Почва содержит примерно в два раза больше углерода, чем атмосфера и растения вместе взятые. Это основной поглотитель углерода, способный поглощать больше углекислого газа из атмосферы, чем выделять. Управление почвенным углеродом играет ключевую роль в усилиях по смягчению последствий изменения климата, а также имеет жизненно важное значение для здоровья почв и продуктивности сельского хозяйства.
Однако измерение содержания углерода в почве является кропотливым и дорогостоящим процессом. Образцы должны быть извлечены из земли и отправлены в лабораторию для анализа, что затрудняет масштабирование измерений в больших пространственных масштабах.
Теперь ученые-экологи объединили полевые данные с методами машинного обучения, чтобы оценить содержание органического углерода в почве в континентальном масштабе США. Журнал Journal of Geophysical Research: Biogeosciences опубликовал новую оценку органического углерода в почве, которая улучшает общую оценку для Соединенных Штатов и дает новое представление о влиянии переменных окружающей среды на органический углерод в почве.
«Растет понимание того, что почвенный органический углерод важен и что мы должны инвестировать в его накопление с помощью устойчивых методов управления земельными ресурсами», — говорит Дебджани Сихи (Debjani Sihi), старший автор исследования и доцент кафедры наук об окружающей среде в Университете Эмори. «Наша оценка является более точной, чем существующие оценки, и обеспечивает лучший ориентир для политиков и землеустроителей при внедрении климатически оптимизированных методов».
Суша гораздо более эффективна, чем океан, в удержании углерода, отмечает Сихи, и предлагает одно из возможных природных решений, помогающих смягчить изменение климата.
«Потенциально мы могли бы создать условия, — объясняет она, — которые благоприятны для того, чтобы почва могла улавливать углекислый газ из атмосферы и удерживать его там в течение очень долгого времени — на протяжении тысячелетий».
Сихи — биогеохимик, изучающий вопросы окружающей среды и устойчивого развития на стыке почвы и климата.
Первым автором данной статьи является Чжуонан Ван (Zhuonan Wang), бывший научный сотрудник лаборатории Сихи, который сейчас работает в Университете штата Колорадо.
Копаемся в данных о почве
Почвенный органический углерод состоит из растительного и животного вещества в различных степенях разложения. В то время как неорганический углерод также содержится в почве в виде карбонатных минералов, органический углерод обычно является наибольшей долей и наиболее важным фактором, влияющим на биологию и качество почвы.
Министерство сельского хозяйства США ведет базу данных характеристик почв National Cooperative Soil Survey. Эти данные собирались в течение десятилетий как путем прогулок по земле и наблюдений, так и путем выкапывания образцов керна и отправки их в лаборатории для анализа. Например, для измерения содержания органического углерода в почве необходимо выкопать керн в корневую зону глубиной около 30 сантиметров, чтобы получить профиль верхнего слоя почвы, и до тех пор, пока ядро не достигнет коренной породы, получить полный профиль почвы.
Отбор проб почвы проводится и в других частях света. Международная сеть почвенного органического углерода охватывает более 430 000 почвенных профилей, собранных со всего мира. Ученые используют эти данные для создания «почвенных карт», или оценок характеристик почв в различных регионах. Одной из известных почвенных карт является Гармонизированная всемирная база данных почв, разработанная Продовольственной и сельскохозяйственной организацией Объединенных Наций и ее сотрудниками. Еще один проект – SoilGrids, поддерживаемый Международным справочно-информационным центром по почвам в Нидерландах.
Существуют значительные несоответствия в оценках содержания органического углерода в почве как в Гармонизированной мировой базе данных почв, так и в SoilGrids. Сихи и ее команда решили посмотреть, смогут ли они устранить эти несоответствия в оценках Соединенных Штатов, найдя более эффективные способы масштабирования данных отбора проб почвы.
Исследователи разделили Соединенные Штаты, включая все 50 штатов и Пуэрто-Рико, на 20 различных регионов и создали модели машинного обучения для каждого региона. Они собрали почти 50 000 образцов почвы глубиной от 30 сантиметров до одного метра в этих регионах. Они построили свои алгоритмы, используя эти образцы данных для почвенного органического углерода, сопоставленные с точными местоположениями географических информационных систем.
Они также использовали дополнительные данные из открытых источников, чтобы снабдить свои модели 36 переменными окружающей среды, включая подробную информацию о климате, топографических особенностях земли, биогеохимических свойствах почвы и количестве растительности на ландшафте.
Лучший эталон для моделирования систем Земли
Результаты показали, что новый метод дает более точные оценки, чем Гармонизированная всемирная база данных почв и SoilGrids, для верхних 30 сантиметров почвы, где, как правило, концентрируется наиболее биологически активный почвенный органический углерод.
Новый метод также показал, как влияние переменных окружающей среды на органический углерод почвы варьируется в зависимости от региона. В то время как климат был наиболее распространенным предиктором органического углерода почвы в большинстве регионов, вегетационный индекс, как правило, был более важен в засушливых районах юго-запада. Высота над уровнем моря была ключевой переменной в гористых регионах или в крупных речных дельтах.
Исследователи надеются, что другие применят свой подход к другим странам и континентам, где доступно достаточно данных с места событий.
«Прелесть нашего подхода заключается в том, что он дает нам возможность выявлять регионы с высокой неопределенностью в наших оценках, и это помогает нам направлять будущие усилия по отбору проб», — говорит Сихи.
Учет переменных окружающей среды также повышает гибкость новой модели, поскольку глобальные температуры повышаются из-за изменения климата, вызывая потепление почв и изменение режима осадков. Остается неясным, отмечает Сихи, будут ли почвы продолжать служить поглотителем углерода или превратятся в источник углерода.
«Чтобы понять, как углерод в почве будет меняться в условиях меняющегося климата, нам сначала нужны точные оценки текущих уровней органического углерода в почве и ключевых факторов, которые на них влияют», — говорит Сихи. «Наша новая оценка является шагом на пути к получению более точных исходных данных для улучшения моделей системы Земля для изменения климата."
Соавторами новой оценки являются Jitendra Kumar (Oak Ridge National Laboratory), Samantha Weintraub-Leff (National Ecological Observatory Network), Katherine Todd-Brown (University of Florida) and Umakant Mishra (Sandia National Laboratories).
Автор: Carol Clark, Университет Эмори
