La crescente concentrazione di anidride carbonica (CO₂) nell’atmosfera è uno dei principali fattori che contribuiscono al riscaldamento globale. Nel ciclo del carbonio terrestre, la respirazione del suolo, ovvero l’emissione di CO₂ attraverso la respirazione delle radici (autotrofica) e dei microrganismi (eterotrofica), rappresenta la maggiore efflusso di carbonio nell’atmosfera. Pertanto, è fondamentale quantificare in modo affidabile come la respirazione del suolo possa essere influenzata dal cambiamento climatico per prevedere le future concentrazioni di CO₂ nell’atmosfera. Tuttavia, stimare gli efflussi di carbonio terrestre, principalmente guidati dalla respirazione del suolo, è altamente incerto. Il bilancio globale del carbonio è significativamente influenzato dai flussi di carbonio terrestre, rendendo cruciale il miglioramento delle stime attuali. I flussi di carbonio del suolo dipendono da interazioni complesse tra processi biologici, chimici e fisici, che si svolgono in condizioni ambientali fluttuanti e eterogenee. Di conseguenza, osservare, misurare e modellare i flussi di carbonio del suolo è una sfida.

 

La respirazione eterotrofica del suolo

La respirazione eterotrofica del suolo a livello di poro

Per quantificare la relazione non lineare tra la respirazione eterotrofica (HR) e il contenuto di umidità del suolo, che è considerato il parametro più incerto nella stima dell’HR, abbiamo iniziato eseguendo simulazioni numeriche a livello di poro utilizzando un algoritmo di percolazione basato su immagini, per ottenere la distribuzione aria-acqua nella matrice del suolo sotto diversi gradi di saturazione. Diverse configurazioni del suolo sono state esaminate cambiando il diametro caratteristico dei grani. Le configurazioni del suolo sono state generate utilizzando una distribuzione casuale di grani circolari con raggio.

Modellazione della respirazione eterotrofica del suolo

Modellare i tassi di HR basati sulla temperatura e sull’umidità del suolo è difficile a causa dei numerosi processi interagenti che sono controllati da queste variabili. Di conseguenza, la maggior parte degli sforzi di modellazione per quantificare i cambiamenti nei tassi di HR in funzione della temperatura e dell’umidità utilizzano parametrizzazioni empiriche utilizzando proprietà macroscopiche (bulk) del suolo o adattamenti empirici utilizzando una varietà di forme funzionali. Queste parametrizzazioni spesso non hanno alcun collegamento diretto con i processi biofisici e sono dipendenti dal sito piuttosto che leggi universali.

Tendenze recenti e future della respirazione eterotrofica del suolo

Considerando la variazione della temperatura e dell’umidità del suolo nello spazio e nel tempo, mostriamo che il modello fornisce stime delle tendenze recenti nei tassi di HR del suolo a livello globale che sono in linea con le osservazioni. Infine, utilizziamo questo modello meccanicistico per simulare come l’HR del suolo potrebbe cambiare sotto lo scenario climatico futuro peggiore degli esperimenti di cambiamento climatico CMIP6.

Implicazioni per il bilancio globale del carbonio

Il suolo svolge un ruolo vitale nel trasferire, tamponare, filtrare e accumulare carbonio all’interfaccia tra atmosfera, biosfera e litosfera. Ad esempio, i suoli contengono circa tre volte più carbonio rispetto all’atmosfera o alla vegetazione terrestre. Circa un quinto dell’anidride carbonica atmosferica proviene dai suoli, che è circa dieci volte più delle emissioni antropogeniche di CO₂. La respirazione eterotrofica del suolo (HR) è uno dei principali meccanismi attraverso i quali gli ecosistemi terrestri rilasciano CO₂ nell’atmosfera, e il suo contributo relativo è stato osservato aumentare gradualmente negli ultimi due decenni. L’HR varia su una vasta gamma di scale temporali ed è principalmente controllata da due variabili climatiche: la temperatura e l’umidità del suolo. Mentre la temperatura del suolo è positivamente correlata con l’HR, l’umidità del suolo mostra una relazione non monotona. Un basso contenuto di umidità del suolo riduce i tassi di HR limitando il flusso di soluti a causa della scarsa connettività dell’acqua nei pori. Un alto contenuto di umidità riduce l’HR limitando l’apporto di ossigeno (O₂) dall’atmosfera a causa della debole diffusività dell’O₂ in acqua rispetto al gas. Di conseguenza, la risposta dell’HR alla saturazione dell’acqua nel suolo mostra una curva di risposta a forma di campana, con condizioni ottimali per la respirazione a un contenuto intermedio di umidità del suolo.

