Wetenschap
Een nieuwe schatting van organische koolstof in de Amerikaanse bodem om de systeemmodellen van de aarde te verbeteren
De bodem bevat ongeveer twee keer zoveel koolstof als de atmosfeer en de planten samen. Het is een grote koolstofput, die meer koolstofdioxide uit de atmosfeer kan opnemen dan er vrijkomt. Het beheer van koolstof in de bodem is van cruciaal belang bij de inspanningen om de klimaatverandering te beperken, en is bovendien van cruciaal belang voor de bodemgezondheid en de landbouwproductiviteit.
Het meten van koolstof in de bodem is echter een moeizaam en duur proces. Monsters moeten uit de grond worden gegraven en voor analyse naar een laboratorium worden gestuurd, waardoor opschalingsmetingen op grote ruimtelijke schaal een uitdaging zijn.
Nu hebben milieuwetenschappers gegevens op veldniveau gecombineerd met machinale leertechnieken om de organische koolstof in de bodem op continentale schaal in de VS te schatten. Het Journal of Geophysical Research:Biogeowetenschappen heeft de nieuwe schatting van de organische koolstof in de bodem gepubliceerd, die de algemene schatting voor de Verenigde Staten verbetert en nieuwe inzichten geeft in de effecten van omgevingsvariabelen op de organische koolstof in de bodem.
"Er is steeds meer erkenning dat organische koolstof in de bodem belangrijk is en dat we moeten investeren in de opbouw ervan door middel van duurzame landbeheerpraktijken", zegt Debjani Sihi, senior auteur van de studie en assistent-professor milieuwetenschappen aan Emory University. "Onze schatting is nauwkeuriger dan bestaande schattingen en biedt een betere maatstaf om beleidsmakers en landbeheerders te begeleiden bij het adopteren van klimaatslimme praktijken."
Land is veel efficiënter dan de oceaan in het vasthouden van koolstof, merkt Sihi op, en biedt een mogelijke, op de natuur gebaseerde oplossing om de klimaatverandering te helpen verzachten.
"We zouden potentieel omstandigheden kunnen creëren", legt ze uit, "die gunstig zijn voor de bodem om kooldioxide uit de atmosfeer op te vangen en het daar voor een hele lange tijd vast te houden – over een periode van duizenden jaren."
Sihi is een biogeochemicus die milieu- en duurzaamheidsvraagstukken bestudeert op het snijvlak van bodem en klimaat.
De eerste auteur van het huidige artikel is Zhuonan Wang, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Sihi's laboratorium en nu aan de Colorado State University.
In bodemgegevens graven
Organische koolstof in de bodem bestaat uit plantaardig en dierlijk materiaal in verschillende stadia van ontbinding. Hoewel anorganische koolstof ook in de bodem wordt aangetroffen in de vorm van carbonaatmineralen, is organische koolstof meestal het grootste deel en de belangrijkste drijvende kracht achter de bodembiologie en -kwaliteit.
Het Amerikaanse ministerie van Landbouw onderhoudt de database voor bodemkarakterisering van de National Cooperative Soil Survey. Deze gegevens zijn gedurende tientallen jaren verzameld, zowel door over het land te lopen en te observeren, als door kernmonsters op te graven en deze voor analyse naar laboratoria te sturen. Voor het meten van organische koolstof in de bodem moet bijvoorbeeld een kern tot in de wortelzone worden gegraven, ongeveer 30 centimeter diep om een profiel van de bovengrond te verkrijgen en totdat de kern het gesteente raakt om een volledig bodemprofiel te verkrijgen.
Ook in andere delen van de wereld worden bodemmonsters genomen. Het International Soil Organic Carbon Network omvat meer dan 430.000 bodemprofielen, afkomstig van over de hele wereld. Wetenschappers gebruiken dergelijke gegevens om 'bodemkaarten' of schattingen van bodemkenmerken in verschillende regio's te maken. Een bekende bodemkaart is de Harmonised World Soil Database, ontwikkeld door de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties en medewerkers daarvan. Een andere is SoilGrids, ondersteund door het International Soil Reference and Information Centre in Nederland.
Er bestaan aanzienlijke inconsistenties in de schattingen van organische koolstof in de bodem binnen zowel de Harmonised World Soil Database als SoilGrids. Sihi en haar team wilden kijken of ze deze inconsistenties binnen de Amerikaanse schattingen konden oplossen door effectievere manieren te vinden om de bodemmonstergegevens op te schalen.
De onderzoekers verdeelden de Verenigde Staten – inclusief alle vijftig staten en Puerto Rico – in twintig verschillende regio’s en creëerden voor elke regio machine learning-modellen. Ze verzamelden bijna 50.000 bodemmonsters, variërend van 30 centimeter tot een meter diep, uit deze regio's. Ze bouwden hun algoritmen met behulp van deze gegevensmonsters voor organische koolstof in de bodem, gekoppeld aan nauwkeurige geografische informatiesysteemlocaties.
Ze putten ook uit aanvullende open-sourcegegevens om hun modellen te voeden met 36 omgevingsvariabelen, waaronder details over het klimaat, topografische kenmerken van het land, biogeochemische eigenschappen van de bodem en de hoeveelheid vegetatie in het landschap.
Een betere benchmark voor het modelleren van aardsystemen
De resultaten toonden aan dat de nieuwe methode nauwkeurigere schattingen opleverde dan zowel de Harmonised World Soil Database als SoilGrids voor de bovenste 30 centimeter bodem, waar de meest biologisch actieve organische koolstof in de bodem de neiging heeft geconcentreerd te zijn.
De nieuwe methode onthulde ook hoe de effecten van omgevingsvariabelen op organische koolstof in de bodem variëren van regio tot regio. Hoewel het klimaat in de meeste regio's de meest voorkomende voorspeller was van organische koolstof in de bodem, was de vegetatie-index doorgaans belangrijker in de droge gebieden in het zuidwesten. De hoogte was een belangrijke variabele in regio's die bergachtig waren of een grote rivierdelta omvatten.
De onderzoekers hopen dat anderen hun aanpak zullen toepassen op andere landen en continenten waar voldoende gegevens ter plaatse beschikbaar zijn.
"Het mooie van onze aanpak is dat deze ons de kracht geeft om regio's met grote onzekerheid in onze schattingen te identificeren en dat dit ons helpt toekomstige bemonsteringsinspanningen te begeleiden", zegt Sihi.
Het in aanmerking nemen van omgevingsvariabelen vergroot ook de flexibiliteit van het nieuwe model naarmate de temperatuur op aarde stijgt als gevolg van klimaatverandering, waardoor de bodem opwarmt en de regenpatronen veranderen. Het blijft onduidelijk, merkt Sihi op, of de bodem zal blijven dienen als koolstofput of zal transformeren in een koolstofbron.
"Om te begrijpen hoe de koolstof in de bodem zal veranderen onder een veranderend klimaat, hebben we eerst nauwkeurige schattingen nodig van de huidige organische koolstofniveaus in de bodem en de belangrijkste factoren die deze beïnvloeden", zegt Sihi. "Onze nieuwe schatting is een stap in de richting van het verkrijgen van nauwkeurigere basisgegevens om de aardse systeemmodellen voor klimaatverandering te verbeteren."
Co-auteurs van de nieuwe schatting zijn onder meer Jitendra Kumar (Oak Ridge National Laboratory), Samantha Weintraub-Leff (National Ecological Observatory Network), Katherine Todd-Brown (University of Florida) en Umakant Mishra (Sandia National Laboratories).