Kulstof, klima, og Nordamerika ældste boreale træer

I en tid med hidtil usete høje atmosfæriske kuldioxidniveauer, spørgsmålet om, hvorvidt planter og træer kan udnytte overskydende kulstof gennem fotosyntese, er en af ​​altafgørende betydning. Forskere har observeret, hvad der er blevet kaldt CO ₂ befrugtningseffekt, hvorved plantes fotosyntesestørrelser stiger som reaktion på højere CO -niveauer ₂ i atmosfæren, selvom dette menes at være afhængigt af forskellige andre faktorer såsom temperatur, fugtighed, tilgængelighed af næringsstoffer, etc. En gruppe forskere fra Quebec søgte bedre at forstå, hvordan de ældste boreale træer i Nordamerika - Thuja occidentalis L, hvid cedertræ - har reageret på højere niveauer af atmosfærisk CO ₂ ( c _-en ) hvad angår disse træers iboende vandforbrugseffektivitet (iWUE ).

Claudie Giguere-Croteau og kolleger offentliggjorde deres undersøgelse "Nordamerikas ældste boreale træer er mere effektive vandbrugere på grund af øget [CO ₂ ], men vokser ikke hurtigere, "for nylig i PNAS . Deres undersøgelse af hvide cedertræer fra den sydlige kant af den nordamerikanske boreale skov omfatter en dobbelt-isotopanalyse af ringe fra 715-årige træer, der ligger ved bredden af ​​søen Duparquet i Quebec. Træernes ekstreme alderdom er signifikant, idet de stikprøver, der er taget i stikprøven, giver hundredvis af år med klima- og væksttilstandsdata forud for begyndelsen af ​​den industrielle revolution og den ledsagende stigning i atmosfærisk kuldioxid ( c _-en ), hvilken, efter kriterierne i denne undersøgelse, begyndte i 1850. Som forfatterne til undersøgelsen noterede sig, "planter har ikke været udsat for koncentrationer [af c _-en ] over 290 ppm i mindst 650, 000 år, så den dynamiske kulstof -vand -kobling, der herskede i flere årtusinder, kunne blive forstyrret med potentiale, endnu usikker, indvirkning på hydroøkosystemets funktion. "

Forhøjet c _-en , hvad angår planters fysiologiske respons, vides at svare til iWUE - et mål for kulstofoptagelse pr. Tabt vandenhed - dog iWUE kan også være styret af variabler såsom assimileringshastighed ( EN ) og stomatal konduktans ( g _s ), og hvordan disse variabler i sidste ende påvirker en plantes indre kulstof ( c _jeg ). Forfatterne nævner tre mulige scenarier, der forklarer træakklimatiseringsprocesser som reaktion på stigning c _-en i forbindelse med iWUE .

Scenarie 1 (S1) formoder en konstant c _jeg , hvori iWUE stiger robust. Scenarie 2 (S2) muliggør en konstant c _jeg /c _-en forhold, hvori iWUE stiger moderat. Scenarie 3 (S3) forudsætter en konstant forskel mellem c _-en og c _jeg , hvorved iWUE forbliver konstant. S1 synes at være det mest sandsynlige scenario i forhold til CO ₂ befrugtningseffekt, selvom der findes få langsigtede data for yderligere at belyse den specifikke karakter af iWUE i en nordamerikansk boreal skov, og der er stor usikkerhed i denne henseende. På denne baggrund, Giguere-Croteau og kolleger præsenterer deres fund.

Forskerne brugte en dual-isotopanalyse af træringe (δ 13 C og δ 18 O; carbon-13 og oxygen-18, henholdsvis) for at spore ændringer i iWUE over en periode på 715 år. Deres resultater viste "en bemærkelsesværdig og hidtil uset (59%) iWUE stigning i løbet af de sidste 150 år, "perioden, der sporer begyndelsen på store menneskeskabte atmosfæriske kulstofemissioner. Undersøgelse af dual-isotopdata fra denne periode afslørede to forskellige mønstre af iWUE aktivitet, hver svarer til to af de tre iWUE scenarier beskrevet tidligere.

Den første fase, i årene 1850 til 1965, svarede til S1, hvor c _jeg forbliver konstant i forhold til stigning c _-en . Denne periode viste en stigning på 28% i iWUE sammenlignet med det præindustrielle gennemsnit fra den foregående 550-årige periode. I 1965, hvornår c _-en niveauer nåede dog 320 ppm, iWUE aktivitet skiftede til at afspejle en konstant c _jeg /c _-en forhold (0,49), som beskrevet i S2, og dette blev ledsaget af en yderligere stigning på 31% iWUE .