 

La respirazione eterotrofica del suolo: un’analisi dalla scala dei pori a quella continua

La respirazione eterotrofica del suolo è un processo fondamentale per la comprensione del ciclo del carbonio e del riscaldamento globale. In questo articolo, esamineremo come la respirazione eterotrofica varia in funzione della dimensione dei pori d’acqua e della saturazione del suolo, utilizzando simulazioni e sperimentazioni in laboratorio.

La relazione tra dimensione dei pori e respirazione eterotrofica

Il ruolo della dimensione dei pori

La dimensione dei pori d’acqua nel suolo è un fattore chiave che influenza la respirazione eterotrofica. Studi recenti hanno dimostrato che esiste una relazione proporzionale tra il tasso di respirazione all’interno di un singolo poro d’acqua e la sua dimensione. Questo significa che, all’aumentare della dimensione dei pori, aumenta anche il tasso di respirazione eterotrofica.

La saturazione del suolo e la respirazione eterotrofica

La saturazione del suolo è un altro fattore determinante per la respirazione eterotrofica. Simulazioni hanno mostrato che esiste una relazione non monotona tra il tasso medio di respirazione del suolo e il grado di saturazione, a seconda della dimensione dei grani del suolo. Inoltre, esperimenti di drenaggio in laboratorio hanno confermato queste relazioni teoriche.

 

La respirazione eterotrofica del suolo alla scala del poro

Formulazione matematica del problema

Per generalizzare il problema e tener conto delle variazioni nelle condizioni ambientali, è stata formulata un’equazione di diffusione reazione (DRE) alla scala di un singolo poro d’acqua. Questa formulazione si basa su tre assunzioni generali: il volume reattivo è omogeneo all’interno del poro, la concentrazione di substrato è uniformemente distribuita e l’attività microbica è proporzionale ai flussi di substrato.

Soluzione numerica dell’equazione

La soluzione numerica dell’equazione DRE rivela l’effetto dei parametri biogeofisici del suolo, del soluto, della reazione e del poro d’acqua caratteristico sulla respirazione eterotrofica. Valori elevati di questi parametri sono associati a pori d’acqua di grandi dimensioni, a media porosi con elevata superficie e a tassi di reazione elevati. Di conseguenza, a valori elevati, il tasso di reazione locale mostra una variabilità spaziale, con un rapido consumo di ossigeno disciolto alla superficie del poro che non penetra all’interno del poro stesso.

Confronto con misurazioni sperimentali

Per testare il nostro modello, abbiamo confrontato i tassi di respirazione simulati e osservati con misurazioni di laboratorio e sul campo, dimostrando la dipendenza dalla saturazione del suolo e dalla temperatura. I parametri del suolo per questi confronti sono stati definiti utilizzando la tessitura del suolo riportata per stimare la dimensione dei grani e la porosità, mentre altri parametri sono stati derivati utilizzando le condizioni di temperatura.

Implicazioni per il ciclo del carbonio

La comprensione della respirazione eterotrofica del suolo alla scala dei pori è fondamentale per prevedere il ciclo del carbonio e il riscaldamento globale. Questo studio fornisce nuove intuizioni su come la dimensione dei pori d’acqua e la saturazione del suolo influenzano la respirazione eterotrofica, offrendo una base solida per ulteriori ricerche e modellazioni del ciclo del carbonio.

