Wetenschap
Nieuw model integreert bodemmicroben en grote meerjarige grassen
Van alle koolstof die is opgeslagen in ecosystemen over de hele wereld, kan ongeveer de helft in de bodem worden gevonden. Afhankelijk van het klimaat, de vegetatie en het beheer kan de bodem een koolstofbron of een put zijn.
Natuurlijke klimaatoplossingen (NCS) bieden een veelbelovende kans om ons dichter bij onze netto-nul-emissiedoelstellingen te brengen door koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen en op te slaan in plantaardige biomassa en in de bodem. De groei van grondstoffen voor bio-energie heeft in dit opzicht een groot potentieel, omdat deze grassen zowel koolstof in de bodem opbouwen als het potentieel hebben om te worden gebruikt voor de productie van koolstofneutrale biobrandstoffen en bioproducten.
De afgelopen veertig jaar zijn biogeochemische modellen een cruciaal hulpmiddel geweest dat onderzoekers gebruiken om te begrijpen hoe klimaat, ecologische verstoringen en landbeheer de koolstof- en andere stromen in een ecosysteem beïnvloeden. Vanwege hun succes winnen biogeochemische modellen aan populariteit als belangrijke instrumenten om de werkzaamheid van NCS te evalueren. Deze modellen kunnen worden gebruikt om management- en beleidsbeslissingen te onderbouwen.
Een van deze modellen, DayCent genaamd, simuleert de dagelijkse fluxen van koolstof, stikstof en water tussen de atmosfeer, de vegetatie en de bodem. Het projecteren van het potentieel van grote meerjarige bio-energiegewassen als NCS was echter een uitdaging vanwege twee beperkingen van eerdere versies van het DayCent-model. Zoals veel ecosysteemmodellen heeft DayCent niet expliciet bodemmicroben gemodelleerd en de rol die zij spelen als aanjagers van de koolstofcyclus in de bodem. Bovendien hebben grote overblijvende grassen zoals miscanthus en switchgrass verschillende fysiologische eigenschappen waarmee in veel modelkaders geen rekening wordt gehouden.
Om dit probleem te verhelpen heeft een CABBI-onderzoeksteam binnen het thema Duurzaamheid DayCent-CABBI ontwikkeld, een model dat bodemmicroben en de verschillende fysiologische eigenschappen van grote overblijvende grassen integreert in DayCent.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Geoderma bespreken de onderzoekers de ontwikkeling en validatie van DayCent-CABBI, en stellen de voorspellende kracht ervan op de proef.
"Het toevoegen van nieuwe plant- en microbecomponenten aan het DayCent-CABBI-model verbetert de weergave van de ecosysteemdynamiek", zegt Melannie Hartman, hoofdauteur van het onderzoek en Senior Research Associate aan de Colorado State University. "Deze verbeteringen vergroten het vermogen van het model om de duurzaamheid van de teelt van verschillende soorten bio-energiegewassen te evalueren."
Microben in de bodem dragen bij aan aanzienlijke koolstofopslag en -stromen, dus heeft het onderzoeksteam DayCent bijgewerkt met een levende microbiële biomassapool. Deze functie regelt de uitstoot van kooldioxide in de atmosfeer op basis van de grootte van het zwembad. Ze hebben ook een dode microbiële biomassapool toegevoegd die een meer realistische weergave mogelijk maakt van de koolstofstroom van de ene pool naar de andere, wat de koolstofopslag in de bodem beter zal simuleren.
"Microben zijn belangrijk om in het model op te nemen, omdat het bijvoorbeeld waarschijnlijker is dat dode microbiële biomassa-koolstof decennia tot millennia in het bodemsysteem wordt vastgehouden als het een sterke binding heeft met minerale oppervlakken in de bodem", zegt Danielle Berardi, hoofdauteur. en recent afgestudeerd met een Ecologie Ph.D. van de Universiteit van Idaho.
"De maximale capaciteit van dit type bodemkoolstof in een bepaald systeem is gebaseerd op de bodemtextuur, die het beschikbare oppervlak bepaalt waar koolstof zich aan kan hechten. We hebben de manier verbeterd waarop mineraal-geassocieerd organisch materiaal wordt weergegeven in DayCent, wat cruciaal is voor het modelleren van meetbare pools van organische stof in de bodem."
De andere belangrijke verandering die het team heeft doorgevoerd, was gericht op het nauwkeuriger modelleren van verschillende delen van vaste planten. Traditionele modellen hebben bladeren en stengels op één hoop gegooid als 'bovengrondse plantcomponenten'. Door deze plantendelen op te splitsen en afzonderlijk te modelleren, kan DayCent-CABBI het koolstof-, stikstof- en ligninegehalte voor elk nauwkeuriger simuleren, waardoor zowel de manier waarop de plantengroei wordt gesimuleerd wordt verbeterd als een realistischer strooiselchemie en veelzijdiger oogstopties worden geboden met implicaties voor koolstof- en stikstofcyclus in de bodem.
Daarnaast heeft het team een wortelstokcomponent aan het model toegevoegd. Wortelstokken zijn ondiepe, meerjarige wortels die koolhydraten en stikstof opslaan tijdens het rustseizoen, wanneer bovengrondse plantendelen zijn verdord. Omdat deze wortelsystemen in bio-energiegewassen zoals miscanthus niet zijn aangepast aan de strenge winters waarmee ze in het centrale deel van de VS te maken kunnen krijgen, hebben de onderzoekers een temperatuurdrempel voor de wortelstokken toegevoegd. Zodra de temperatuur ver genoeg daalt, zal het model schade aan de wortelstokken simuleren.
Met deze aanpassingen hebben de onderzoekers DayCent-CABBI op de proef gesteld door switchgrass en miscanthus te simuleren op de University of Illinois Energy Farm van 2008 tot 2049. Het model werd gekalibreerd en geëvalueerd met behulp van veldgegevens van 2008 tot 2019.
Vergeleken met historische gegevens had de versie van het model met het nieuwe microbieel-expliciete bodemmodel een betere overeenkomst tussen model en gegevens met de dagelijkse koolstoffluxen van ecosystemen, vooral in de lente, wat erop wijst dat deze wijziging inderdaad het vermogen van DayCent verbetert om het potentieel nauwkeurig in te schatten. van meerjarige grassen als NCS.
Bij toekomstige simulaties (2020-2049) simuleerde de versie van DayCent die het vorige bodemmodel gebruikte een voortdurend toenemende bodemkoolstof in de toekomst voor beide gewassen, terwijl de nieuwe versie een uiteindelijk plateau van bodemkoolstof vóór 2049 simuleerde. Dit plateau vertegenwoordigt de waarden van de onderzoekers. beste begrip van toekomstige koolstofstromen in de bodem en stabilisatie in miscanthus en switchgrass.
"Deze broodnodige vooruitgang op het gebied van modellering komt niet alleen CABBI ten goede, maar ook de grotere gemeenschap van onderzoekers en belanghebbenden die de koolstofintensiteit willen schatten van het kweken van hoogproductieve overblijvende grassen voor de productie van biobrandstoffen en bioproducten", zegt co-auteur Wendy Yang, CABBI's Sustainability Themaleider en hoogleraar plantenbiologie aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign.