Ετεροτροφική αναπνοή του εδάφους και το μοντέλο του συστήματος της γης

Η επιστημονική κοινότητα βασίζεται στις προβολές των μοντέλων συστημάτων της γης (ESM) για να αξιολογήσει την απόκριση της γης στην κλιματική αλλαγή, συμπεριλαμβανομένου ενός βρόχου θετικής ανάδρασης μεταξύ του άνθρακα του εδάφους (C) και του κλίματος, όπου η επιταχυνόμενη αποσύνθεση της οργανικής ύλης του εδάφους (SOM) υπό Η θέρμανση επιδεινώνει περαιτέρω την κλιματική αλλαγή.

Ωστόσο, ετερότροφη αναπνοή του εδάφους, Rh (ή μικροβιακή επεξεργασία του SOM σε CO₂ ), μία από τις μεγαλύτερες ροές διοξειδίου του άνθρακα στο οικοσύστημα (CO₂ ), σε αυτά τα μοντέλα βασίζεται σε πολύ απλοϊκή συνάρτηση απόκρισης θερμοκρασίας, γνωστή ως Q₁₀ . Μερικές φορές αυτό το Q₁₀ Η λειτουργία της θερμοκρασίας συνοδεύεται από ένα βαθμωτό εδαφικής υγρασίας. Αυτοί οι βαθμοί υγρασίας του εδάφους προέρχονται συχνά από την εμπειρική προσαρμογή δεδομένων υγρασίας εδάφους σε συγκεκριμένη τοποθεσία με Rh χρησιμοποιώντας μη γραμμικές (πολυωνυμικές και παραβολικές) εξισώσεις παλινδρόμησης. Αυτό εξηγεί εν μέρει γιατί οι ESM συχνά αποτυγχάνουν να συλλάβουν το πλήρες εύρος των χωρικών και χρονικών διακυμάνσεων στις ροές του εδάφους, γεγονός που μειώνει την προβλεψιμότητα αυτών των μοντέλων.

Το μοντέλο Dual Arrhenius και Michaelis-Menten (DAMM) προσομοιώνει Rh χρησιμοποιώντας Michaelis-Menten (μια ενζυμική κινητική διαδικασία όπου οι ρυθμοί αντίδρασης ακολουθούν μια υπερβολική σχέση με το υπόστρωμα), Arrhenius (μια εκθετική συνάρτηση θερμοκρασίας) και διάχυση (μεταφορά διαλυμένης ουσίας και αέριο μέσω πόρων γεμάτο με νερό και αέρα στο έδαφος) λειτουργίες (Davidson et al., 2012, Εικ. 1).

Η υγρασία του εδάφους επηρεάζει το Rh και τη φαινομενική του ευαισθησία στη θερμοκρασία (την παρατηρούμενη απόκριση θερμοκρασίας του Rh) στο DAMM ρυθμίζοντας τη διάχυση των διαλυτών υποστρωμάτων C σε χαμηλή υγρασία και τη διάχυση οξυγόνου σε υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Μια πρόσφατη μελέτη έδειξε πώς το μοντέλο DAMM μπορεί εύκολα να συγχωνευθεί με ένα μεγαλύτερο μοντέλο οικοσυστήματος (Forest Biomass, Assimilation, Allocation and Respiration, FöBAAR; Keenan et al., 2012), αντικαθιστώντας το υπερβολικά απλοϊκό του Q₁₀ λειτουργίες, και ως εκ τούτου βελτιώνουν την απόδοση του μοντέλου οικοσυστήματος (Εικ. 2). Με αυτόν τον τρόπο, σκοπεύουν να δείξουν πώς άλλα μοντέλα οικοσυστημάτων και ESM θα μπορούσαν επίσης να υιοθετήσουν την προσέγγισή τους.

Sihi et al. (2018) χρησιμοποίησαν πανομοιότυπα σύνολα δεδομένων (δεδομένα ροής εδάφους υψηλής συχνότητας από αυτοματοποιημένους θαλάμους εδάφους, ροές οικοσυστημάτων κλίμακας τοπίου από πύργους συνδιακύμανσης δινών και άλλες μετρήσεις που βασίζονται σε εκστρατείες όπως η πτώση των απορριμμάτων και ο δείκτης επιφάνειας φύλλων) σε δύο τοποθεσίες AmeriFlux στις βορειοανατολικές ΗΠΑ. Harvard Forest, MA και Howland Forest, ME) για τη βαθμονόμηση των συγχωνευμένων (DAMM-FöBAAR) και των μη συγχωνευμένων μοντέλων (μόνο FöBAAR), χρησιμοποιώντας μια επαναληπτική διαδικασία (Williams et al., 2009). Η ροή του εδάφους από το πείραμα αποκλεισμού ριζών (διάνοιξη τάφρων) χρησιμοποιήθηκε για την άμεση παραμετροποίηση της συνιστώσας Rh του μοντέλου DAMM-FöBAAR. Στη συνέχεια, η απόδοση και των δύο μοντέλων DAMM-FöBAAR και FöBAAR επικυρώθηκε για βραχυπρόθεσμες (εποχιακές) και μακροπρόθεσμες (δεκαετίες) ροές εδάφους (άθροισμα μικροβιακής αναπνοής του εδάφους και ρίζας) και οικοσυστήματος (άθροισμα αυτότροφης και ετερότροφης αναπνοής). . Το βαθμονομημένο μοντέλο DAMM-FöBAAR μείωσε την αναντιστοιχία μοντέλου-δεδομένων για την αναπνοή του εδάφους (και του οικοσυστήματος) εποχικής και δεκαετίας κλίμακας σε σύγκριση με το μοντέλο μόνο FöBAAR και για τις δύο περιοχές, με σημαντικά βελτιωμένη απόδοση σε συνθήκες με ακραίες διακυμάνσεις υγρασίας του εδάφους (π.χ. ξήρανση συμβάντα).

