Я физик по образованию. Поэтому, когда кто-то говорит: «невозможно измерить X», моя первая реакция: «вызов принят!»
В своей текущей работе я часто сталкиваюсь с заблуждениями относительно измерения углерода в почве. В этой серии статей я разберу несколько утверждений, которые мне приходится слышать, расскажу, как я к ним отношусь и как мы в Indigo решаем эти вопросы измерения, чтобы обеспечить высококачественное воздействие на углеродный баланс.
Заблуждение №1: Невозможно измерить прирост органического углерода в почве, вызванный изменениями в методах ведения сельского хозяйства.
На первый взгляд, это утверждение заведомо ложно. Существуют десятки, если не сотни рецензируемых научных исследований, измеряющих именно это явление. Кроме того, многие из тех, кто высказывает это заблуждение, также говорят, что «мы знаем, что современное сельское хозяйство привело к потере огромного количества почвенного углерода». Что ж… разве измерение потерь из-за изменений в сельскохозяйственной практике — это не та же самая задача измерения, что и измерение прироста?
Однако, когда я углубляюсь в суть, я обычно обнаруживаю более тонкую проблему: вы не можете измерить изменения углерода в почве в результате сельскохозяйственной деятельности из-за:
…изменчивости содержания углерода в почве на разных участках поля
…дороговизны отбора проб почвы в рамках крупного проекта
…точности моделей на уровне поля
Идея заключается в том, что измерение углерода в почве на отдельном поле с высокой степенью достоверности невероятно дорого и потребует множества прямых проб, контрольных замеров и т. д. И это нужно делать в линейном масштабе, чтобы реализовать проект на миллионах акров. Это, безусловно, звучит как сложная задача, но мы ежедневно измеряем другие параметры, обладающие подобными свойствами.
Давайте проверим температуру…
Вы когда-нибудь проверяли, какая температура на улице или у вас дома? Кажется, все просто, верно? Вы смотрите на термометр и видите число. Но знаете ли вы, как это работает на самом деле?
Температура в комнате является результатом энергии молекул воздуха, сталкивающихся друг с другом по всему пространству. Чем больше энергии у этих частиц (от излучения источника тепла, такого как печь или солнце через окно), тем больше они движутся и сталкиваются друг с другом, передавая энергию всему пространству, которое заполняет газ. Это то, что мы, по сути, воспринимаем как температуру. Нужно ли мне для измерения температуры приближать изображение и измерять скорость каждой отдельной молекулы воздуха в комнате? Это было бы чертовски дорого. К счастью, я могу положиться на модель, кинетическую теорию газов и такой прибор, как термометр, который использует принцип теплового равновесия в сочетании с чем-то вроде замкнутой жидкости, следующей другой модели, например, тепловому расширению жидкостей, чтобы считывать температуру с помощью откалиброванного и проверенного прибора.
Почему я продолжаю называть вещи моделями? Модель — это аппроксимация эмерджентных свойств природы, основанная на наблюдениях и фундаментальных принципах. Для температуры мы полагаемся на область, называемую статистической механикой и термодинамикой. Модели помогают нам измерять в масштабе посредством вывода то, что было бы чрезвычайно трудно сделать напрямую. Но со всеми моделями нужно обращаться осторожно. Обычно они калибруются в определенном диапазоне. Например, низкий, средний и высокий «стандарты» используются для проверки того, что прибор точно измеряет эти три точки, а затем предполагается, что он хорошо работает между ними. Заметьте, вы обычно не калибруете свой термометр с шагом в 1 ℃.
Если использовать инструмент измерения, основанный на модели, вне его откалиброванного и проверенного сценария использования, все может не сработать. Стандартный спиртовой термометр может подойти для большинства химических приложений, но когда я проводил лабораторную работу по физике низких температур для измерения сверхтекучего перехода гелия (который происходит при температуре около -271 ℃), нам понадобился совсем другой измерительный инструмент.
Похожая проблема, похожий подход
Возвращаясь к задаче измерения углерода в почве; да, отдельные поля сильно различаются, но объединение многих полей и рассмотрение их на уровне проекта похоже на изучение газа, а не молекул. С помощью правильно откалиброванных и проверенных инструментов мы можем получить измерение в разумном диапазоне достоверности. В данном случае модель, которую мы используем в качестве нашего «термометра», основана на биогеохимии в сочетании с байесовской статистикой, а не на термодинамике и статистической механике. Предпосылка заключается в том, что фундаментальные процессы, связывающие биологию растений и почвенной жизни с геологией минералов в почве и химическими взаимодействиями, которые перемещают материю между ними, могут быть аппроксимированы через комбинацию наблюдений и фундаментальных принципов. Но точно так же, как мы калибруем и проверяем нашу модель термометра, мы калибруем и проверяем наши модели на основе рецензируемых и опубликованных исследований. Мы должны убедиться, что эти исследования охватывают достаточный диапазон климатических зон, типов почв, систем земледелия и практик, в которых мы работаем (как те низкие, средние и высокие стандарты для термометра), чтобы мы могли быть уверены, что это работает во всем диапазоне между протестированными точками. Я всегда буду рад получить больше точек валидации, но я предпочел бы иметь их в областях за пределами нашего текущего диапазона, чем где-то между двумя точками, которые у нас уже есть.
В Indigo мы усердно работали над тем, чтобы наши модели соответствовали руководству по валидации, установленному группой экспертов в рамках рабочей группы по протоколу обогащения почвы (Soil Enrichment Protocol) организации Climate Action Reserve. В то время как другим были предоставлены довольно значительные исключения или они написали другие подходы, которые открывают потенциал для предвзятости и неточности в проектах, мы придерживались стандарта в том виде, в котором он написан, чтобы работать в диапазонах, где у нас есть литература для подтверждения наших моделей.
Так что да, мы МОЖЕМ измерять воздействие регенеративного сельского хозяйства на органический углерод в почве в масштабе. Мы делаем это с помощью откалиброванных и проверенных моделей, точно так же, как мы измеряем температуру термометром. И мы неоднократно публиковали информацию о нашем подходе (1, 2).
(1) Brummitt, C.D., Mathers, C.A., Keating, R.A., O’Leary, K., Easter, M., Friedl, M.A., DuBuisson, M., Campbell, E.E., Pape, R., Peters, S.J.W., Kumar, A.A., 2024. Solutions and insights for agricultural monitoring, reporting, and verification (MRV) from three consecutive issuances of soil carbon credits. J. Environ. Manage. 369, 122284. Ссылка.
(2) Mathers, C., Black, C.K., Segal, B.D., Gurung, R.B., Zhang, Y., Easter, M.J., Williams, S., Motew, M., Campbell, E.E., Brummitt, C.D., Paustian, K., Kumar, A.A., 2023. Validating DayCent-CR for cropland soil carbon offset reporting at a national scale. Geoderma 438, 116647. Ссылка.
