Les chercheurs du DOE et de l'USDA utilisent de nouveaux modèles mondiaux pour étudier comment les contrôleurs environnementaux affectent le carbone organique du sol, des changements qui peuvent modifier les concentrations de carbone atmosphérique et affecter le climat. Les prévisions pourraient profiter aux plans d'atténuation de l'industrie.

La nature offre une myriade de façons de surveiller sa santé. L'un des indicateurs les plus efficaces est l'état du carbone organique de son sol, ou la concentration de carbone dans la fraction organique du sol constituée de végétaux en décomposition ou de produits animaux. Un petit changement dans les niveaux de carbone peut considérablement modifier les concentrations de carbone atmosphérique et affecter le climat.

"Le carbone organique du sol est important à étudier car c'est la propriété du sol qui fournit de nombreux services écosystémiques à l'humanité, comme la désactivation des polluants, préserver la biodiversité, conservation et purification de l'eau, augmenter la fertilité des sols, et atténuer les impacts du changement climatique, " dit Umakant Mishra, un scientifique géospatial au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

Une collaboration entre le département américain de l'Agriculture et plusieurs laboratoires nationaux du DOE, dont Argonne, s'attacher à prédire et modéliser l'effet des contrôleurs environnementaux, ou facteurs de formation du sol—climat, organismes, topographie, matériau parent et temps-sur le carbone organique du sol à différentes échelles spatiales à travers les États-Unis continentaux.

Les résultats de l'étude du carbone organique du sol visent à réduire l'incertitude dans la prévision des rétroactions climatiques mondiales du carbone et des changements climatiques associés. Ils pourraient également fournir plus de certitude quant à l'impact des futurs extrêmes climatiques sur les activités de nombreuses industries, des industries de l'agriculture et de l'assurance-récolte aux industries de conservation des ressources naturelles.

Des chercheurs, pour la première fois, ont été en mesure de générer des algorithmes de mise à l'échelle pour tenir compte d'une région géographique aussi vaste en utilisant un grand nombre d'observations de terrain récemment disponibles, un grand nombre de facteurs environnementaux et un algorithme d'apprentissage automatique - une méthode d'intelligence artificielle qui apprend à partir de données spécifiques pour améliorer progressivement les prédictions de nouvelles, données similaires.

Dans ce cas, l'échelle fait référence à la zone sur laquelle les propriétés du carbone organique du sol sont supposées être similaires, et la mise à l'échelle prend les informations collectées à partir d'une échelle spatiale et les applique à une autre. Avec la région décomposée en un motif de cellules de grille, l'échelle spatiale utilisée dans cette recherche allait d'une résolution plus fine de 100 m à un parcours plus long de 50 km entre les centres de la grille.

"La teneur en carbone organique du sol diffère selon les lieux d'échantillonnage, c'est pourquoi nous devons échantillonner à des emplacements représentatifs si nous avons l'intention de capturer l'hétérogénéité spatiale des propriétés du sol dans la zone d'étude, " dit Mishra.

Les algorithmes de mise à l'échelle que lui et ses collaborateurs ont créés dans le cadre de la recherche sont importants pour les modèles du système terrestre, comme le modèle du système terrestre Energy Exascale du DOE, en plus de prévoir plus précisément les changements climatiques.

Mise à l'échelle, Mishra a noté, est une question qui a traditionnellement été ignorée dans les sciences biogéochimiques/naturelles, où l'on croyait que les propriétés ou les processus associés à une échelle spatiale peuvent être appliqués à des échelles plus petites ou plus grandes. En réalité, Cependant, ce n'est pas le cas.

Modèles actuels du système Terre, qui sont utilisées pour prédire les futures rétroactions climatiques mondiales du carbone et les changements climatiques associés, fonctionnent à des échelles spatiales grossières (50-100 km) et sont actuellement incapables de représenter les contrôleurs environnementaux et leur effet sur le carbone organique du sol d'une manière cohérente avec les observations sur le terrain.

"Le contrôle des facteurs environnementaux sur le carbone organique du sol n'est pas cohérent avec les observations dans les modèles actuels de surface terrestre, " a-t-il ajouté. " Nous pensons que les fonctions de mise à l'échelle que nous avons développées dans cette recherche, qui sont tirés de nombreux échantillons à travers une vaste zone géographique, peut améliorer la représentation spatiale du carbone organique du sol à la surface des terres dans les modèles du système terrestre. »

Parmi les résultats des récents travaux de l'équipe, les modèles ont montré que les attributs topographiques et du sol étaient des contrôleurs importants du carbone organique du sol à des échelles plus fines. À l'extrémité la plus grossière de l'échelle, les facteurs climatiques et d'utilisation des terres ont servi de contrôleurs importants.

Un article sur l'étude, "Importance et force des contrôleurs environnementaux des changements de carbone organique du sol avec l'échelle, " apparaît dans le 1er octobre 2020, problème de Géodermie (publié en ligne, 23 juin 2020).