地球土壤中儲存的碳比大氣中多得多。這種土壤碳的很大一部分是有機(jī)形式(碳與碳結(jié)合)，稱為土壤有機(jī)碳(SOC)。值得注意的是，與土壤中的無機(jī)碳不同，SOC 的數(shù)量以及其形成或消失的速度會受到人類的影響。自大約 10,000 年前出現(xiàn)以來，農(nóng)業(yè)已導(dǎo)致大量 SOC 作為二氧化碳釋放到大氣中，從而導(dǎo)致氣候變化。

因此，量化農(nóng)田中 SOC 的數(shù)量對于監(jiān)測碳循環(huán)和制定可持續(xù)管理實踐至關(guān)重要，這些實踐可以最大限度地減少碳排放并將碳從大氣中隔離到土壤中，以減少或扭轉(zhuǎn)農(nóng)業(yè)對氣候的影響。

“準(zhǔn)確有效的 SOC 估算至關(guān)重要，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性中心 (ASC) 和自然資源與環(huán)境科學(xué)系 (NRES) 的研究科學(xué)家 Eric Potash 說。“需要估算 SOC 以實施將氣候變化最小化的政策。研究人員需要估算 SOC 以制定可持續(xù)的管理實踐。農(nóng)民需要估算 SOC 才能參與新興的碳信用市場。”

量化 SOC 的傳統(tǒng)且最可靠的方法是通過土壤采樣，在實驗室進(jìn)行分析(“濕化學(xué)”測量)。但是應(yīng)該對現(xiàn)場的哪些位置進(jìn)行采樣?準(zhǔn)確估計應(yīng)該取多少樣本?每個額外的土壤核心都會增加大量的勞動力和費(fèi)用——如何優(yōu)化采樣的不確定性可能會導(dǎo)致大量的額外成本。

在能源部 (DOE) SMARTFARM 項目的新出版物中，Potash 和其他 SMARTFARM 研究人員評估了估算 SOC 的策略。他們的目標(biāo)是開發(fā)一種估算策略，以最大限度地提高準(zhǔn)確性，同時最大限度地減少采樣的土壤芯數(shù)。

SMARTFARM 項目是由 NRES 關(guān)凱宇的合著者和 Blue Waters 教授領(lǐng)導(dǎo)并由能源部高級研究計劃署能源 (ARPA-E) 資助的項目，致力于開發(fā)一種精確的解決方案來測量和量化溫室氣體排放和作物生產(chǎn)過程中 SOC 的變化。

“我們的目標(biāo)是收集黃金標(biāo)準(zhǔn)的地面實況數(shù)據(jù)，并開發(fā)新技術(shù)來量化生物能源作物的田間碳排放量，提高產(chǎn)量并改善環(huán)境可持續(xù)性，”ASC 創(chuàng)始董事關(guān)說。

這項工作是通過前所未有的數(shù)據(jù)收集工作實現(xiàn)的。

“我們在一個 SMARTFARM 站點(diǎn)以每英畝 3 個樣本收集了 225 個土壤樣本。使用 Giddings 探針收集了 1 米深的樣本。這種密集采樣水平以前從未做過，”共同作者 DoKyoung 說Lee，作物科學(xué)教授，SMARTFARM 項目的聯(lián)合 PI，也是 ASC 的創(chuàng)始教員。

在這項工作中，研究人員通過評估估算 SOC 所涉及的兩個步驟來解決這個問題：(1)決定在田地中的何處采集土壤樣本;(2) 確定用于計算估計值的統(tǒng)計規(guī)則(稱為估計器)。通過使用伊利諾伊州中部的一個商業(yè)田地，該田地已被密集抽樣以測量 SOC，可以評估各種策略在該田地估計 SOC 的性能。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在典型的中西部農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，他們可以利用公開的土壤調(diào)查和衛(wèi)星圖像來有效地選擇樣本位置。與隨機(jī)選擇采樣位置相比，這應(yīng)該將實現(xiàn)給定 SOC 量化準(zhǔn)確度所需的樣本數(shù)量減少約 28%。

“對于監(jiān)測 SOC 庫存的研究人員和機(jī)構(gòu)，這項研究提供了一種提高準(zhǔn)確性的策略，支持采樣方法的成本優(yōu)化，”共同作者、作物科學(xué)助理教授兼 ASC 副主任 Andrew Margenot 說。

“未來的研究可以將這些發(fā)現(xiàn)作為比較新的 SOC 庫存估計策略的基準(zhǔn)，并作為如何評估這些策略的演示，”Potash 說。

該研究團(tuán)隊目前正在從更多領(lǐng)域收集數(shù)據(jù)，以測試概括他們的發(fā)現(xiàn)的能力，并進(jìn)一步改進(jìn) SOC 估計策略。團(tuán)隊成員還在開發(fā)一種軟??件工具，以使農(nóng)民和研究人員可以使用他們改進(jìn)的采樣方法。

該研究發(fā)表在Geoderma上。