Huidige koolstofcyclusmodellen onderschatten mogelijk de hoeveelheid koolstofdioxide die vrijkomt uit de bodem tijdens regenseizoenen in gematigde bossen zoals die in het noordoosten van de Verenigde Staten, volgens onderzoekers van Penn State.

Boomwortels en microben gebruiken zuurstof om organische koolstof in de bodem om te zetten in koolstofdioxide (CO ₂ ) voor energie door middel van een proces dat aërobe ademhaling wordt genoemd. Deze uitstoot van CO ₂ van de bodem naar de atmosfeer vertegenwoordigt de grootste flux van koolstof uit terrestrische ecosystemen, waardoor het een belangrijk onderdeel wordt van het wereldwijde koolstofbudget. Aerobe ademhaling is het dominante proces dat bijdraagt ​​aan deze flux, maar de onderzoekers ontdekten dat onder natte omstandigheden, anaërobe ademhaling - of ademhaling zonder zuurstof - draagt ​​ook aanzienlijk bij aan de flux.

"In de huidige modellen hoeveelheden kooldioxide en zuurstof worden gecontroleerd door het verbruik van zuurstof en de productie van kooldioxide door aerobe ademhaling, " zei Caitlin Hodges, een promovendus bij de afdeling Ecosystem Science and Management. "Het is meestal een één-op-één relatie tussen consumptie en productie. Maar we ontdekten dat, vooral in de zomer, er was een significant signaal van anaërobe ademhaling, veroorzaakt doordat de wortels een grotere behoefte aan zuurstof hadden en de microben wegconcurreerden. De microben moeten dan overschakelen op anaërobe beademing."

Een maatstaf voor het interpreteren van bodemprocessen die worden beïnvloed door koolstofdioxide en zuurstof in de bodem, is het berekenen van het schijnbare ademhalingsquotiënt (ARQ), die kooldioxide- en zuurstofconcentraties combineert in één waarde.

"Als ARQ gelijk is aan één, dat betekent dat aërobe ademhaling het controlerende proces is, " zei Hodges. "Als er een significante afwijking van is, dan vertelt ons dat iets anders de gasconcentraties in de bodem controleert."

De wetenschappers bestudeerden bodemademhaling in een stroomgebied van schalie en een stroomgebied van zandsteen in het door de National Science Foundation gefinancierde Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory. Ze maten het koolstofdioxide- en zuurstofgehalte in de bodem ongeveer 8 tot 16 inch onder de grond en net boven de gesteentelaag waar de bodem eindigt.

"Caitlin interpreteerde gas bemonsterd uit de grond een beetje zoals een politieagent de ademtest van een aangeschoten bestuurder interpreteert, " zei Susan Brantley, onderscheiden hoogleraar geowetenschappen en directeur van het Earth and Environmental Systems Institute (EESI) in Penn State. "De chemie van het gas dat in de bodem vastzit, geeft een beeld van wat de bacteriën aan het doen zijn."

Het team ontdekte dat ARQ soms significante anaërobe ademhaling door de microben signaleerde. Tijdens anaërobe ademhaling, de microben verschoven van het gebruik van zuurstof naar geoxideerde metalen, zoals ijzer en mangaan, om te groeien.

"Als we grote aantallen in de ARQ zien, het betekent dat we meer koolstofdioxide hebben dan de zuurstofniveaus doen vermoeden, " zei Jason Kaye, hoogleraar bodembiogeochemie. "Hoe kan dat gebeuren? Het kan gebeuren omdat CO ₂ wordt geproduceerd zonder zuurstofverbruik, en dat is precies wat een anaëroob proces is. Dat is wat deze grote aantallen betekenen. Je ziet meer koolstofdioxide dan je zou verwachten van aerobe ademhaling."

Het onderzoek van het Penn State-team, gerapporteerd in de Soil Science Society of America Journal , is de eerste die ARQ gebruikt om bewijs te vinden van een seizoenspatroon van anaërobe ademhaling in gematigde bossen.

De onderzoekers berekenden ook de totale hoeveelheid koolstofdioxide - 36 gram per vierkante meter - die jaarlijks het bodemsysteem verlaat als gevolg van anaërobe ademhaling. Ze zeiden dat de conservatieve schatting 10% uitmaakt van alle ademhaling die wordt gedaan door bodemmicroben op hun onderzoekslocaties, wat een groot aantal is, aangezien wetenschappers niet denken dat deze vochtige gematigde bossen veel anaërobe ademhaling hebben.

"De verwachting is dat in het noordoosten van de Verenigde Staten meer regen zal vallen als gevolg van klimaatverandering, " zei Hodges. "We verwachten dat deze anaërobe ademhaling een dominanter proces zal worden in deze bossystemen, en onze bodemkoolstofmodellen houden daar nog geen rekening mee."

Brantley zei dat nieuwe benaderingen zoals bodemgasbemonstering nodig zijn om te begrijpen hoe bodems zullen reageren op veranderend klimaat.