Новая оценка органического углерода в почве США поможет улучшить модели системы Земли

Почва содержит примерно в два раза больше углерода, чем атмосфера и растения вместе взятые. Это крупный поглотитель углерода, способный поглощать из атмосферы больше углекислого газа, чем выделять. Управление углеродом в почве является ключевым моментом в усилиях по смягчению последствий изменения климата, а также жизненно важно для здоровья почвы и продуктивности сельского хозяйства.

Однако измерение углерода в почве — кропотливый и дорогостоящий процесс. Образцы необходимо выкапывать из земли и отправлять в лабораторию для анализа, что затрудняет масштабирование измерений в большом пространственном масштабе.

Теперь ученые-экологи объединили полевые данные с методами машинного обучения, чтобы оценить органический углерод почвы в континентальном масштабе США. Журнал геофизических исследований: биогеонауки опубликовала 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 признание того, что органический углерод в почве важен и что мы должны инвестировать в его создание посредством устойчивых методов управления земельными ресурсами», — говорит Дебжани Сихи, старший автор исследования и доцент кафедры экологических наук в Университете Эмори. «Наша оценка более точна, чем существующие оценки, и обеспечивает лучший ориентир для политиков и землепользователей при внедрении климатически оптимизированных методов».

Земля гораздо эффективнее, чем океан, удерживает углерод, отмечает Сихи, и предлагает одно из возможных природных решений, помогающих смягчить изменение климата.

«Потенциально мы могли бы создать условия, — объясняет она, — которые будут благоприятствовать тому, чтобы почва улавливала углекислый газ из атмосферы и удерживала его там на очень долгое время — на протяжении тысячелетий».

Сихи — биогеохимик, изучающий проблемы окружающей среды и устойчивого развития на взаимосвязи почвы и климата.

Первым автором настоящей статьи является Чжуонань Ван, бывший научный сотрудник лаборатории Сихи, который сейчас работает в Университете штата Колорадо.

Копаем данные о почве

Органический углерод почвы состоит из растительных и животных веществ, находящихся в различных стадиях разложения. Хотя неорганический углерод также содержится в почве в виде карбонатных минералов, органический углерод обычно составляет наибольшую долю и является наиболее важным фактором биологии и качества почвы.

Министерство сельского хозяйства США ведет базу данных характеристик почвы Национального совместного исследования почв. Эти данные собирались на протяжении десятилетий как путем прогулок по земле и наблюдений, так и путем выкапывания образцов керна и отправки их в лаборатории для анализа. Например, для измерения органического углерода в почве необходимо выкопать керн до корневой зоны на глубину около 30 сантиметров, чтобы получить профиль верхнего слоя почвы, и до тех пор, пока керн не достигнет коренной породы, чтобы получить полный профиль почвы.

Отбор проб почвы проводится и в других частях мира. Международная сеть почвенного органического углерода охватывает более 430 000 профилей почв, собранных со всего мира. Ученые используют такие данные для создания «почвенных карт» или оценок характеристик почвы в различных регионах. Одной из хорошо известных почвенных карт является Гармонизированная всемирная база данных почв, разработанная Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН и ее сотрудниками. Другой 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 получили около 50 000 образцов почвы глубиной от 30 сантиметров до одного метра со всех этих регионов. Они построили свои алгоритмы, используя образцы данных об органическом углероде почвы, сопоставленные с точными местоположениями географической информационной системы.

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 мировая база данных почв и SoilGrids, для верхних 30 сантиметров почвы, где обычно концентрируется наиболее биологически активный органический углерод почвы.

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 содержания органического углерода в почве в большинстве регионов, индекс растительности, как правило, имел более важное значение в засушливых районах юго-запада. Высота над уровнем моря была ключевой переменной в регионах, которые были гористыми или включали дельту крупной реки.

Исследователи надеются, что другие применят их подход к другим странам и континентам, где доступно достаточно реальных данных.

«Прелесть нашего подхода в том, что он дает нам возможность выявлять регионы с высокой неопределенностью в наших оценках, и это помогает нам направлять будущие усилия по выборке», — говорит Сихи.

Учет переменных окружающей среды также повышает гибкость новой модели, поскольку глобальные температуры повышаются из-за изменения климата, вызывая нагревание почв и изменяя характер выпадения 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 — это шаг к получению более точных исходных данных для улучшения моделей системы Земли с точки зрения изменения климата».

Соавторами новой оценки являются Джитендра Кумар (Ок-Риджская национальная лаборатория), Саманта Вайнтрауб-Лефф (Национальная сеть экологических обсерваторий), Кэтрин Тодд-Браун (Университет Флориды) и Умакант Мишра (Сандийские национальные лаборатории).