Во влажных, грязных местах, где реки и земли Америки впадают в море, ученые из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики находят подсказки, которые помогут лучше понять, как эти жизненно важные ландшафты развиваются в условиях изменения климата.

Около 40% населения страны проживает в прибрежных округах. Побережья являются стержнем экономики: здесь расположены национальные порты, ключевая энергетическая инфраструктура, центры рыболовства и туризма, а годовой объем производства товаров и услуг составляет 10 триллионов долларов.

Прибрежные водно-болотные угодья служат эффективным барьером для поглощения последствий наводнений и защиты от материального ущерба. Однако сильные штормы, хроническое повышение уровня моря и развитие инфраструктуры, а также другие факторы стресса создают уникальные проблемы для прибрежных экосистем.

Исследователи ORNL собирают и анализируют данные о том, как вода, почвы, растения и микробы взаимодействуют и влияют на круговорот углерода и питательных веществ в этих средах.

Они собирают образцы в таких разнообразных биомах, как прибрежные болота Луизианы, мангровые болота Техаса и прибрежные водно-болотные угодья Чесапикского залива и озера Эри. Их цель — улучшить ведущее в стране моделирование системы Земли, которое поможет лицам, принимающим решения, подготовиться к будущему.

Элизабет Херндон, старший научный сотрудник отдела наук об окружающей среде ORNL, возглавляет проект, изучающий, как колебания уровня воды вдоль береговой линии Луизианы приводят к изменениям в биогеохимических процессах или естественных циклах жизни, земли и химии в окружающей среде.

В исследовании участвуют два участка: на одном из них дельта активно растет после того, как часть реки была перенаправлена ​​для уменьшения наводнений в городах. На другом участке земля погружается под воду из-за прекращения поступления наносов, а почвы все больше затопляются и подвергаются засолению (где накапливаются растворимые соли) из-за повышения уровня моря.

Исследование является частью проекта Herndon’s DOE Early Career Award, посвященного тому, как наводнения пресной и морской водой влияют на взаимодействие между питательным фосфатом и элементами железом и марганцем в прибрежных экосистемах. Полученные результаты улучшат возможности прогнозного моделирования.

Херндон, геохимик-эколог, работает с коллегами над измерением и сбором данных о воде и почве на этих участках. Они стремятся проанализировать, как наводнения и дренаж влияют на условия окружающей среды, включая уровень pH, влажность почвы и, что наиболее важно, окислительно-восстановительные процессы в системе или окислительно-восстановительные реакции, которые управляют химическими преобразованиями в экосистеме.

Помимо ручного отбора проб, ученые установили датчики окружающей среды для сбора данных практически в реальном времени.

«Наша цель — получить представление о составе почвы и воды, что может указать нам на важные процессы, происходящие на этих участках по мере развития экосистемы», — сказал Херндон.

Понимая, как эти биогеохимические процессы изменяются в пространстве и времени, ученые могут точно определить, как система справляется с такими изменениями, как приток фосфора из реки Миссисипи. Фосфор является основным питательным веществом для растений и микробов, и его много в районах, которые изучает Херндон, из-за удобрений и промышленных стоков.

Сохраняется ли фосфор в прибрежных почвах или выбрасывается в море, это может влиять на такие явления, как цветение водорослей и мертвые зоны в Мексиканском заливе. То, как питательные вещества циркулируют в экосистеме, во многом определяется окислительно-восстановительной изменчивостью — балансом восстановления или получения электронов и окисления или потери электронов между различными веществами.

Например, когда почва насыщена, электроны от разлагающегося органического вещества передаются оксидам железа вместо газообразного кислорода, вызывая растворение минералов и высвобождение связанного фосфата. Дренаж почвы вновь вводит газообразный кислород, который вступает в реакцию с растворенным железом, образуя оксиды железа и улавливая фосфаты.

