Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een direct verband aangetoond tussen klimaatopwarming en koolstofverlies in een veenlandschap. Hun studie gepubliceerd in AGU-vooruitgang biedt een glimp van mogelijke toekomsten waarin aanzienlijke koolstofvoorraden in veengebieden als broeikasgassen in de atmosfeer kunnen vrijkomen.

Veengebieden beslaan momenteel ongeveer 3% van de landmassa van de aarde en bevatten ten minste een derde van de wereldwijde koolstof in de bodem - meer koolstof dan is opgeslagen in de bossen van de wereld.

Veenmoerassen zijn bijzonder goed in het opsluiten van koolstof vanwege de kou, nat, zure omstandigheden die metersdiepe lagen oud plantaardig materiaal behouden. Wetenschappers hebben grote belangstelling getoond voor deze enorme koolstofreserves, vragen hoeveel en hoe snel hoe heter, drogere omstandigheden in een veenmoeras kunnen microbiële processen in gang zetten die koolstof in de vorm van koolstofdioxide en methaan in de lucht afgeven, het bevorderen van de opwarmingscyclus omdat de gassen warmte vasthouden in de atmosfeer.

Voer DOE's Spruce and Peatland-reacties in onder veranderende omgevingen, of SPRUCE-project, een uniek experiment om het hele ecosysteem te manipuleren in de bossen van Noord-Minnesota. SPRUCE gebruikt een reeks behuizingen om grote veengronden bloot te stellen aan vijf verschillende temperaturen, waarbij de heetste kamers een stijging van ongeveer 16 graden Fahrenheit boven en diep onder de grond ervaren. De helft van de behuizingen kreeg ook verhoogde niveaus van kooldioxide.

Met dit futuristische experiment kunnen wetenschappers de effecten meten van omstandigheden die dit ecosysteem nog nooit eerder heeft ervaren, een glimp van potentiële toekomstige klimaten.

"Vanwege de investering van DOE in een grootschalig experiment, we hebben de opwarming van het hele ecosysteem kunnen bestuderen bij een reeks temperaturen die niet kunnen worden geëxtrapoleerd uit historische gegevens, " zei Paul Hanson, ORNL ecosysteemwetenschapper en projectcoördinator SPRUCE. "Daarbij, we hebben bewijs dat er in de toekomst koolstofverliezen zullen worden verwacht voor snel veranderende veengebieden."

Hanson en zijn collega's onderzochten drie jaar aan SPRUCE-gegevens, het volgen van veranderingen in plantengroei, water- en veenniveaus, microbiële activiteit, fijne wortelgroei en andere factoren die de beweging van koolstof in en uit het ecosysteem beheersen. Samen, deze in- en uitgangen vormen het zogenaamde koolstofbudget.

Uit het onderzoek bleek dat in slechts drie jaar tijd alle percelen van opgewarmde moerassen veranderden van koolstofaccumulatoren in koolstofuitstoters - dit is de eerste keer dat percelen van het hele ecosysteem zijn gebruikt om dergelijke veranderingen te documenteren. Deze fundamentele verschuiving in de aard van het veen deed zich zelfs voor bij het meest bescheiden niveau van opwarming (ongeveer 4 graden F boven de omgevingstemperatuur), en toonde koolstofverliespercentages vijf tot bijna 20 keer sneller dan historische accumulatiesnelheden.

Warmere temperaturen vertaalden zich direct in grotere koolstofemissies, met de warmste van de experimenteel verwarmde percelen die de meeste koolstofdioxide en methaan uitstoten. De wetenschappers waren verrast om zo'n lineair verband tussen warmte en koolstofverlies te vinden.

"Dit is een zeer nauwe relatie voor biologische gegevens, "Zei Hanson. "Deze resultaten vielen binnen het bereik van de hypothesen waar we onszelf over lieten nadenken, maar de gevoeligheid van koolstofverlies voor temperatuur was een beetje een verrassing."

De achteruitgang van veenmos, een sleutelsoort in dit ecosysteem, aanzienlijk bijgedragen aan het netto koolstofverlies. Een eerdere studie door ORNL-collega Richard Norby beschreef de rol van veenmos bij de accumulatie van koolstof in turf en het potentieel onomkeerbare verval ervan als de opwarming de moerassen uitdroogt.

De SPRUCE-gegevens zullen een nieuw wetlandmodel informeren voor mogelijk gebruik in het Energy Exascale Earth System Model-project van DOE, die high-performance computing gebruikt om veranderingen in het milieu die belangrijk zijn voor de energiesector te simuleren en te voorspellen. Het wetlandmodel voorspelde nauwkeurig de temperatuureffecten, maar overschatte de impact van verhoogde koolstofdioxide in vergelijking met de SPRUCE-gegevens, die na drie jaar behandeling geen significante effecten op ecosysteemniveau vertoonden.