Misurare il carbonio nel suolo, tuttavia, è un processo scrupoloso e costoso. I campioni devono essere estratti dal terreno e inviati a un laboratorio per l'analisi, rendendo impegnative le misurazioni di upscaling su larga scala spaziale.

Ora gli scienziati ambientali hanno combinato dati a livello di campo con tecniche di apprendimento automatico per stimare il carbonio organico nel suolo su scala continentale degli Stati Uniti. Il Giornale di ricerca geofisica:biogeoscienze ha pubblicato la nuova stima del carbonio organico nel suolo, che migliora la stima complessiva per gli Stati Uniti e fornisce nuove informazioni sugli effetti delle variabili ambientali sul carbonio organico nel suolo.

"C'è una crescente consapevolezza che il carbonio organico nel suolo è importante e che dovremmo investire nella sua creazione attraverso pratiche di gestione del territorio sostenibili", afferma Debjani Sihi, autrice senior dello studio e assistente professore di scienze ambientali alla Emory University. "La nostra stima è più accurata di quelle esistenti e fornisce un punto di riferimento migliore per guidare i politici e i gestori del territorio nell'adozione di pratiche rispettose del clima."

La terra è molto più efficiente dell'oceano nel trattenere il carbonio, osserva Sihi, e offre una possibile soluzione basata sulla natura per contribuire a mitigare il cambiamento climatico.

"Potremmo potenzialmente creare condizioni", spiega, "favorevoli al suolo per catturare l'anidride carbonica dall'atmosfera e trattenerla lì per un tempo molto lungo, nel corso di millenni."

Sihi è un biogeochimico che studia le questioni ambientali e di sostenibilità nel nesso tra suolo e clima.

Il primo autore dell'attuale articolo è Zhuonan Wang, un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Sihi che ora lavora alla Colorado State University.

Scavando nei dati del suolo

Il carbonio organico del suolo è costituito da materia vegetale e animale in vari stati di decomposizione. Sebbene il carbonio inorganico si trovi anche nel suolo sotto forma di minerali carbonatici, il carbonio organico rappresenta solitamente la percentuale maggiore e il motore più importante della biologia e della qualità del suolo.

Il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti mantiene il database di caratterizzazione del suolo del National Cooperative Soil Survey. Questi dati sono stati raccolti nel corso di decenni sia camminando sul terreno e osservando che scavando campioni carotati e inviandoli ai laboratori per l'analisi. Per misurare il carbonio organico nel suolo, ad esempio, è necessario scavare una carota nella zona delle radici, a circa 30 centimetri di profondità per ottenere un profilo del terriccio e finché la carota non tocca il substrato roccioso per ottenere un intero profilo del terreno.

Il campionamento del suolo viene effettuato anche in altre parti del mondo. L’International Soil Organic Carbon Network comprende più di 430.000 profili di suolo, tratti da tutto il mondo. Gli scienziati utilizzano tali dati per creare "mappe del suolo" o stime delle caratteristiche del suolo in varie regioni. Una mappa del suolo molto nota è l'Harmonized World Soil Database, sviluppato dall'Organizzazione per l'alimentazione e l'agricoltura delle Nazioni Unite e da suoi collaboratori. Un altro è SoilGrids, supportato dal Centro internazionale di riferimento e informazione sul suolo nei Paesi Bassi.

Esistono incongruenze significative nelle stime del carbonio organico nel suolo sia all’interno dell’Harmonized World Soil Database che dei SoilGrids. Sihi e il suo team hanno cercato di risolvere queste incongruenze nelle stime degli Stati Uniti trovando modi più efficaci per aumentare i dati di campionamento del suolo.

I ricercatori hanno diviso gli Stati Uniti, compresi tutti i 50 stati e Porto Rico, in 20 regioni diverse e hanno creato modelli di apprendimento automatico per ciascuna regione. Hanno ottenuto quasi 50.000 campioni di terreno, con una profondità compresa tra 30 centimetri e un metro, provenienti da tutte queste regioni. Hanno costruito i loro algoritmi utilizzando questi campioni di dati per il carbonio organico nel suolo, abbinati a precise posizioni del sistema informativo geografico.

Hanno inoltre attinto da ulteriori dati open source per alimentare i loro modelli con 36 variabili ambientali, inclusi dettagli sul clima, le caratteristiche topografiche del terreno, le proprietà biogeochimiche del suolo e la quantità di vegetazione nel paesaggio.

Un punto di riferimento migliore per la modellazione dei sistemi terrestri

I risultati hanno mostrato che il nuovo metodo ha fornito stime più accurate rispetto sia all'Harmonized World Soil Database che ai SoilGrids per i primi 30 centimetri di suolo, dove tende a concentrarsi il carbonio organico del suolo più biologicamente attivo.

Il nuovo metodo ha anche rivelato come gli effetti delle variabili ambientali sul carbonio organico nel suolo variano da regione a regione. Mentre il clima era il predittore più comune del carbonio organico nel suolo nella maggior parte delle regioni, l’indice della vegetazione tendeva ad essere più importante nelle aree aride del sud-ovest. L'altitudine era una variabile chiave nelle regioni montuose o che includevano un importante delta fluviale.

I ricercatori sperano che altri applichino il loro approccio ad altri paesi e continenti dove sono disponibili dati sul campo sufficienti.

"La bellezza del nostro approccio è che ci dà la possibilità di identificare le regioni con elevata incertezza nelle nostre stime e questo ci aiuta a guidare i futuri sforzi di campionamento", afferma Sihi.

Considerare le variabili ambientali aumenta anche la flessibilità del nuovo modello man mano che le temperature globali aumentano a causa dei cambiamenti climatici, provocando il riscaldamento dei suoli e alterando i modelli delle precipitazioni. Non è chiaro, osserva Sihi, se i suoli continueranno a fungere da serbatoio di carbonio o si trasformeranno in una fonte di carbonio.

"Per capire come cambierà il carbonio nel suolo in un clima che cambia, abbiamo prima bisogno di stime accurate degli attuali livelli di carbonio organico nel suolo e dei fattori chiave che li influenzano", afferma Sihi. "La nostra nuova stima è un passo avanti verso l'ottenimento di dati di base più accurati per migliorare i modelli del sistema Terra per il cambiamento climatico."

I coautori della nuova stima includono Jitendra Kumar (Oak Ridge National Laboratory), Samantha Weintraub-Leff (National Ecological Observatory Network), Katherine Todd-Brown (Università della Florida) e Umakant Mishra (Sandia National Laboratories).