Новая модель отслеживает углерод в агроэкосистемах

Подробнее об этом рассказывает Эйприл Вендлинг из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейн в своей статье, опубликованной на портале phys.org.

Новая модель отслеживает углерод в агроэкосистемах

Фото: АГРОXXIАГРОXXI

Видео дня

«Углерод везде. Он находится в атмосфере, в океанах, в почве, в нашей пище и телах. Как основа всех органических молекул, из которых состоит жизнь, углерод является очень точным показателем урожайности сельскохозяйственных культур. А почва — это самый большой резервуар углерода на Земле, выполняющий важную роль в поддержании стабильности климата.

Таким образом, вычислительные модели, отслеживающие углеродный цикл по мере его прохождения через агроэкосистему, обладают огромным неиспользованным потенциалом для продвижения в области точного земледелия, повышения урожайности сельскохозяйственных культур и информирования о методах устойчивого ведения сельского хозяйства.

«Хотя моделирование углеродного цикла в агроэкосистемах проводилось и раньше, наша работа представляет собой наиболее полную интеграцию моделей и наблюдений, а также тщательную проверку, включающую обширные измерения как в полевом, так и в региональном масштабе. И это намного превосходит предыдущие исследования», — говорит Кайю Гуан, доцент кафедры природных ресурсов и наук об окружающей среде Иллинойского университета в Урбане-Шампейн и участник проекта SMARTFARM.

Гуан также является доцентом в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA) и директором-основателем Центра устойчивости агроэкосистем.

Круговорот углерода в агроэкосистемах можно разделить на три основных потока, которые перемещаются к растениям и почве и от них. Углерод попадает в систему через фотосинтез. Часть покидает систему через дыхание растений и почву, в то время как углерод в виде зерна и биомассы удаляется при сборе урожая.

В принципе, сумма этих потоков равна чистому перемещению углерода через систему — и это чистое изменение, особенно за длительные периоды времени, является тем, что способствует изменению органического углерода почвы агроэкосистемы.

Органический углерод почвы (SOC) — именно то, на что это похоже: углерод в форме органических молекул в почве. И чем больше SOC-месторождение, тем оно продуктивнее. Однако на пахотных землях Среднего Запада США около 30-50% SOC было потеряно с момента начала их возделывания. Эта потеря SOC может увеличить риск снижения урожайности сельскохозяйственных культур, особенно в будущих климатических условиях.

Члены команды Гуана в проекте SMARTFARM использовали продвинутую модель агроэкосистемы под названием ecosys — они содержит самые сложные механизмы для моделирования циклических потоков энергии, воды, углерода и питательных веществ в агроэкосистеме.

Эта модель была первоначально разработана профессором моделирования экосистем Робертом Грантом из Университета Альберты. В течение последних нескольких лет команда Гуана прилагала постоянные усилия к созданию решения, которое еще больше загрузит модель экосистемы массивными данными наблюдений.

Исследователи применили инновационный подход «слияния модели и данных», объединяющий расширенное моделирование с данными наблюдений. Такой подход позволил им проверить результаты моделирования, ограничить неопределенные параметры модели и гарантировать, что модель имитирует процессы, управляющие углеродным циклом на всех этапах.

Было использовано несколько типов наборов данных, в том числе, данные американского МСХ по урожайности, которые предоставляют собранный углерод, и новые спутниковые данные, обеспечивающие наблюдения за фотосинтезом.

«Кроме того, мы взяли подробные данные о выделении углерода, измеренные за 10 лет, — сказал ведущий автор Ван Чжоу. — Это данные, которые говорят вам, где растение распределяет углерод, полученный при фотосинтезе — сколько попадает в стебель, сколько в корни, сколько в листья».

«И действительно делает наше решение для моделирования захватывающим то, что мы используем самые передовые спутниковые наблюдения и демонстрируем, что это может обеспечить высочайшую эффективность при оценке различных углеродных компонентов», добавил Гуан.

В начале этого года Гуань и научный сотрудник Чонья Цзян разработали алгоритм для оценки фотосинтеза по спутниковым данным. Эти доступные данные о фотосинтезе на всех кукурузных и соевых полях на Среднем Западе США также использовались для проверки созданной модели, чтобы гарантировать – она может точно воспроизвести наблюдаемый фотосинтез со спутника и урожайность сельскохозяйственных культур, сообщенную Министерством сельского хозяйства США, а также их реакцию на изменчивость окружающей среды.

«Интеграция спутниковых наблюдений с технологической моделью, такой как ecosys, является ключом к обеспечению точности нашего решения и, что более важно, возможности использования нашего решения для моделирования в новом месте, таком как Южная Америка или Африка», отметили авторы.

Проект SMARTFARM финансируется Министерством энергетики США и направлен на внедрение новой технологии для количественной оценки квот на выбросы углерода для сельскохозяйственных угодий США.

Команда стремится использовать метод слияния разработанных моделей и данных в качестве основы для точной количественной оценки углеродного кредита и квоты в любом масштабе, а также для поддержки разумного управления в масштабах фермы. Посредством точного земледелия они надеются помочь фермерам не только максимизировать урожай, но и лучше сохранить свою землю и содержание в ней SOC».

(Источник: phys.org).

Источник: news.rambler.ru



Добавить комментарий