenschappers. De meeste klimaatmodellen gaan ervan uit dat planten alleen strijden om voedingsstoffen in de bodem als ze die nodig hebben voor fotosynthese, en niet, bijvoorbeeld, 's nachts of in niet-groeiende seizoenen.

"Wat de meeste klimaatmodellen hebben genegeerd, is deze behoorlijk robuuste observatieliteratuur die laat zien dat planten stikstof uit de bodem halen, zelfs als ze niet fotosynthetiseren, ' zei Riley.

Berkeley Lab is gefocust op het onderwerp plant-bodem-microbe-interacties via zijn Microbes to Biomes-initiatief, en het zal een kernthema zijn van het Biologische en Milieuprogramma Integratiecentrum, of BioEPIC, een voorgestelde faciliteit die unieke experimentele capaciteiten zou huisvesten om de missiedoelstellingen van DOE op het gebied van energie- en milieuwetenschap te bevorderen. Een doel is om deze processen op schaal en gecontroleerd weer te geven en te bestuderen.

"Deze studie toont vooruitgang aan bij het meer mechanistisch weergeven van de terrestrische processen die belangrijk zijn voor het klimaat en die belangrijk zullen zijn voor BioEPIC, ' zei Riley.

Lagere lachgasemissies

In dit onderzoek, Berkeley Lab-onderzoeker Qing Zhu, een co-auteur van het artikel, voerde een meta-analyse uit van 120 experimenten met stikstofopname op korte termijn door planten om hun nieuwe wereldwijde landmodel te testen, genaamd ELMv1. "We vergeleken ook observaties van de opname van voedingsstoffen 's nachts versus overdag en in niet-groeiende seizoenen, " zei Riley. "We zijn er vrij zeker van dat de basismechanismen in het model correct zijn en deze meta-analyse en individuele observaties ter plaatse ondersteunen dat."

Ze ontdekten dat een aanzienlijk deel van de opname van voedingsstoffen plaatsvindt in afwezigheid van fotosynthese, aangezien planten en microben strijden om voedingsstoffen. "De hoeveelheden verschillen sterk per breedtegraad, maar op de hogere breedtegraden, zoals het noordpoolgebied, ongeveer 20 procent van de jaarlijkse stikstofopname door planten vindt plaats buiten het groeiseizoen. Dat loopt op tot 55 procent voor nachtopname in de tropen, " zei hij. "Dat is een enorm probleem voor planten en zal de opname van koolstof in de atmosfeer vergemakkelijken, en het wordt momenteel volledig genegeerd in de meeste klimaatmodellen."

"Dit type modelverbetering zal ons helpen de implicaties van toekomstige CO . beter te begrijpen ₂ uitstoot, ' zei Riley.

Een extra co-auteur van het artikel, "zwakkere landklimaatfeedback van nutriëntenopname tijdens fotosynthese-inactieve perioden, " was Berkeley Lab-wetenschapper Jinyun Tang. De studie werd gefinancierd door DOE's Office of Science.