Las soluciones climáticas naturales (NCS) ofrecen una oportunidad prometedora para acercarnos a nuestros objetivos de emisiones netas cero al eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera y almacenarlo en la biomasa vegetal y el suelo. El crecimiento de materias primas para bioenergía tiene un gran potencial en este sentido porque estos pastos generan carbono en el suelo y tienen el potencial de usarse para producir biocombustibles y bioproductos neutros en carbono.

Durante los últimos 40 años, los modelos biogeoquímicos han sido una herramienta crucial que los investigadores utilizan para comprender cómo el clima, las perturbaciones ecológicas y la gestión de la tierra afectan el carbono y otros flujos en un ecosistema. Debido a su éxito, los modelos biogeoquímicos están ganando terreno como herramientas importantes para evaluar la eficacia de las NCS. Estos modelos se pueden utilizar para informar decisiones de gestión y políticas.

Uno de estos modelos, llamado DayCent, simula los flujos diarios de carbono, nitrógeno y agua entre la atmósfera, la vegetación y el suelo. Sin embargo, proyectar el potencial de grandes cultivos bioenergéticos perennes como NCS fue un desafío debido a dos limitaciones de las versiones anteriores del modelo DayCent. Como muchos modelos de ecosistemas, DayCent no modeló explícitamente los microbios del suelo y el papel que desempeñan como impulsores del ciclo del carbono del suelo. Además, los pastos perennes grandes como el miscanthus y el switchgrass tienen rasgos fisiológicos distintos que no se tienen en cuenta en muchos marcos de modelos.

Para remediar este problema, un equipo de investigación de CABBI en el tema de Sostenibilidad ha desarrollado DayCent-CABBI, un modelo que integra microbios del suelo y los distintos rasgos fisiológicos de grandes pastos perennes en DayCent.

En un nuevo artículo publicado en Geoderma , los investigadores analizan el desarrollo y la validación de DayCent-CABBI y ponen a prueba su poder predictivo.

"Agregar nuevos componentes de plantas y microbios al modelo DayCent-CABBI mejora su representación de la dinámica del ecosistema", dijo Melannie Hartman, autora principal del estudio e investigadora asociada senior en la Universidad Estatal de Colorado. "Estos avances mejoran la capacidad del modelo para evaluar la sostenibilidad de diferentes tipos de cultivos bioenergéticos".

Los microbios en el suelo contribuyen a importantes flujos y almacenamiento de carbono, por lo que el equipo de investigación actualizó DayCent para incluir un grupo de biomasa microbiana viva. Esta característica regula la liberación de dióxido de carbono a la atmósfera en función del tamaño de la piscina. También agregaron un depósito de biomasa microbiana muerta que permite una representación más realista del flujo de carbono de un depósito a otro, lo que simulará mejor el almacenamiento de carbono en el suelo.

"Es importante incluir microbios en el modelo porque, por ejemplo, es más probable que el carbono de la biomasa microbiana muerta quede retenido en el sistema del suelo durante décadas o milenios si tiene un fuerte vínculo con las superficies minerales del suelo", dijo Danielle Berardi, autora principal. y recién graduado con un doctorado en Ecología. de la Universidad de Idaho.

"La capacidad máxima de este tipo de carbono del suelo en un sistema determinado se basa en la textura del suelo, que determina el área de superficie disponible para que el carbono se adhiera. Hemos mejorado la forma en que se representa la materia orgánica asociada a minerales en DayCent, lo cual es crucial para modelar reservas mensurables de materia orgánica del suelo."

El otro cambio significativo que realizó el equipo se centró en modelar con mayor precisión diferentes partes de plantas perennes. Los modelos tradicionales han agrupado hojas y tallos como "componentes vegetales aéreos". Dividir estas partes de plantas y modelarlas por separado permite a DayCent-CABBI simular con mayor precisión el contenido de carbono, nitrógeno y lignina para cada una, mejorando la forma en que se simula el crecimiento de las plantas y proporcionando una química de la cama más realista y opciones de cosecha más versátiles con implicaciones para Ciclo del carbono y nitrógeno del suelo.

Además, el equipo añadió un componente de rizoma al modelo. Los rizomas son raíces perennes poco profundas que almacenan carbohidratos y nitrógeno durante la temporada de inactividad, cuando las partes aéreas de las plantas se han marchitado. Debido a que estos sistemas de raíces en cultivos bioenergéticos como el miscanthus no están adaptados a los duros inviernos que pueden enfrentar en el centro de EE. UU., los investigadores agregaron un umbral de temperatura para los rizomas:una vez que las temperaturas bajen lo suficiente, el modelo simulará el daño a los rizomas.

Con estas modificaciones, los investigadores pusieron a prueba DayCent-CABBI simulando pasto varilla y miscanthus en la granja energética de la Universidad de Illinois de 2008 a 2049. El modelo fue calibrado y evaluado utilizando datos de campo de 2008 a 2019.

En comparación con los datos históricos, la versión del modelo con el nuevo modelo de suelo explícito en microbios tuvo una mejor concordancia de los datos del modelo con los flujos diarios de carbono del ecosistema, particularmente en la primavera, lo que indica que esta modificación efectivamente mejora la capacidad de DayCent para evaluar con precisión el potencial. de pastos perennes como NCS.

En simulaciones futuras (2020-2049), la versión de DayCent que utilizaba el modelo de suelo anterior simuló un aumento continuo del carbono del suelo en el futuro para ambos cultivos, mientras que la nueva versión simuló una eventual meseta del carbono del suelo antes de 2049. Esta meseta representa la capacidad de los investigadores. mejor comprensión de los futuros flujos de carbono del suelo y la estabilización en miscanthus y switchgrass.

"Estos avances en modelización tan necesarios benefician no sólo al CABBI sino también a la comunidad en general de investigadores y partes interesadas que desean estimar la intensidad de carbono del cultivo de pastos perennes de alto rendimiento para la producción de biocombustibles y bioproductos", dijo la coautora Wendy Yang, Sostenibilidad de CABBI. Líder del tema y profesor de biología vegetal en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.