 

La respirazione eterotrofica del suolo: analisi e proiezioni future

Nonostante le notevoli incertezze sperimentali e le difficoltà nell’inizializzazione di alcuni parametri del modello, le osservazioni e i risultati del modello sono in buon accordo (Figura supplementare 3).

La respirazione eterotrofica del suolo su scala globale

Validazione del modello

Per validare le previsioni del nostro modello per varie località climatiche, abbiamo confrontato i risultati con il database globale della respirazione del suolo (Figura supplementare 3d). Per stimare i parametri del modello (Eq. (6), (7)), abbiamo utilizzato database globali (con una risoluzione spaziale di 0,25° e intervalli mensili) per caratterizzare la temperatura del suolo e il grado di saturazione, la tessitura del suolo e la concentrazione di carbonio organico disciolto (per maggiori dettagli si veda il Metodo e la Figura supplementare 6). Abbiamo calcolato la respirazione eterotrofica del suolo (HR) con risoluzione mensile e aggregato i valori per ottenere una media annuale di HR rappresentativa del periodo di ciascuna osservazione. Nonostante le grandi incertezze nei database climatici e del suolo globali, i risultati del nostro modello sono in buon accordo (RMSE = 214 gC m^-2 anno^-1).

Contributo del suolo superficiale

La HR annuale simulata globalmente del suolo superficiale (profondità 0-10 cm) è presentata nella Figura 3a. Troviamo che la media globale del tasso di HR dallo strato superficiale del suolo è di circa 282 gC m^-2 anno^-1, in linea con le stime precedenti e rappresenta circa il 70% delle stime attuali della HR totale globale del suolo (circa 42 PgC anno^-1). Questo evidenzia il contributo dominante dello strato superficiale del suolo alla HR, dovuto al fatto che questo strato è solitamente in condizioni di semi-saturazione idrica, a una temperatura più elevata rispetto agli strati di suolo più profondi, ricco di materiale organico e abbondante in organismi eterotrofici.

Analisi di sensibilità

Per valutare l’impatto delle incertezze nei dati mensili di temperatura e umidità del suolo sulle previsioni del nostro modello, abbiamo condotto un’analisi di sensibilità utilizzando un database giornaliero. L’analisi ha coinvolto 2000 simulazioni Monte Carlo, in cui i valori mensili rappresentativi di temperatura e umidità del suolo sono stati generati selezionando casualmente dalle loro distribuzioni giornaliere in ogni cella della griglia. I risultati delle simulazioni sono stati analizzati per determinare la stima annuale di HR e il suo livello di variabilità. Come mostrato nella Figura supplementare 5a, il livello più alto di sensibilità è stato stimato al 5% e trovato al polo sud (±12 gC m^-2 anno^-1), mentre la deviazione standard più alta di circa ±20 gC m^-2 anno^-1 è stata trovata ai tropici. La robustezza del modello è confermata da questi risultati, che sono ulteriormente discussi nella sezione Metodi.

 

Tendenze attuali e future nella respirazione eterotrofica del suolo

Tendenze temporali

Alla luce delle tendenze attuali nella temperatura superficiale e nell’umidità del suolo, e considerando che questi due sono i principali fattori che controllano la respirazione del suolo, stimiamo l’evoluzione temporale della HR del suolo negli ultimi 73 anni (1948-2021) basandoci su queste due variabili climatiche dal database Global Land Data Assimilation System (Figura 3c). I dati per ciascuna zona geografica e il valore globale sono normalizzati rispetto alla media della HR del suolo dal 1948 al 1980. Una tendenza statisticamente significativa (p -2 per decennio. Tendenze simili si trovano per tutte le zone geografiche tranne l’Artico, dove i risultati del modello suggeriscono un aumento maggiore di circa lo 0,4% ± 0,11% annuo. Questi risultati sono in accordo con le osservazioni sul campo per il periodo 1989-2008, i dati di telerilevamento per il periodo 2000-2014 sulla respirazione complessiva del suolo e i modelli basati sui dati.

