Økologers værktøj vurderer planters sundhed fra oven

Enhver, der har taget gymnasiebiologi, ved, at fotosyntese er den proces, hvorved planter omdanner sollys til energi til vækst.

Hvad du måske ikke husker, selvom, er det, mens du gør det, planter også "sekvestrerer, "eller absorbere, kuldioxid fra atmosfæren, spiller en nøglerolle i at balancere kemien i jordens atmosfære, som er afgørende for sundt liv på planeten.

Forskere arbejder på at forstå denne proces bedre på globalt plan, samt hvordan tørke påvirker planters evne til at fotosyntese. Dette er vigtigt for landmænd og skovbrugere, da vandsikkerhed bliver et problem under et klima i forandring. At vide, hvor meget kuldioxid planter kan trække fra atmosfæren, er vigtigt for at forstå, hvordan naturligt produceret kuldioxid, såvel som kuldioxid produceret af menneskelig aktivitet, er afbalanceret af planters evne til at blomstre.

Xi Yang, en terrestrisk økolog ved University of Virginia, arbejder på måder at vurdere plantesundhed på globalt og regionalt plan - fra et godt stykke over trætopniveau.

Det fungerer sådan her:Jordobservationssatellitter, der måler kuldioxid- og ozonkoncentrationer i atmosfæren, registrerer også utilsigtet svage fluorescenssignaler, der kommer fra skove og landbrugsområder. Yang, som kom til UVAs miljøvidenskabelige afdeling i august sidste år, mistænkte – sammen med sine kolleger på hans tidligere institutioner – at fluorescensen kom fra fotoner, der stammer fra blade, et biprodukt af de fotoner, der absorberes af klorofyl og bruges til fotosyntese.

"Vi blev interesserede i at måle den svage glød af fluorescens fra skovkronerne ved hjælp af et nyt spektroskopisk system, vi har designet, for at se, om fluorescens er en robust indikator for fotosyntese, " sagde Yang. "Vi vidste, at hvis det virkede, vi kunne bruge satellit-fjernmåling til at overvåge planters fotosyntese globalt. Dette kan tillade en gennemgang i realtid af, hvad der sker på jorden, og hjælpe os med at forudse fremtidige ændringer i miljøet."

Yang og hans kolleger brugte en sommer på at måle atmosfærisk kemi direkte over Harvard Forest, en 3, 000-acre økologisk forskningsområde i Massachusetts, ved hjælp af instrumenter monteret på et miljøovervågningstårn. De brugte også spektrometri til at detektere fluorescens fra træerne og sammenlignede deres aflæsninger med dem fra et spektrometer ombord på en jordobservationssatellit fra European Space Agency.

De fandt en "stram sammenhæng, " sagde Yang, "som indikerer, at fotosyntese kan måles regionalt og globalt ved hjælp af fjernmåling - en effektiv måde at vurdere økosystemernes sundhed på."

En sådan evne kan også give videnskabsmænd mulighed for at udlede, hvor meget kuldioxid, der bliver bundet af vegetation rundt om i verden, og hvordan dette kan moderere klimaændringer, efterhånden som menneskelig aktivitet i stigende grad tilføjer kuldioxid til atmosfæren.

Yang er nu ved at udvikle et instrument til at kvantificere fotosyntese på mindre skalaer. Enheden, en type spektrometer, kan fastgøres til konventionelle fly eller droner og flyves over vegetation, leverer et lokalt til regionalt realtidskort over fotosyntese til landbrugsformål. Fordi fotosyntese er knyttet til planters vandforbrug, landmænd kan potentielt lære, hvilke marker der skal vandes, og hvor meget vand der skal til.

Enheden kan også bruges til skovdrift, da forskellige typer træer fotosynteserer med forskellige hastigheder, giver unikke foton "signaturer, " at, med finjustering, kunne hjælpe skovforvaltere med at skelne mellem indfødte og eksotiske arter.

"Jeg vil gerne opskalere denne metode, og til sidst kunne vi bygge netværk på tværs af USA for at studere mange forskellige økosystemer, " sagde Yang. "Vi har nu et kraftfuldt fjernmålingsværktøj til bedre at forstå den naturlige verden og hvordan mennesker påvirker vores verden."

Yang tager sit nye instrument i brug lokalt. I næste uge planlægger han at flyve den over UVA ombord på et fly. Det kan vise sig nyttigt for Grounds managers at afgøre, hvilke områder der skal vandes, og som er fine på et givet tidspunkt.