Эта изменчивость влияет на доступность питательных веществ и энергии для организмов, что может повлиять на рост и выживание. По словам Херндона, изменчивость окислительно-восстановительного потенциала недостаточно представлена ​​в моделях земельных систем.

«Мы генерируем новые знания об этих системах, хотя в настоящее время у нас нет глубокого геохимического понимания того, что движет некоторыми потоками углерода и другими экосистемными процессами», — сказал Херндон.

«Мы изучаем то, что происходит в почве и может влиять на растительные сообщества или потоки парниковых газов из системы». Работая с коллегами над моделированием, ученые используют эти наблюдения и измерения для разработки моделей.

Добавление недостающей части в симуляции размером с Землю

Тери О’Мира, ученый-эколог из ORNL, работающий совместно со Смитсоновским центром экологических исследований, сотрудничает в нескольких проектах, чтобы лучше понять связи между динамикой растительности и биогеохимическим циклом в ответ на антропогенные изменения в прибрежных экосистемах.

В большом проекте Министерства энергетики США с участием нескольких лабораторий под названием «Наблюдения за прибрежными зонами, механизмы и прогнозы в различных системах и масштабах» или «КОМПАС» О’Мира сотрудничает с разработчиками моделей и учеными-полевыми специалистами в качестве соруководителя темы, анализируя, как такие факторы, как наводнения, влияют на прибрежные районы.

В одном эксперименте COMPASS ученые моделируют окружающую среду в Мэриленде, в которой лесные участки периодически затопляются пресной или соленой водой, чтобы имитировать штормовые явления и понять круговорот углерода и выживание деревьев и растений в прибрежных экосистемах.

О’Мира также работает со Смитсоновским центром экологических исследований и партнерами Министерства энергетики над экспериментом по реакции аккреции Соленого марша на температуру или проектом SMARTX, экспериментом по активному потеплению всей экосистемы в Чесапикском заливе, посвященным изучению влияния потепления на углерод. езда на велосипеде.

В ходе проекта было обнаружено, что выбросы метана в прибрежных водно-болотных угодьях значительно увеличиваются с потеплением, что обусловлено как биогеохимическими механизмами, так и механизмами свойств растений. В другом проекте Смитсоновского института и Министерства энергетики, «Взаимосвязь выбросов парниковых газов» или GENX, ученые используют автоматизированные метановые камеры для количественной оценки скорости путей разложения, которые регулируют выбросы метана в различных временных масштабах.

«До проектов прибрежной экологии, над которыми мы сотрудничаем, в наших моделях поверхности суши было очень мало подробностей о латеральном переносе воды и осадков. Таким образом, береговая линия была неадекватно описана в наших симуляциях системы Земли», — сказал О’Мира.

«Мы хотим понять потенциал улавливания и хранения углерода в этих экосистемах и то, как он может меняться с течением времени. Например, растения могут улавливать осадки, что затем меняет высоту земли и, в свою очередь, изменяет биогеохимию недр.

«(Береговые линии) являются одной из наиболее пострадавших экосистем», — добавила она.

«Нам нужны услуги, которые они предоставляют, но они также испытывают давление из-за развития суши и экологического стресса со стороны океанов. Существуют дноуглубительные работы и другие меры, которые могут изменить поступление наносов. Есть повышение уровня моря и изменения температуры, которые влияют растительность, которая стабилизирует систему. Все эти вещи происходят одновременно, и невозможно все измерить».

«Итак, если мы сможем понять основные процессы, происходящие в экосистеме, мы сможем поместить это в модель и заставить эти процессы взаимодействовать друг с другом, чтобы проанализировать их влияние на выживание побережья и то, что мы потенциально можем сделать, чтобы повысить устойчивость к изменениям», — сказал О’Мира.

Масштабирование мельчайшего элемента для глобального воздействия

Данные, собранные в рамках этих проектов в различных масштабах, от микробной жизни в почве до крупномасштабных реакций экосистем, необходимы для лучшего понимания и моделирования наземных процессов в масштабе Земли.