Proiezioni future

Infine, per prevedere le tendenze future potenziali, abbiamo utilizzato i dati di 10 modelli di circolazione globale (Coupled Model Intercomparison Project fase 6, CMIP6, risoluzione di 1° e mensile) per valutare come i cambiamenti nella temperatura superficiale e nell’umidità del suolo possano influenzare l’evoluzione della HR del suolo fino alla fine del secolo (Figura 4a). Utilizziamo lo scenario di emissione di gas serra peggiore (scenario SSP5-8.5) come limite superiore per le proiezioni future della HR del suolo. Su questa base, il modello prevede un aumento drammatico delle emissioni di HR del suolo in tutte le zone geografiche (circa il 40%), con un aumento molto maggiore nella zona artica (circa il 100% di aumento entro il 2100).

 

Il futuro della respirazione eterotrofica del suolo: previsioni e implicazioni

La respirazione eterotrofica del suolo (HR) è un processo biologico fondamentale che contribuisce al ciclo del carbonio terrestre. In questo articolo, esamineremo un modello biogeofisico che stima l’HR del suolo a partire dai dati climatici e discuteremo le previsioni e le implicazioni di questo modello per il futuro del nostro pianeta.

Il modello biogeofisico

Parametrizzazione e validazione

Il modello è stato parametrizzato utilizzando le condizioni medie globali di dimensione dei grani del suolo e concentrazione del substrato. I punti più grandi per ogni zona geografica corrispondono allo stato attuale nel 2021, con la dimensione del simbolo che rappresenta il contributo relativo all’HR globale del suolo (Tropicale 67%, Subtropicale 23%, Temperato 10% e Artico 0,1%). I cambiamenti annuali previsti nell’umidità del suolo e nella temperatura superficiale sono indicati da piccoli punti; la varianza tra i modelli climatici è rappresentata dalle barre di errore lungo ogni traiettoria. Il simbolo X alla fine di ogni traiettoria rappresenta i valori previsti delle variabili alla fine del secolo. La linea tratteggiata viola indica la cresta della superficie HR.

Innovazione e semplicità

La principale innovazione del nostro approccio è la prospettiva meccanicistica sull’HR del suolo, dalla scala dei pori a quella globale, in assenza di parametri empirici, che consente una quantificazione robusta delle attuali velocità di HR e delle tendenze future. La semplicità del modello è racchiusa nelle due variabili, α e β, che controllano il tasso di respirazione alla scala di una singola macchia d’acqua. Inoltre, poiché il valore di α è strettamente limitato per la respirazione aerobica, è principalmente β a controllare il tasso di reazione all’interno di una singola macchia.

 

Previsioni e tendenze future

Aumento dell’HR globale

Come dimostrato dall’analisi su scala globale, l’HR dallo strato superficiale del suolo sta aumentando globalmente a un tasso di circa il 2% per decennio. Questa tendenza è simile in tutte le località geografiche ad eccezione della zona artica, dove il tasso è doppio rispetto alla media globale. Sulla base delle proiezioni dei cambiamenti nella temperatura e nell’umidità del suolo ottenute dai modelli climatici, abbiamo dimostrato che le tendenze future indicano un graduale aumento del tasso annuale di HR del suolo fino alla fine del secolo.

Implicazioni per l’Artico

Nella zona artica, a differenza delle altre zone climatiche, il cambiamento nell’HR del suolo è principalmente guidato da una prevista riduzione dell’umidità del suolo piuttosto che dall’aumento della temperatura. Secondo le osservazioni attuali, il contenuto di umidità del suolo nell’Artico non mostra ancora una tendenza negativa e rimane in media vicino alla saturazione. L’aumento della respirazione del suolo nell’Artico negli ultimi quattro decenni è quindi ancora principalmente dovuto all’aumento della temperatura superficiale, e l’inizio del declino dell’umidità del suolo potrebbe rappresentare un punto di svolta.

