Ny forskning giver løsning på Dust Bowl -paradokset

For næsten 100 år siden, der var en mærkelig, langsom bevægelse overtagelse af Great Plains. Under støvskålen i 1930'erne, som en historisk hedebølge og tørke skyllede midt i USA, der skete et dramatisk skift i de plantetyper, der indtog regionen.

Græsser mere almindelige i det køligere nord begyndte at overtage de usædvanligt varme og tørre sydlige sletterstater, der normalt var besat af andre indfødte græsser.

På det tidspunkt, selvfølgelig, dette skift i plantedækningen var ikke den største bekymring under en katastrofe, der fortrængte omkring 2,5 millioner mennesker og forårsagede mindst 1,9 milliarder dollar i tab i landbruget alene. Og, faktisk, det virkede ikke så underligt - indtil forskere begyndte at lære mere om disse plantetyper.

"Hvad der skete, blev først et mysterium meget senere, baseret på vores efterfølgende forståelse af træk ved de arter, der erstattede hinanden, "sagde Alan Knapp, en fremtrædende universitetsprofessor i Colorado State Universitys biologiske afdeling ved College of Natural Sciences og seniorøkologen for CSU's kandidatuddannelse i økologi.

I løbet af 1960'erne, forskere fandt ud af, at der var en tydelig økologisk forskel mellem disse to typer af det, der blev betragtet som varmere og køligere klima græsser (en gruppe, kendt som "C4" bruger fotosyntese til at producere en forbindelse med fire carbonatomer, sammenlignet med den anden, kendt som "C3, "hvis første fotosynteseforbindelse består af kun tre kulstofatomer). C4 græsserne vokser bedst ved varme temperaturer og er mere effektive til at bruge vand. C3 græsserne har en tendens til at være mest rigelige i køligere og vådere klimaer.

Hvilket rejste spørgsmålet:Hvorfor, under en berygtet tørke og hedebølge, ville C3 græsser pludselig invadere omkring 135, 000 kvadratkilometer i det sydlige centrale USA Således blev "Dust Bowl-paradokset" født.

Dette er ikke kun et spørgsmål om historisk nysgerrighed. Efterhånden som klimaforandringerne accelererer, græsarealer, som dækker omkring 30% til 40% af jordens jordoverflade, oplever allerede stigende temperaturer og ekstreme variationer i nedbøren og forventes at opleve endnu mere ekstreme tørke. Og, bemærkede Knapp, "de er en vital del af de lokale økonomier, uanset hvor de forekommer." Så, at forstå, hvad der udløste Dust Bowls pludselige skift i græsarter-og deres knock-on effekter-er et stadig mere presserende spørgsmål.

"Fordi sådanne ekstreme tørker forudsiges at være mere almindelige i fremtiden med klimaændringer, det er vigtigt at forstå, hvorfor disse græsarealer reagerede, som de gjorde, hvilket var præcis det modsatte, som man ville forudsige baseret på deres træk, "Sagde Knapp.

Nu, Knapp og hans kolleger har fundet et svar på dette spørgsmål. I et nyt papir, udgivet i denne uge i Procedurer fra National Academy of Sciences , de beskriver et fireårigt kunstigt tørkeeksperiment udført i græsarealer i Kansas og Wyoming, der tilbyder en løsning på mysteriet om Dust Bowl-paradokset.

"Denne undersøgelse låser et puslespil op om, hvorfor C3 græsser kan udkonkurrere C4 græsser i varme, tørre forhold, "sagde medforfatter Yiqi Luo fra Center for Ecosystem Science and Society ved Northern Arizona University." Når de globale klimaskift og nedbørsmønstre ændrer sig, denne nye linse er et vigtigt værktøj til at forudsige fremtidig vegetationsdynamik og kulstoflagring. "

Dette får os tilbage til mysteriet. Hvorfor ville disse seje kærlige, mindre vandeffektive C3 græsser er kommet til at dominere det centrale USA under en historisk hedebølge og tørke? Knapp og hans kolleger opdagede, at det havde mindre at gøre med mængden af ​​nedbør og meget mere at gøre med, når nedbøren falder.

I løbet af et normalt vækstår i de sydlige amerikanske sletter, størstedelen af ​​fugtigheden falder om sommeren, i vækstsæsonen. Men i de nordlige græsarealer, nedbørsmønstre er mere jævne hele året. Det viser sig, at det også er det, der sker under ekstrem tørke - nedbør er meget mindre knyttet til de varme måneder, forekommer mere jævnt gennem året.

Så, med nedbør, der falder i mønstre mere som de nordlige sletter under en tørke i syd, C3 græsser fandt grænserne for deres foretrukne nedbørsdynamik, der strakte sig mod syd. Og de voksede.

Forskerne fandt også ud af, at indgreb i C3-anlæg har en slags selvbrændende kraft. Fordi de begynder at vokse tidligere på året, "de kan forebyggende bruge jordvand, før C4 -planter bliver aktive, yderligere reducere væksten af ​​C4 -arter, "Sagde Knapp.

Disse resultater er ikke blot et spørgsmål om optælling og sporing af arter. De forskellige græssorter har også forskellige egenskaber, der kan føre til ændringer i det samlede økosystem, klima, og arealanvendelse.

For eksempel, C3 græsser har en tendens til at grønne i gennemsnit en hel måned før C4 græsser, men dør hurtigere tilbage, flytte regionens jord-luft kulstofudveksling. At være mindre effektiv med vand, C3 græsser suger mere fugt op fra jorden, som har en sammensat virkning, især i år, hvor vandet allerede er knap.

Den tid på året, de vokser, har også betydning.

"Alle planter, når den vokser aktivt og grønt, fordampe betydelige mængder vand fra deres blade, "Forklarede Knapp." Dette har en lokal køleeffekt. Fordi C3 græsser vokser, når det er køligt (om foråret), men ikke midt på sommeren, den kølende effekt går tabt, når den er mest nødvendig - i de varme sommermåneder. Det betyder, at skiftet fra C4 til C3 vækstmønstre kan resultere i varmere somre. "

Teamet planlægger at fortsætte med at studere virkningerne af disse sæsonmæssige ændringer - og genopretning fra dem.

"Efter den årti lange tørke i støvskålen, rester af tørkens indvirkning på plantesamfundene var tydelige i 20 år, "Sagde Knapp. Så gruppen overvåger nu, hvor lang tid det vil tage deres forsøgsplaner at komme sig efter deres fireårige eksperiment.

"Som sådan et globalt omfattende system, græsarealer spiller en stor rolle i den globale kulstofcyklus og vegetation-atmosfæriske interaktioner, "Knapp sagde, derfor vil forståelse af så store historiske begivenheder være kritisk for at forberede fremtidens klimaændringer.

Papiret, "Løser Dust Bowl -paradokset med græsarealer på ekstrem tørke, "optrådte 24. august PNAS , sammen med et papir af et andet fakultetsmedlem i biologisk afdeling, University Distinguished Professor Diana Wall, der medforfatter et papir med titlen, "Genetisk mangfoldighed af hvirvelløse dyr i jorden bekræfter tidsestimater for tidligere kollaps af det vestantarktiske islag."