Gli attuali modelli del ciclo del carbonio possono sottovalutare la quantità di anidride carbonica rilasciata dal suolo durante le stagioni delle piogge nelle foreste temperate come quelle che si trovano nel nord-est degli Stati Uniti, secondo i ricercatori della Penn State.

Le radici degli alberi e i microbi utilizzano l'ossigeno per convertire il carbonio organico nel suolo in anidride carbonica (CO ₂ ) per l'energia attraverso un processo chiamato respirazione aerobica. Questo rilascio di CO ₂ dal suolo all'atmosfera rappresenta il più grande flusso di carbonio dagli ecosistemi terrestri, rendendolo una componente chiave del bilancio globale del carbonio. La respirazione aerobica è il processo dominante che contribuisce a questo flusso, ma i ricercatori hanno scoperto che in condizioni di bagnato, Anche la respirazione anaerobica, o respirazione senza ossigeno, contribuisce in modo significativo al flusso.

"Nei modelli attuali, le quantità di anidride carbonica e ossigeno sono controllate dal consumo di ossigeno e dalla produzione di anidride carbonica attraverso la respirazione aerobica, "ha detto Caitlin Hodges, un dottorando presso il Dipartimento di Scienze e Gestione degli Ecosistemi. "Di solito è una relazione uno a uno tra consumo e produzione. Ma abbiamo scoperto che, soprattutto d'estate, c'era un segnale significativo di respirazione anaerobica causata dalle radici che avevano una maggiore richiesta di ossigeno e superavano i microbi. I microbi devono quindi passare all'uso della respirazione anaerobica".

Un punto di riferimento per interpretare i processi del suolo interessati dall'anidride carbonica e dall'ossigeno del suolo è calcolare il quoziente respiratorio apparente (ARQ), che combina le concentrazioni di anidride carbonica e ossigeno in un unico valore.

"Se ARQ è uguale a uno, ciò significa che la respirazione aerobica è il processo di controllo, " disse Hodges. "Se c'è una deviazione significativa da uno, poi questo ci dice che qualcos'altro sta controllando le concentrazioni di gas nel suolo".

Gli scienziati hanno studiato la respirazione del suolo in uno spartiacque di scisto e in uno spartiacque di arenaria nel Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, finanziato dalla National Science Foundation. Hanno misurato l'anidride carbonica del suolo e i livelli di ossigeno a circa otto e 16 pollici sotto terra e appena sopra lo strato di roccia dove finisce il terreno.

"Caitlin ha interpretato il gas prelevato dal terreno un po' come un poliziotto interpreta il test dell'etilometro di un guidatore alticcio, " ha detto Susan Brantley, illustre professore di geoscienze e direttore dell'Earth and Environmental Systems Institute (EESI) alla Penn State. "La chimica del gas bloccato nel terreno fornisce un'immagine di ciò che stanno facendo i batteri".

Il team ha scoperto che l'ARQ a volte segnalava una significativa respirazione anaerobica da parte dei microbi. Durante la respirazione anaerobica, i microbi sono passati dall'uso dell'ossigeno ai metalli ossidati, come ferro e manganese, per la crescita.

"Quando vediamo grandi numeri nell'ARQ, significa che abbiamo più anidride carbonica di quanto suggerirebbero i livelli di ossigeno, " ha detto Jason Kaye, professore di biogeochimica del suolo. "Come può succedere? Può succedere perché CO ₂ viene prodotto senza consumo di ossigeno, e questo è esattamente ciò che è un processo anaerobico. Ecco cosa significano questi grandi numeri. Stai vedendo più anidride carbonica di quanto ti aspetteresti dalla respirazione aerobica".

La ricerca del team di Penn State, riportato in Giornale della Soil Science Society of America , è il primo ad utilizzare ARQ per trovare prove di un modello stagionale di respirazione anaerobica nelle foreste temperate.

I ricercatori hanno anche calcolato la quantità totale di anidride carbonica, 36 grammi per metro quadrato, che lascia il sistema del suolo ogni anno a causa della respirazione anaerobica. Hanno detto che la stima prudente costituisce il 10% di tutta la respirazione eseguita dai microbi del suolo nei loro siti di ricerca, che è un numero elevato poiché gli scienziati non pensano a queste foreste temperate umide come a una respirazione anaerobica.

"Si prevede che gli Stati Uniti nordorientali avranno un aumento delle precipitazioni con il cambiamento climatico, " ha detto Hodges. "Ci aspettiamo che questa respirazione anaerobica diventerà un processo più dominante in questi sistemi forestali, e i nostri modelli di carbonio nel suolo non ne tengono ancora conto".

Brantley ha affermato che sono necessari nuovi approcci come il campionamento dei gas del suolo per capire come i suoli risponderanno ai cambiamenti climatici.