In conclusione, il nostro modello fornisce previsioni importanti sull’aumento dell’HR del suolo e sulle sue implicazioni per il ciclo del carbonio terrestre. Mentre il modello non considera gli effetti dei cambiamenti nell’uso del suolo, può essere parametrizzato per riflettere i futuri cambiamenti modificando i parametri del suolo e del carbonio organico disciolto. Questo studio getta luce su uno dei meccanismi primari che influenzeranno il ciclo del carbonio terrestre nel 21° secolo.

 

La teoria della percolazione applicata ai materiali porosi

La teoria della percolazione è uno strumento fondamentale per comprendere le proprietà dei materiali porosi e la distribuzione dei fluidi al loro interno. In questo articolo, esploreremo come questa teoria possa essere applicata per stimare la distribuzione e le dimensioni delle sacche d’acqua in relazione al grado di saturazione di un mezzo poroso.

 

Simulazioni numeriche e teoria della percolazione

Generazione dei materiali porosi

I materiali porosi sono stati generati distribuendo casualmente grani di diametro uniforme all’interno di un dominio, con dimensioni complessive di 3 cm in larghezza e 2,25 cm in altezza, e una porosità del 0,5. Inizialmente, il dominio è riempito d’acqua e, durante il processo di percolazione da invasione, l’aria entra dal confine superiore del sistema e invade la fase liquida, seguendo le condizioni di ingresso capillare all’interfaccia aria-acqua.

Stima delle proporzioni delle sacche d’acqua

Secondo la teoria della percolazione, ci aspettiamo che la distribuzione delle dimensioni delle sacche d’acqua segua una proporzionalità generale, dove la dimensione della sacca d’acqua, l’esponente di Fisher e un parametro di cut-off dipendono dalle proprietà del mezzo poroso e dal grado di saturazione. Da questa definizione, calcoliamo il numero caratteristico di sacche nel dominio usando la media della funzione di distribuzione, che ci fornisce la dimensione caratteristica della sacca.

 

Esperimenti microfluidici e simulazioni numeriche

Esperimenti microfluidici

Per supportare le relazioni tra le proprietà delle sacche d’acqua e il grado di saturazione del suolo ottenute dalla teoria della percolazione, abbiamo eseguito esperimenti microfluidici. I chip microfluidici sono stati fabbricati utilizzando la litografia morbida e avevano dimensioni complessive di 5 cm x 5 cm x 0,005 cm. Per simulare l’algoritmo di percolazione da invasione, i chip microfluidici sono stati posizionati con un asse lungo verticale e saturati con acqua come condizione iniziale. Il lato superiore di ogni chip era aperto all’atmosfera e il lato inferiore era aperto per il drenaggio. Le fasi di aria e acqua sono state monitorate durante il processo di drenaggio utilizzando una telecamera CCD e la relazione tra il numero e la dimensione delle sacche d’acqua e il grado di saturazione è stata ottenuta tramite analisi delle immagini.

Simulazioni numeriche dell’equazione di reazione-diffusione bifase nei mezzi porosi

Basandoci sulla distribuzione spaziale acqua-aria dalle simulazioni di percolazione da invasione, sono state eseguite simulazioni agli elementi finiti dell’equazione di diffusione-reazione. All’interno del sistema, sono considerate due fasi: la fase invadente (aria) e la fase dipendente (acqua). I componenti chimici sono trasportati esclusivamente per diffusione, dove ogni componente ha un coefficiente di diffusione dipendente dalla fase. Le reazioni superficiali hanno luogo sul perimetro dei grani solidi nella fase acquosa, con una velocità determinata dalla cinetica di Michaelis-Menten.

In conclusione, la teoria della percolazione fornisce un quadro teorico solido per comprendere la distribuzione e le dimensioni delle sacche d’acqua nei materiali porosi in relazione al loro grado di saturazione. Gli esperimenti microfluidici e le simulazioni numeriche supportano ulteriormente queste relazioni, offrendo una visione dettagliata dei processi che regolano il comportamento dei fluidi in questi sistemi complessi.