Τα παραπάνω ευρήματα δείχνουν ότι η πιο σαφής αναπαράσταση της επίδρασης της υγρασίας του εδάφους (και της παροχής υποστρώματος) του Rh στο μοντέλο DAMM-FöBAAR είναι στιβαρή σε χρόνο και χώρο. Πιο σημαντικό, οι εξισώσεις Michaelis-Menten στο μοντέλο DAMM ελέγχουν τον περιορισμό του υποστρώματος-C σε συνθήκες ξήρανσης (και οξυγόνου σε συνθήκες πλημμύρας), ενώ διατηρούν σταθερή την παράμετρο ευαισθησίας θερμοκρασίας (δηλαδή το "Ea" στη συνάρτηση Arrhenius, Εικ. 1). . Αυτό είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα σε σχέση με τα μοντέλα με κλασικό Q₁₀ αναπαραστάσεις έτσι ώστε το Q₁₀ -Τα μοντέλα που βασίζονται δεν θα είναι σε θέση να αναπαράγουν την αναπνοή του εδάφους υπό συνθήκες ξήρανσης (ή πλημμύρας), εκτός εάν βαθμονομηθούν υπό παρόμοιες περιβαλλοντικές συνθήκες. Ως εκ τούτου, οι Sihi et al. (2018) έχουν δείξει ότι οι εξισώσεις του μοντέλου DAMM αυξάνουν την προγνωστική ικανότητα της αναπνοής του εδάφους (και του οικοσυστήματος) με μια σχετικά μικρή επιπλέον πολυπλοκότητα του μοντέλου.

Τέλος, η απλή αλλά πιο σαφής αναπαράσταση των επιδράσεων της υγρασίας του εδάφους στην παροχή υποστρώματος για Rh στις εξισώσεις του μοντέλου DAMM θα πρέπει να είναι πιο γενική από τη μεγάλη ποικιλία των εμπειρικών εξισώσεων παλινδρόμησης που χρησιμοποιούνται συνήθως και θα μπορούσε εύκολα να ενσωματωθεί σε μεγαλύτερα ESM.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο, Συγχώνευση ενός μηχανιστικού ενζυματικού μοντέλου ετεροτροφικής αναπνοής εδάφους σε ένα μοντέλο οικοσυστήματος σε δύο τοποθεσίες AmeriFlux στις βορειοανατολικές ΗΠΑ, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Agricultural and Forest Meteorology.

Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Debjani Sihi (επί του παρόντος στο ORNL) και τον Eric A. Davidson από το University of Maryland Center for Environmental Science, τον Min Chen από το Northwest National Laboratory του Ειρηνικού, την Kathleen E. Savage από το Woods Hole Research Center, Andrew G. Richardson από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Αριζόνα, ο Trevor F. Keenan από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley και ο David Y. Hollinger από τη Δασική Υπηρεσία USDA.

Αναφορές:

1. Davidson, E.A., Samanta, S., Caramori, S.S., Savage, K., 2012. Το μοντέλο κινητικής διπλής αρρένιας και michaelis–menten για την αποσύνθεση της οργανικής ύλης του εδάφους σε ωριαίες έως εποχιακές χρονικές κλίμακες. Global Change Biollogy 18, 371–384.
2. Keenan, T.F., Davidson, E.A., Moffat, A.M., Munger, W., Richardson, A.D., 2012. Χρησιμοποιώντας τη σύντηξη μοντέλου-δεδομένων για την ερμηνεία των τάσεων του παρελθόντος και την ποσοτικοποίηση των αβεβαιοτήτων στις μελλοντικές προβολές, του κύκλου άνθρακα του χερσαίου οικοσυστήματος. Βιολογία Παγκόσμιας Αλλαγής. 18, 2555–2569.
3. Sihi, D., Davidson, E.A., Chen, M., Savage, K.E., Richardson, A.D., Keenan, T.F., Hollinger, D.Y., 2018. Συγχώνευση ενός μηχανιστικού ενζυματικού μοντέλου ετεροτροφικής αναπνοής εδάφους σε ένα μοντέλο οικοσυστήματος σε δύο Τοποθεσίες AmeriFlux στις βορειοανατολικές ΗΠΑ. Agricultural and Forest Meteorology 252, 155–166.
4. Williams, M., et al., 2009. Βελτίωση μοντέλων επιφάνειας γης με δεδομένα FLUXNET. Biogeosciences 6, 1341–1359.