科学家发现铁循环是永久冻土温室气体排放的关键

橡树岭国家实验室的科学家发现，元素铁与北极土壤中大量储存的碳之间的相互作用是解冻过程中温室气体排放的关键，应该包含在用于预测地球气候的模型中。

研究人员着手探索和模拟北极永久冻土因全球变暖而融化时发生的化学反应。据国家海洋和大气管理局称，北部永久冻土土壤估计含有 14,600 亿至 16,000 亿公吨有机碳，大约是大气中有机碳的两倍。

土壤中的化学过程控制有机物如何分解和储存在土壤中，以及它在释放到大气中时是否转化为二氧化碳或更强大的温室气体甲烷。

ORNL 建模师兼首席研究员本杰明·苏尔曼 (Benjamin Sulman) 表示，北极土壤通常富含有机物，而且铁含量通常很高，在该地区被淹没的土壤中经常可以看到生锈的沉积物。但是当前的地球系统模型在预测永久冻土融化的气候变暖潜力时没有考虑铁循环。

ORNL 创建的一个新的化学反应模型结合了铁、碳和氧的浓度以及土壤酸度表明，铁循环会对反复淹没的北极土壤中是否产生二氧化碳或甲烷产生深远影响，如地球物理研究杂志所述：生物地球科学。铁可以被土壤微生物用作在涝渍条件下的氧气替代品，它使用通常被认为与甲烷生产竞争的策略产生二氧化碳。

“传统观点认为，如果土壤中有更多的铁，它应该会减少产生的甲烷量，”苏尔曼说。“但我们发现这不一定是真的。在适当的条件下，我们看到了一种协同相互作用，铁循环改变了土壤的酸度，这也使其更有利于甲烷的产生。”

洪水、土壤干燥会影响排放

科学家们发现，土壤的反复淹没和干燥可能是永久冻土温室气体排放的一个关键驱动因素，因为它可以补充因洪水而逐渐耗尽的铁。

这些模型基于从阿拉斯加永久冻土中收集的土壤孵化实验中收集的数据，这些土壤是北极下一代生态系统实验或 NGEE 北极的一部分。Sulman 说，这些实验的结果突出了铁循环的重要性，并导致了建模工作，即所谓的 ModEx 范例。

多边形土地在阿拉斯加乌特恰维克附近的巴罗环境观测站很典型。ORNL 科学家正在探索铁循环对这些水文动态土地在永久冻土融化时排放温室气体的重要性。图片来源：David Graham/ORNL，能源部

ModEx，或模型实验方法，将来自实验的观察和测量与相同过程的计算机模型集成在一个持续的对话中，为模型的改进和实验的设计和解释提供信息。这个循环确保模型反映关键系统的最新发现，而模拟反过来识别知识差距并指导未来的实验。

ORNL 的 Elizabeth Herndon 说：“通常情况下，土壤研究侧重于干燥或潮湿条件，但不会同时关注两者，”她在北极的土壤和水采样工作为该项目提供了数据。“现实情况是土壤饱和度会波动很大。你会遇到降雨事件，这会导致缺氧条件，微生物基本上是在呼吸铁来驱动它们的新陈代谢。但当土壤干燥时，氧气会重新引入。在在这篇论文中，我们想探索当你遇到这些差异很大的情况时会发生什么。”

该项目面临的挑战是转向一个不仅仅基于碳循环的模型。“你基本上提高了你需要多少数据来确保模型为你提供有用的预测的标准，”苏尔曼说。“这就是从北极土壤的实验室孵化中获得这些丰富的测量结果对于生成有关铁循环和土壤酸度如何随时间变化的数据非常重要的地方。”

用 ModEx 方法推进科学

“从实验主义者的角度来看，与建模者进行讨论并决定如何量化某些过程有助于我思考如何构建我们的实验以获得我们需要的信息，”赫恩登说。她向建模者强调了在模拟中表示特定过程的重要性，包括氧化铁矿物的存在和环境波动，这些可能会引发生态系统中的化学变化并改变碳排放。

该研究的下一步包括将化学反应模型纳入能源部能源百亿亿级地球系统模型的陆地部分。Sulman 说他还想在 NGEE 北极现场测试新模型的一些土壤化学假设，然后将产生的新数据整合到模型中，继续 ModEx 循环。

“ModEx 循环的这两部分确实有助于填补一些缺失的部分，这些部分可能来自建模或实验，”Sulman 说。“如果你正在做的建模与测量没有很好的联系，那么很容易偏离现实并最终解决在现场规模上不重要的问题。或者你最终得到的模型基础不够好表现得像一个真正的系统。”

Sulman 说，在规划实验方面，建模对于生成假设和缩小某些似乎对科学家回答重要问题的能力影响最大的特定过程很有用。“在这种情况下，我们迄今为止的发现可以帮助我们预测这些二氧化碳和甲烷通量将如何随时间变化，特别是考虑到水文模式。这种对永久冻土土壤化学的详细了解提高了我们预测变暖影响的能力温度。”

Sulman 希望对 ORNL 正在研究的其他水文动态生态系统(例如沿海湿地)采用类似的方法，以更好地了解碳循环。