 

La reazione di diffusione nell’ambiente acquatico: un’analisi dettagliata

L’ambiente acquatico è un sistema complesso in cui avvengono numerose reazioni chimiche e processi di diffusione. In particolare, la reazione di diffusione è un fenomeno fondamentale che regola la concentrazione di ossigeno disciolto e la degradazione della materia organica. In questo articolo, analizzeremo in dettaglio l’equazione della reazione di diffusione a scala continua per una singola macchia d’acqua e le soluzioni analitiche per i casi limite.

L’equazione della reazione di diffusione

La massima velocità locale di reazione

La velocità massima locale di reazione dell’ossigeno disciolto (V_m) è un parametro chiave che descrive la velocità con cui l’ossigeno reagisce con il substrato. Questa velocità dipende dalla concentrazione di ossigeno disciolto (C_O2), dalla concentrazione del substrato (C_s) e dalle costanti di Michaelis del substrato e dell’ossigeno (K_m(s) e K_m(O2), rispettivamente).

La legge di Henry e le condizioni al contorno

Il trasferimento di massa dei composti chimici all’interfaccia delle due fasi è simulato dalla legge di Henry. Una concentrazione atmosferica fissa (C_0O2) è stata impostata come condizione al contorno superiore per l’ossigeno, mentre gli altri confini esterni sono stati trattati come aperti per tutte le specie. Al perimetro dei grani solidi nella fase Φ_w, è stata impostata una costante concentrazione di carbonio organico disciolto (C_0DOC), per descrivere la degradazione della materia organica (OM) a carbonio organico disciolto (C_s).

Soluzioni analitiche per i casi limite

L’equazione della diffusione-reazione

Per una singola macchia d’acqua, la concentrazione di ossigeno disciolto (C_O2) può essere derivata risolvendo l’equazione della diffusione-reazione allo stato stazionario (DRE). Assumendo che le macchie d’acqua possano essere approssimate da una forma sferica, la DRE può essere scritta come mostrato nell’equazione (5).

I parametri adimensionali e le soluzioni analitiche

Definendo i seguenti parametri adimensionali, possiamo riscrivere l’equazione (5) come mostrato nell’equazione (7). Implementando le condizioni al contorno u(1) = 1 e u'(0)=0, l’equazione (5) può essere risolta analiticamente per i casi limite. Altrimenti, l’equazione (7) può essere risolta numericamente.

La derivazione del termine di reazione caratteristico

Per derivare il termine di reazione caratteristico, ovvero il lato destro nell’equazione (7), la soluzione per la concentrazione normalizzata, u(χ), è implementata nel termine di reazione. Quindi, il tasso di reazione dipendente dalla coordinata radiale può essere ottenuto. Si noti che, nel caso di α

L’utilizzo delle soluzioni analitiche per delineare i confini delle soluzioni reali

Le soluzioni analitiche per i casi limite (dove α > u) possono essere utilizzate per delineare i confini delle soluzioni reali. Come si può vedere in Fig. 2b, a bassi valori di β, le soluzioni possono essere ristrette a un intervallo relativamente ristretto (circa un ordine di grandezza) tra le due soluzioni analitiche. Questo intervallo aumenta man mano che β aumenta. Fino a β ≈ 10, la soluzione analitica e la soluzione completa (risolta numericamente) mostrano un’eccellente corrispondenza. Tuttavia, il valore di β è probabilmente soggetto a forti variazioni a causa della variazione nei due componenti principali che controllano la respirazione del suolo: la temperatura e l’umidità del suolo.

 

Analisi della sensibilità e proiezioni climatiche nel modello di respirazione eterotrofica del suolo

La respirazione eterotrofica del suolo (HR) è un processo fondamentale per la comprensione del ciclo del carbonio terrestre. In questo articolo, esaminiamo i parametri utilizzati per le simulazioni di percolazione e il nostro modello HR, analizzando la sensibilità del modello e le proiezioni climatiche globali.

