Le soluzioni climatiche naturali (NCS) offrono un’opportunità promettente per avvicinarci ai nostri obiettivi di emissioni nette pari a zero rimuovendo l’anidride carbonica dall’atmosfera e immagazzinandola nella biomassa vegetale e nel suolo. La crescita delle materie prime bioenergetiche ha un grande potenziale in questo senso perché queste erbe costruiscono carbonio nel suolo e hanno il potenziale per essere utilizzate per produrre biocarburanti e bioprodotti a zero emissioni di carbonio.

Negli ultimi 40 anni, i modelli biogeochimici sono stati uno strumento cruciale utilizzato dai ricercatori per comprendere come il clima, i disturbi ecologici e la gestione del territorio influenzano il carbonio e altri flussi in un ecosistema. Grazie al loro successo, i modelli biogeochimici stanno guadagnando terreno come strumenti importanti per valutare l’efficacia delle NCS. Questi modelli possono essere utilizzati per informare la gestione e le decisioni politiche.

Uno di questi modelli, chiamato DayCent, simula i flussi giornalieri di carbonio, azoto e acqua tra l’atmosfera, la vegetazione e il suolo. Tuttavia, prevedere il potenziale delle grandi colture bioenergetiche perenni come NCS è stato impegnativo a causa di due limiti delle versioni precedenti del modello DayCent. Come molti modelli di ecosistemi, DayCent non ha modellato esplicitamente i microbi del suolo e il ruolo che svolgono come motori del riciclaggio del carbonio nel suolo. Inoltre, le grandi erbe perenni come il miscanto e il panico verga hanno tratti fisiologici distinti che non vengono presi in considerazione in molti modelli.

Per rimediare a questo problema, un gruppo di ricerca CABBI sul tema Sostenibilità ha sviluppato DayCent-CABBI, un modello che integra i microbi del suolo e i tratti fisiologici distinti delle grandi erbe perenni in DayCent.

In un nuovo articolo pubblicato su Geoderma , i ricercatori discutono dello sviluppo e della convalida di DayCent-CABBI e ne mettono alla prova il potere predittivo.

"L'aggiunta di nuove componenti vegetali e microbiche al modello DayCent-CABBI migliora la sua rappresentazione delle dinamiche dell'ecosistema", ha affermato Melannie Hartman, autrice principale dello studio e Senior Research Associate presso la Colorado State University. "Questi progressi migliorano la capacità del modello di valutare la sostenibilità della coltivazione di diversi tipi di colture bioenergetiche."

I microbi nel suolo contribuiscono in modo significativo allo stoccaggio e ai flussi di carbonio, quindi il gruppo di ricerca ha aggiornato DayCent per includere un pool di biomassa microbica viva. Questa funzione regola il rilascio di anidride carbonica nell'atmosfera in base alle dimensioni della piscina. Hanno anche aggiunto un pool di biomassa microbica morta che consente una rappresentazione più realistica del flusso di carbonio da un pool all'altro, simulando meglio lo stoccaggio del carbonio nel suolo.

“È importante includere i microbi nel modello perché, ad esempio, il carbonio della biomassa microbica morta ha maggiori probabilità di essere trattenuto nel sistema del suolo per decenni o millenni se ha un forte legame con le superfici minerali del suolo”, ha affermato Danielle Berardi, autrice principale. e neolaureato con un dottorato di ricerca in ecologia. dall'Università dell'Idaho.

"La capacità massima di questo tipo di carbonio nel suolo in un dato sistema si basa sulla struttura del suolo, che determina l'area superficiale disponibile a cui il carbonio può legarsi. Abbiamo migliorato il modo in cui la materia organica associata ai minerali viene rappresentata in DayCent, il che è fondamentale per modellare riserve di materia organica misurabili nel suolo."

L’altro cambiamento significativo apportato dal team si è concentrato sulla modellazione più accurata delle diverse parti delle piante perenni. I modelli tradizionali raggruppano foglie e steli come “componenti vegetali fuori terra”. Suddividere queste parti di piante e modellarle separatamente consente a DayCent-CABBI di simulare in modo più accurato il contenuto di carbonio, azoto e lignina per ciascuna, migliorando sia il modo in cui viene simulata la crescita delle piante sia fornendo una chimica dei rifiuti più realistica e opzioni di raccolta più versatili con implicazioni per ciclo del carbonio e dell'azoto nel suolo.

Inoltre, il team ha aggiunto una componente rizoma al modello. I rizomi sono radici perenni superficiali che immagazzinano carboidrati e azoto durante la stagione dormiente, quando le parti della pianta fuori terra sono appassite. Poiché questi sistemi radicali nelle colture bioenergetiche come il miscanto non sono adatti agli inverni rigidi che potrebbero affrontare negli Stati Uniti centrali, i ricercatori hanno aggiunto una soglia di temperatura per i rizomi:una volta che le temperature scendono abbastanza, il modello simulerà il danno ai rizomi.

Con queste modifiche, i ricercatori hanno messo alla prova DayCent-CABBI simulando il panico verga e il miscanto presso l'Energy Farm dell'Università dell'Illinois dal 2008 al 2049. Il modello è stato calibrato e valutato utilizzando dati sul campo dal 2008 al 2019.

Rispetto ai dati storici, la versione del modello con il nuovo modello del suolo microbico-esplicito presentava un migliore accordo tra i dati del modello e i flussi giornalieri di carbonio dell’ecosistema, in particolare in primavera, indicando che questa modifica effettivamente migliora la capacità di DayCent di valutare accuratamente il potenziale di erbe perenni come NCS.

Nelle simulazioni future (2020-2049), la versione di DayCent che utilizzava il precedente modello di suolo ha simulato un continuo aumento del carbonio nel suolo nel futuro per entrambe le colture, mentre la nuova versione ha simulato un eventuale plateau di carbonio nel suolo prima del 2049. Questo plateau rappresenta il livello dei ricercatori migliore comprensione dei futuri flussi di carbonio nel suolo e della stabilizzazione nel miscanto e nel panico verga.

"Questi progressi di modellazione tanto necessari avvantaggiano non solo CABBI ma anche la più ampia comunità di ricercatori e parti interessate che desiderano stimare l'intensità di carbonio della coltivazione di erbe perenni ad alto rendimento per la produzione di biocarburanti e bioprodotti", ha affermato la coautrice Wendy Yang, del CABBI Sustainability Leader del tema e professore di biologia vegetale presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.