Les solutions climatiques naturelles (NCS) offrent une opportunité prometteuse de nous rapprocher de nos objectifs de zéro émission nette en éliminant le dioxyde de carbone de l’atmosphère et en le stockant dans la biomasse végétale et le sol. La croissance des matières premières bioénergétiques présente un grand potentiel à cet égard, car ces graminées génèrent du carbone dans le sol et ont le potentiel d'être utilisées pour produire des biocarburants et des bioproduits neutres en carbone.

Au cours des 40 dernières années, les modèles biogéochimiques ont constitué un outil crucial que les chercheurs utilisent pour comprendre comment le climat, les perturbations écologiques et la gestion des terres affectent le carbone et d’autres flux dans un écosystème. En raison de leur succès, les modèles biogéochimiques gagnent du terrain en tant qu’outils importants pour évaluer l’efficacité des NCS. Ces modèles peuvent être utilisés pour éclairer les décisions de gestion et politiques.

L'un de ces modèles, appelé DayCent, simule les flux quotidiens de carbone, d'azote et d'eau entre l'atmosphère, la végétation et le sol. Cependant, projeter le potentiel des grandes cultures bioénergétiques pérennes en tant que NCS était un défi en raison de deux limitations des versions précédentes du modèle DayCent. Comme de nombreux modèles d’écosystèmes, DayCent n’a pas explicitement modélisé les microbes du sol ni le rôle qu’ils jouent en tant que moteurs du cycle du carbone du sol. De plus, les grandes graminées vivaces comme le miscanthus et le panic raide présentent des traits physiologiques distincts qui ne sont pas pris en compte dans de nombreux cadres de modèles.

Pour remédier à ce problème, une équipe de recherche du CABBI dans le thème Durabilité a développé DayCent-CABBI, un modèle qui intègre les microbes du sol et les traits physiologiques distincts des grandes graminées vivaces dans DayCent.

Dans un nouvel article publié dans Geoderma , les chercheurs discutent du développement et de la validation de DayCent-CABBI et mettent son pouvoir prédictif à l'épreuve.

"L'ajout de nouveaux composants végétaux et microbiens au modèle DayCent-CABBI améliore sa représentation de la dynamique de l'écosystème", a déclaré Melannie Hartman, auteur principal de l'étude et associée de recherche principale à la Colorado State University. "Ces avancées améliorent la capacité du modèle à évaluer la durabilité de la culture de différents types de cultures bioénergétiques."

Les microbes présents dans le sol contribuent à un stockage et à des flux importants de carbone, c'est pourquoi l'équipe de recherche a mis à jour DayCent pour inclure un pool de biomasse microbienne vivante. Cette fonctionnalité régule la libération de dioxyde de carbone dans l’atmosphère en fonction de la taille de la piscine. Ils ont également ajouté un pool de biomasse microbienne morte qui permet une représentation plus réaliste du flux de carbone d'un pool à un autre, ce qui permettra de mieux simuler le stockage du carbone dans le sol.

"Il est important d'inclure les microbes dans le modèle car, par exemple, le carbone de la biomasse microbienne morte est plus susceptible d'être retenu dans le système du sol pendant des décennies, voire des millénaires, s'il est fortement lié aux surfaces minérales du sol", a déclaré Danielle Berardi, auteur principal. et récent diplômé d'un doctorat en écologie. de l'Université de l'Idaho.

« La capacité maximale de ce type de carbone du sol dans un système donné est basée sur la texture du sol, qui détermine la surface disponible pour que le carbone puisse se lier. Nous avons amélioré la façon dont la matière organique associée aux minéraux est représentée dans DayCent, ce qui est crucial. pour la modélisation de réservoirs mesurables de matière organique du sol."

L’autre changement important apporté par l’équipe s’est concentré sur une modélisation plus précise de différentes parties des plantes vivaces. Les modèles traditionnels regroupent les feuilles et les tiges en tant que « composants végétaux aériens ». Diviser ces parties de plantes et les modéliser séparément permet à DayCent-CABBI de simuler plus précisément la teneur en carbone, en azote et en lignine de chacune, améliorant ainsi la façon dont la croissance des plantes est simulée et fournissant une chimie de la litière plus réaliste et des options de récolte plus polyvalentes avec des implications pour cycle du carbone et de l'azote du sol.

De plus, l’équipe a ajouté un composant rhizome au modèle. Les rhizomes sont des racines vivaces peu profondes qui stockent les glucides et l’azote pendant la saison de dormance, lorsque les parties aériennes des plantes sont fanées. Étant donné que les systèmes racinaires des cultures bioénergétiques comme le miscanthus ne sont pas adaptés aux hivers rigoureux auxquels ils peuvent être confrontés dans le centre des États-Unis, les chercheurs ont ajouté un seuil de température pour les rhizomes :une fois que les températures baissent suffisamment, le modèle simule les dommages causés aux rhizomes.

Avec ces modifications, les chercheurs ont mis DayCent-CABBI à l'épreuve en simulant le panic raide et le miscanthus à la ferme énergétique de l'Université de l'Illinois de 2008 à 2049. Le modèle a été calibré et évalué à l'aide de données de terrain de 2008 à 2019.

Par rapport aux données historiques, la version du modèle avec le nouveau modèle de sol microbien explicite présentait un meilleur accord entre les données du modèle et les flux de carbone quotidiens de l'écosystème, en particulier au printemps, ce qui indique que cette modification améliore effectivement la capacité de DayCent à évaluer avec précision le potentiel. de graminées vivaces comme NCS.

Dans le cadre des simulations futures (2020-2049), la version de DayCent utilisant le modèle de sol précédent simulait une augmentation continue du carbone du sol dans le futur pour les deux cultures, tandis que la nouvelle version simulait un éventuel plateau de carbone du sol avant 2049. Ce plateau représente les résultats des chercheurs. meilleure compréhension des futurs flux de carbone du sol et de la stabilisation du miscanthus et du panic raide.

"Ces avancées indispensables en matière de modélisation profitent non seulement au CABBI, mais également à l'ensemble de la communauté des chercheurs et des parties prenantes qui souhaitent estimer l'intensité carbone de la culture de graminées vivaces à haut rendement pour la production de biocarburants et de bioproduits", a déclaré la co-auteure Wendy Yang, responsable du développement durable du CABBI. Responsable du thème et professeur de biologie végétale à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.