Les modèles actuels du cycle du carbone peuvent sous-estimer la quantité de dioxyde de carbone libérée du sol pendant les saisons des pluies dans les forêts tempérées comme celles du nord-est des États-Unis, selon les chercheurs de Penn State.

Les racines des arbres et les microbes utilisent l'oxygène pour convertir le carbone organique du sol en dioxyde de carbone (CO 2 ) pour l'énergie à travers un processus appelé respiration aérobie. Cette libération de CO 2 des sols à l'atmosphère représente le plus grand flux de carbone des écosystèmes terrestres, ce qui en fait un élément clé du budget carbone mondial. La respiration aérobie est le processus dominant contribuant à ce flux, mais les chercheurs ont découvert que dans des conditions humides, la respiration anaérobie - ou respiration sans oxygène - contribue également de manière significative au flux.

« Dans les modèles actuels, les quantités de dioxyde de carbone et d'oxygène sont contrôlées par la consommation d'oxygène et la production de dioxyde de carbone par respiration aérobie, " a déclaré Caitlin Hodges, doctorant au Département des sciences et de la gestion des écosystèmes. "C'est généralement une relation un à un de consommation et de production. Mais nous avons constaté que, surtout en été, il y avait un signal significatif de respiration anaérobie causée par les racines ayant une demande plus élevée en oxygène et supplantant les microbes. Les microbes doivent alors passer à la respiration anaérobie. »

Une référence pour interpréter les processus du sol affectés par le dioxyde de carbone et l'oxygène du sol est de calculer le quotient respiratoire apparent (ARQ), qui combine les concentrations de dioxyde de carbone et d'oxygène en une seule valeur.

"Si ARQ est égal à un, cela signifie que la respiration aérobie est le processus de contrôle, " a déclaré Hodges. " S'il y a un écart significatif par rapport à un, Ensuite, cela nous dit que quelque chose d'autre est de contrôler les concentrations de gaz dans le sol. »

Les scientifiques ont étudié la respiration du sol dans un bassin versant de schiste et un bassin versant de grès dans le Susquehanna Shale Hills Critical Zone Observatory, financé par la National Science Foundation. Ils ont mesuré les niveaux de dioxyde de carbone et d'oxygène du sol à environ huit et 16 pouces sous terre et juste au-dessus de la couche rocheuse où se termine le sol.

"Caitlin a interprété le gaz prélevé dans le sol un peu comme un policier interprète l'alcootest d'un conducteur ivre, " a déclaré Susan Brantley, éminent professeur de géosciences et directeur du Earth and Environmental Systems Institute (EESI) à Penn State. "La chimie du gaz coincé dans le sol donne une image de ce que font les bactéries."

L'équipe a découvert que l'ARQ signalait parfois une respiration anaérobie importante des microbes. Pendant la respiration anaérobie, les microbes sont passés de l'utilisation de l'oxygène aux métaux oxydés, comme le fer et le manganèse, Pour la croissance.

"Quand on voit de gros chiffres dans l'ARQ, cela signifie que nous avons plus de dioxyde de carbone que les niveaux d'oxygène ne le suggèrent, " a déclaré Jason Kaye, professeur de biogéochimie des sols. « Comment cela peut-il arriver ? Cela peut arriver parce que le CO 2 est produit sans consommation d'oxygène, et c'est exactement ce qu'est un processus anaérobie. C'est ce que signifient ces grands nombres. Vous voyez plus de dioxyde de carbone que ce que vous attendez de la respiration aérobie."

Les recherches de l'équipe de Penn State, signalé dans le Journal de la Soil Science Society of America , est le premier à utiliser ARQ pour trouver des preuves d'un modèle saisonnier de respiration anaérobie dans les forêts tempérées.

Les chercheurs ont également calculé la quantité totale de dioxyde de carbone (36 grammes par mètre carré) qui quitte le système du sol chaque année en raison de la respiration anaérobie. Ils ont déclaré que l'estimation prudente constitue 10% de toute la respiration effectuée par les microbes du sol sur leurs sites de recherche, ce qui est un nombre important car les scientifiques ne pensent pas que ces forêts tempérées humides affichent une respiration anaérobie importante.

"On s'attend à ce que le nord-est des États-Unis connaisse une augmentation des précipitations avec le changement climatique, " a déclaré Hodges. " Nous nous attendons à ce que cette respiration anaérobie devienne un processus plus dominant dans ces systèmes forestiers, et nos modèles de carbone du sol n'en tiennent pas encore compte."

Brantley a déclaré que de nouvelles approches telles que l'échantillonnage des gaz du sol sont nécessaires pour comprendre comment les sols réagiront au changement climatique.