Klimaændringer og et overset næringsstof:silica

Blandt økologer, kulstof får al ære. Forskere undersøger dens afgørende rolle i plantevækst og forfald, de kortlægger dets bidrag til drivhusgasser, og de måler dens binding til jorden, hav, og himmel.

Ofte overses i al denne forskning det ydmyge element silicium, eller "silica, "som det kaldes, når det findes i naturen. Hvis økologer (eller biologer eller biogeokemister) overhovedet tænker på silica, de betragter det som en lidt spiller, en ho-hum-komponent af sten og sand.

"Silica får ingen kærlighed, "siger Wally Fulweiler, en lektor ved Boston University i jord og miljø, og biologi. "Og det burde."

Fulweiler bemærker, at silica er en nøglespiller i marsk- og havøkosystemer. Især det danner de ydre skaller af kiselalger, mikroskopiske organismer, der fungerer som dybhavsopbevaringsbeholdere for kuldioxid. "Over en lang tid, kiselalger er vigtige for at regulere vores globale klima, "siger Fulweiler." Så hvis du er oceanograf, du elsker silica. Men hvis du er, sige, en skovøkolog, du tænker sandsynligvis ikke meget på silica, og du tænker bestemt ikke meget over, hvordan menneskelige aktiviteter har ændret silica -cykling. "

Biolog Tim Maguire studerede de fine rødder af sukker ahorntræer, at forstå, hvordan klimaforandringer kan påvirke optagelsen af ​​silica. Men for nylig Tim Maguire, en ph.d. -kandidat i biologi i Fulweilers laboratorium, er steget op for at give silica sin skyld. Maguire (GRS'17) forsøger at forstå, hvordan klimaforandringer kan påvirke silica's "livscyklus, "når elementet bevæger sig fra sten til grundvand, derefter gennem planter ind i floder og oceaner.

Forskere ved, at træer spiller en vigtig rolle som "silica -pumper" - opsugning af silicium fra grundvand, konvertere det til en biologisk tilgængelig form, og enten opbevare det eller skubbe det tilbage i økosystemet i en mere biologisk anvendelig form - men få har kvantificeret denne effekt. Maguires seneste arbejde, finansieret af Alfred P. Sloan Foundation og offentliggjort i Journal of Geophysical Research:Biogeosciences i marts 2017, fandt ud af, at træer, i det mindste sukker ahorn, kan have langt større pumpekraft end forventet, og kan også blive mere dybt påvirket af klimaændringer, da varmere vintre skader deres sårbare rødder.

"Dette er et af de første papirer, der viser en direkte forbindelse mellem, hvordan vi ændrer et klima, og hvad det kan betyde for tilgængelighed af silica og forbindelserne mellem land og hav, "siger Fulweiler, en medforfatter på papiret. "Dette er endnu en måde, hvorpå vi forstyrrer noget, som vi ikke engang er begyndt at forstå."

Vinterlufttemperaturen i det nordøstlige USA er støt steget i årtier, og er nu gennemsnitligt omkring 2,5 grader Fahrenheit varmere end i 1950'erne, ifølge United States Forest Service. "Dette har resulteret i meget mindre sne, end der plejer at være, "siger Pamela Templer, en BU -professor i biologi og medforfatter på Maguires papir. "Der er nu noget som 20 færre dage om året, hvor sne dækker jorden, og snesækken bliver tyndere og også mindre forudsigelig. "For at måle virkningerne af denne opvarmningstendens på tempererede New England -skove, fra 2008 til 2012 kørte Templer et eksperiment finansieret af Andrew W. Mellon Foundation og USDA Northeastern States Research Cooperative i Hubbard Brook Experimental Forest i New Hampshire, fjernelse af snedække fra fire skovdele for at simulere senere snefald og mindre sne, og måling af virkningerne på planter og træer. Templer fundet, blandt andet, det snedække, noget kontraintuitivt, fungerer som et isolerende tæppe, beskytter træets rødder mod frysning.

"Vi fandt mange negative virkninger, hvor du fjerner sne; du fryser jorden, og det skader træerne, "siger Templer. Men hun tænkte aldrig på at se på silica, før Maguire henvendte sig til hende, og spurgte, om hun havde prøver tilbage fra Hubbard Brook. Fordi silica ikke har nogen gasformig tilstand, den forbliver intakt i lagrede prøver. "Så vi gik ind i vores arkiver, og vi fik nogle rødder, og derefter forarbejdede han dem til silica, "siger Templer.

Maguire undersøgte rødderne af sukker ahorn, som er følsomme over for frysning, fordi de vokser relativt tæt på overfladen. Han testede specifikt de fine rødder, de tynde, trådede slyngtråde, der optager vand og næringsstoffer fra jorden. Hans første overraskende fund:de fine rødder af et sukker ahorn træ udgør kun omkring 4 procent af træets biomasse, men indeholder hele 29 procent af silicaen. Og når den beskadiges af frysning, mængden af ​​silica i de fine rødder faldt med forbløffende 28 procent.

Dette kan være dårligt for de enkelte træer, hvor silica spiller flere vigtige roller, såsom at give struktur til blade, beskytter mod skadelige svampe, og - Maguire mistænker - hærder små rødder, så de kan skubbe gennem stenet New England -jord. Men de nedadgående økologiske konsekvenser kan være endnu mere dybtgående. Hvis denne procentdel gælder for alle ahorn træer i en gennemsnitlig skov, Maguire beregnet, så kan frysning af rødderne reducere siliciumoptagelsen med en betydelig mængde, omkring 31 procent af silicaen pumpes regelmæssigt ud af tempererede skove i floder, søer, og vandløb.

"Mange gange, når du laver denne type undersøgelser, du får et statistisk resultat, der ikke beløber sig til meget i den virkelige verden, "siger Maguire." Dette er ikke tilfældet her. "Hvad disse fund betyder for New England -økosystemet - eller ethvert økosystem, for den sags skyld - er stadig stort set ukendt, hvad Maguire og hans kolleger kridter op til de "kryptiske konsekvenser" af klimaforandringer.

"Ingen af ​​os tror, ​​at vi pludselig vil stoppe hele silicapumpen, "siger Templer." Men det tyder på, at med en mindre snepose og mere jordfrysning, vi kan se en betydelig ændring i, hvor meget silica der kommer i vandøkosystemer, bestemt ved hjælp af planter. "

"Det åbner en dør, "siger Maguire om forskningen, viser en uventet, potentielt massiv indvirkning på økosystemer, der stort set ikke er undersøgt. "Alt vi ved med sikkerhed, "siger Maguire, "er, at hvis opvarmningen fortsætter, noget vil være anderledes. "