Analisi della sensibilità del modello

Simulazioni Monte Carlo

Per valutare la sensibilità del modello, abbiamo condotto delle simulazioni Monte Carlo utilizzando dati giornalieri sulla temperatura e l’umidità del suolo per l’anno 2021. Queste simulazioni hanno campionato casualmente valori dal set di dati giornalieri in ogni cella della griglia per valutare l’incertezza dell’input del modello, derivante dal set di dati mensili utilizzato in questo studio.

Dipendenza latitudinale

I risultati del tasso annuale di respirazione eterotrofica mostrano una chiara dipendenza latitudinale, anche all’interno di 2000 realizzazioni indipendenti. La nuvola solida nella figura rappresenta la distribuzione di tutte le realizzazioni, mentre la linea tratteggiata rossa indica la media. Il modello dimostra robustezza e stabilità, anche in presenza di fluttuazioni giornaliere casuali nei dati, con una deviazione relativamente bassa dalla media.

 

Inizializzazione dei parametri del modello

Per inizializzare i parametri del modello, abbiamo utilizzato un insieme di basi di dati globali grigliate con una risoluzione di 0.25° e un intervallo temporale mensile. I dati provengono da misurazioni di telerilevamento (temperatura superficiale, umidità del suolo, altitudine e texture della superficie) e da interpolazione di osservazioni (carbonio organico disciolto).

Variabili derivate

Basandoci su questi set di dati, per ogni punto della griglia, abbiamo derivato le seguenti variabili: temperatura superficiale, concentrazione di ossigeno atmosferico, concentrazione di ossigeno disciolto, coefficiente di diffusione dell’ossigeno in acqua, dimensione rappresentativa del grano del suolo, area superficiale del suolo, grado di saturazione del suolo, dimensione caratteristica della macchia d’acqua, numero di macchie, tasso massimo di reazione per la cinetica di Michaelis-Menten e concentrazione di carbonio organico disciolto.

Proiezioni climatiche future

Per prevedere il futuro HR del suolo, abbiamo utilizzato proiezioni climatiche di dieci modelli di circolazione globale del Coupled Model Intercomparison Project Phase 6. Abbiamo scelto modelli climatici che minimizzavano la somiglianza genealogica tra di loro e abbiamo derivato due variabili: temperatura superficiale e umidità del suolo nella parte superiore della colonna del suolo. I dati sono stati ottenuti con una risoluzione mensile e di 1° dallo scenario di emissione di gas serra peggiore (SSP5-8.5) che copre il periodo tra il 2015 e il 2100. Il nostro modello è stato quindi utilizzato per calcolare l’HR del suolo per ogni cella della griglia per l’intero periodo.

Cambiamenti potenziali nel carbonio organico disciolto

Per valutare i potenziali cambiamenti nel carbonio organico disciolto (DOC) nel suolo, come stimato da vari modelli di sistemi terrestri, abbiamo applicato vincoli di confine superiore e inferiore per l’aumento o la diminuzione previsti. Abbiamo impostato un vincolo superiore di un aumento del 20% nella concentrazione globale di DOC nei suoli e un limite inferiore di una diminuzione del 5%. Il modello è stato quindi eseguito con un cambiamento lineare fino alla fine del secolo basato sui limiti superiore e inferiore stabiliti. Come si può vedere, anche sotto i limiti superiore e inferiore (che rappresentano gli scenari estremi nella modifica del DOC), il modello suggerisce solo un piccolo cambiamento nella risposta della respirazione eterotrofica. Ciò dimostra l’importanza della disponibilità di DOC per l’HR piuttosto che la sua effettiva concentrazione e, quindi, il ruolo dell’umidità e della temperatura del suolo come fattori principali nel controllare la sua disponibilità per la respirazione dei microorganismi.