Novo modelo integra micróbios do solo, grandes gramíneas perenes
O novo modelo de solo explícito de micróbios (esquerda) versus o modelo de solo anterior do DayCent que não modelava explicitamente a atividade microbiana (direita). Crédito:Danielle Berardi et al. De todo o carbono armazenado nos ecossistemas de todo o mundo, cerca de metade pode ser encontrada nos solos. Dependendo do clima, da vegetação e da gestão, os solos podem ser uma fonte de carbono ou um sumidouro.
As soluções climáticas naturais (NCS) oferecem uma oportunidade promissora para nos aproximar dos nossos objetivos de emissões líquidas zero, removendo o dióxido de carbono da atmosfera e armazenando-o na biomassa vegetal e no solo. O crescimento de matérias-primas bioenergéticas tem um grande potencial neste sentido porque estas gramíneas constroem carbono no solo e têm potencial para serem utilizadas para produzir biocombustíveis e bioprodutos neutros em carbono.
Nos últimos 40 anos, os modelos biogeoquímicos têm sido uma ferramenta crucial que os investigadores utilizam para compreender como o clima, as perturbações ecológicas e a gestão dos solos afectam o carbono e outros fluxos num ecossistema. Devido ao seu sucesso, os modelos biogeoquímicos estão ganhando força como ferramentas importantes para avaliar a eficácia da NCS. Esses modelos podem ser usados para informar decisões de gestão e políticas.
Um desses modelos, denominado DayCent, simula fluxos diários de carbono, nitrogênio e água entre a atmosfera, a vegetação e o solo. No entanto, projetar o potencial de grandes culturas bioenergéticas perenes como NCS foi um desafio devido a duas limitações das versões anteriores do modelo DayCent. Como muitos modelos de ecossistemas, o DayCent não modelou explicitamente os micróbios do solo e o papel que desempenham como impulsionadores da ciclagem do carbono no solo. Além disso, grandes gramíneas perenes como miscanthus e switchgrass têm características fisiológicas distintas que não são contabilizadas em muitas estruturas de modelos.
Para remediar este problema, uma equipe de pesquisa do CABBI no Tema Sustentabilidade desenvolveu o DayCent-CABBI, um modelo que integra micróbios do solo e as características fisiológicas distintas de grandes gramíneas perenes no DayCent.
Em um novo artigo publicado na Geoderma , os pesquisadores discutem o desenvolvimento e a validação do DayCent-CABBI – e colocam seu poder preditivo à prova.
“Adicionar novos componentes de plantas e micróbios ao modelo DayCent-CABBI melhora sua representação da dinâmica do ecossistema”, disse Melannie Hartman, principal autora do estudo e pesquisadora associada sênior da Colorado State University. "Esses avanços aumentam a capacidade do modelo de avaliar a sustentabilidade do cultivo de diferentes tipos de culturas bioenergéticas."
Os micróbios no solo contribuem para o armazenamento e fluxos significativos de carbono, por isso a equipe de pesquisa atualizou o DayCent para incluir um pool de biomassa microbiana viva. Esse recurso regula a liberação de dióxido de carbono para a atmosfera com base no tamanho do reservatório. Eles também adicionaram um reservatório de biomassa microbiana morta que permite uma representação mais realista do fluxo de carbono de um reservatório para outro, o que simulará melhor o armazenamento de carbono no solo.
“É importante incluir micróbios no modelo porque, por exemplo, o carbono da biomassa microbiana morta tem maior probabilidade de ser retido no sistema do solo durante décadas a milénios se tiver uma ligação forte às superfícies minerais do solo”, disse Danielle Berardi, autora principal. e recém-formado com doutorado em Ecologia. da Universidade de Idaho.
“A capacidade máxima deste tipo de carbono do solo em um determinado sistema é baseada na textura do solo, que determina a área de superfície disponível para a ligação do carbono. Melhoramos a forma como a matéria orgânica associada a minerais é representada no DayCent, o que é crucial para modelar reservatórios mensuráveis de matéria orgânica do solo."
A outra mudança significativa que a equipe fez se concentrou na modelagem mais precisa de diferentes partes de plantas perenes. Os modelos tradicionais agruparam folhas e caules como "componentes da planta acima do solo". Dividir essas partes da planta e modelá-las separadamente permite que o DayCent-CABBI simule com mais precisão o conteúdo de carbono, nitrogênio e lignina para cada uma, melhorando a forma como o crescimento da planta é simulado, bem como fornecendo uma química de serapilheira mais realista e opções de colheita mais versáteis com implicações para ciclagem de carbono e nitrogênio no solo.
Além disso, a equipe adicionou um componente de rizoma ao modelo. Os rizomas são raízes perenes rasas que armazenam carboidratos e nitrogênio durante a estação de dormência, quando as partes da planta acima do solo murcham. Como esses sistemas radiculares em culturas bioenergéticas como os miscanthus não estão adaptados aos invernos rigorosos que podem enfrentar na região central dos EUA, os pesquisadores adicionaram um limite de temperatura para os rizomas – assim que as temperaturas caírem o suficiente, o modelo simulará danos aos rizomas.
Com essas modificações, os pesquisadores testaram o DayCent-CABBI simulando switchgrass e miscanthus na Fazenda Energética da Universidade de Illinois de 2008 a 2049. O modelo foi calibrado e avaliado usando dados de campo de 2008 a 2019.
Quando comparada com dados históricos, a versão do modelo com o novo modelo de solo explícito microbiano teve melhor concordância dos dados do modelo com os fluxos diários de carbono do ecossistema, particularmente na primavera, indicando que esta modificação de fato melhora a capacidade do DayCent de avaliar com precisão o potencial de gramíneas perenes como NCS.
Em simulações futuras (2020-2049), a versão do DayCent usando o modelo de solo anterior simulou o aumento contínuo do carbono do solo no futuro para ambas as culturas, enquanto a nova versão simulou um eventual patamar de carbono do solo antes de 2049. Este patamar representa a evolução dos investigadores. melhor compreensão dos futuros fluxos de carbono do solo e estabilização em miscanthus e switchgrass.
"Esses avanços de modelagem tão necessários beneficiam não apenas o CABBI, mas também a maior comunidade de pesquisadores e partes interessadas que desejam estimar a intensidade de carbono do cultivo de gramíneas perenes de alto rendimento para a produção de biocombustíveis e bioprodutos", disse a coautora Wendy Yang, responsável pelo Departamento de Sustentabilidade do CABBI. Líder Temático e Professor de Biologia Vegetal na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