Именно здесь в дело вступает ученый ORNL Бенджамин Салман. Он использует набор биогеохимических и других моделей для масштабирования этих процессов и интеграции их в модель суши более крупной модели энергетической экзамасштабной системы Земли Министерства энергетики США, или E3SM. E3SM — это важная возможность понять и предсказать, как Земля изменится в ближайшие годы в условиях потепления климата.

Работа Сулмана по интеграции процессов прибрежных водно-болотных угодий в земельную модель E3SM является предметом его собственной премии Министерства энергетики США за раннюю карьеру, основанной на его опыте моделирования биогеохимических циклов и взаимодействий растений и почвы.

Он возглавляет усилия по объединению моделирования окислительно-восстановительной химии, приливной гидрологии и функциональных типов растений прибрежных водно-болотных угодий, таких как солончаковые травы и мангровые заросли, с моделированием наземных моделей в экосистемах и континентальных масштабах.

«Что делает эти экосистемы такими интересными, так это то, что они находятся на стыке суши и воды, а также между пресной и соленой водой», — сказал Сулман.

«Из-за этого они очень динамичны по сравнению с другими системами, которые мы могли бы изучить. Мы можем каждый час видеть большие изменения в гидрологии и биогеохимии прибрежной системы. Вот почему они являются такими горячими точками для биогеохимического круговорота».

Прибрежные районы могут хранить много углерода, поскольку здесь расположены быстрорастущие растения, в результате чего органические вещества захораниваются в отложениях, но они также могут выделять много парниковых газов, таких как метан и закись азота, которые образуются в затопленных почвах, добавил Сулман.

Приливные колебания могут привести к попаданию в систему соленой или пресной воды, поэтому на этих границах могут наблюдаться огромные изменчивости. Ученые обнаружили, что когда экосистемы более подвержены влиянию соли, сульфатный цикл имеет тенденцию подавлять другие циклы элементов, и это способствует производству парниковых газов, сказал Сулман.

Латеральный перенос воды, питательных веществ и углерода через водно-болотные ландшафты может быть важным средством контроля прибрежного баланса углерода и питательных веществ, и ORNL использует Advanced Terrestrial Simulator (ATS) для представления этого элемента.

Разработанная ORNL и другими национальными лабораториями, ATS представляет собой сложную модель поверхностного и подземного потока и переноса, позволяющую лучше моделировать роль латерального обмена в прибрежных системах. Соединение ATS с моделью суши E3SM позволяет решить взаимодействие между растениями, водными потоками и биогеохимией недр, чтобы ответить на вопросы, которые невозможно решить с помощью более простых моделей, сказал Сулман.

«Масштабы прибрежных изменений можно увидеть по некоторым полевым работам, которые сегодня проводят сотрудники ORNL», — сказал он. «Бет [Herndon] работает на острове в дельте Миссисипи, которого не существовало 50 лет назад», поскольку земля меняется. «И если вы посмотрите на карты прогнозируемого повышения уровня моря, вдоль побережья есть много областей, которых могло бы не существовать 20 через 30 лет».

По словам Салмана, представляя эти сложные прибрежные процессы, вы получаете улучшенное представление углеродного баланса в модели суши E3SM.

Сулман, О’Мира и их коллеги недавно достигли важной вехи, когда они успешно интегрировали окислительно-восстановительные реакции и другие ключевые процессы прибрежных экосистем с помощью биогеохимической модели под названием PFLOTRAN, как подробно описано вЖурнал геофизических исследований: биогеонауки. Затем они продемонстрировали, как прибрежные процессы могут быть связаны с моделью суши E3SM, как подробно описано в Журнал достижений в моделировании систем Земли.

Улучшение моделей за счет более частых наблюдений

По словам Сулмана, ученые интегрировали сложные биогеохимические процессы в модель Земли, моделируя взаимодействие между круговоротом серы, железа и углерода и то, как они реагируют на соленость.

Исследователи также построили фотосинтетическую реакцию растений на засоление. Включив…