Stigningstakten i iWUE observeret i den første fase af undersøgelsen er blandt de højeste, der nogensinde er set på den nordlige halvkugle, og bemærkelsesværdigt også ved, at svaret fandt sted i allerede modne træer. Skiftet i aktivitet fra en konstant c _jeg til en proportionel C _jeg /C _-en forhold - en ændring i paradigme fra S1 til S2 - der fandt sted i den anden periode, der begyndte i 1965, var også bemærkelsesværdig. Intet sådant skift var tidligere blevet observeret i en nordamerikansk boreal skov.

Det observerede skift i træernes akklimatiseringsstrategi foreslog fysiologiske ændringer enten i EN , g _s , eller begge, og så søgte forskerne efter spor i dual-isotopanalysen for at afklare mekanismen på arbejdet i begge tidsperioder. De fandt ud af, at i den første periode, fra 1850 til 1965, EN (assimileringshastighed) stimulation ved øget CO ₂ sandsynligvis kørt iWUE stiger; men efter 1965, det iWUE svar sandsynligvis ændret til en domineret af g _s , det er, i dette tilfælde - faldende stomatal konduktans. I det væsentlige, disse træer syntes at anvende en strategi, der maksimerede kulstofgevinster ved relativt lave c _-en , som set i periode 1. Dog er begyndte i 1965, træerne skiftede til en strategi for undgåelse af tørke, da deres fotosyntetiske apparat nærmede sig et mætningspunkt, hvorefter vandtab ville være uforholdsmæssigt høje i forhold til kulstofgevinster, skulle de opretholde en konstant c _jeg .

Næste, forskerne så på variationer i klimaet i forhold til iWUE , undersøge variabler såsom jordfugtighedsindeks, damptryk underskud, og temperatur. Deres analyse viste, at mens hver af disse klimarelaterede faktorer havde en betydelig effekt på iWUE mellem 1953 og 2014, hver havde en maksimal effekt på en anden tidsfrekvens. I øvrigt, den meget store stigning i iWUE begyndende i 1850 kunne ikke tilskrives klimaændringer som de varmere/tørre forhold, der har hersket siden 1965. Beviser tyder på, at der faktisk var koldere og vådere forhold, og den høje stomatale konduktans, der er nødvendig for iWUE stigninger med den observerede hastighed i perioden 1850 til 1965 sandsynligvis ikke ville have været mulig under varmere og tørre forhold. Den klimatiske tendens med varmere og tørre forhold kan have spillet en rolle i at lette skiftet fra S1 til S2, imidlertid.

Måske er det vigtigste fund af denne undersøgelse dog, er det faktum, at den hidtil usete iWUE stigninger set siden 1850 resulterede ikke i væsentligt højere vækst. Ser man på ringbreddeindeks fra træerne, forskerne fandt perioder med høj vækst fra relativt nyere moderne tid (1980'erne-1990'erne) af tilsvarende størrelse til andre perioder fra godt før 1850. Forskerne giver flere plausible forklaringer på denne mangel på tilsyneladende vækst, lige fra vækst af ikke-stamkomponenter af de tre, såsom rodudskillelser, til næringsstofbegrænsninger, for eksempel, virkningen af ​​fosfor på biomassevækst i hvide cedre.

Uanset, resultaterne af denne undersøgelse tjener som advarsel for dem, der udvikler dynamiske globale vegetationsmodeller (DGVM'er), som hviler på antagelsen om, at højere atmosfærisk kulstof nødvendigvis oversætter til større kulstoflagring via fotosyntese til biomasse. Forfatterne konkluderer således:"Vores resultater tyder således på, at selv under gunstige vækstbetingelser, ikke alle træer kan drage fordel af forhøjede niveauer af c _-en og iWUE . Disse mekanismer tages typisk ikke i betragtning af økofysiologiske modeller og DGVM'er, hvilket kan føre til, at de overvurderer eventuelle positive virkninger, som en højere c _-en om kulstofassimilering og -fiksering. Forudsigelser om forhøjet fremtidig vækst og mulige lindrende effekter på c -en kan være alt for optimistisk, hvis modellerne ikke tillader mulighed for konstant eller endda reduceret vækst i sammenhæng med stigende c _-en . "

© 2019 Science X Network