Hvordan stigende trægrænser kan påvirke alpine søer

En EPFL-forsker har sammen med kolleger fra universiteter i hele Europa afsluttet den første kvantitative undersøgelse nogensinde af de ændringer, som jordbundsorganisk materiale fra skove kan forårsage i højhøjde og høje breddegrader, når det først er opløst i vandet.

Trægrænser rejser sig rundt om i verden som følge af den globale opvarmning. Afhængigt af regionen klatrer de mellem 10 og 100 meter om året - og bringer skovene stadig tættere på søer i høj højde og høj bredde. Dette vil uden tvivl have en indvirkning på begge økosystemer.

For første gang har et hold videnskabsmænd set nærmere på, hvad de mulige konsekvenser kan være på molekylært niveau. Deres resultater, offentliggjort for nylig i Nature Communications , tyder på, at stigende trægrænser kan påvirke det opløste organiske stof (DOM) i højhøjde og høje breddegrader og ændre den biogeokemiske sammensætning af søvand.

Specifikt observerede forskerne, at naturlige bakterier udsat for dette nye kulstof kan blive mindre effektive til at producere biomasse - hvilket skaber en potentiel kilde til drivhusgasemissioner. Denne opdagelse er særlig vigtig i betragtning af de tusindvis af sådanne søer på vores planet.

Jordens organiske kulstof er sammensat forskelligt afhængigt af, om det er placeret i en alpine græsmark eller en skov. Indtil nu var videnskabsmænd ikke sikre på, hvordan jordens organiske kulstof indeholdt i jorden ville reagere, når det sivede ind i alpine og subarktiske søer.

Disse søer indeholder allerede små mængder DOM, som spiller en afgørende rolle som ressource for naturlige bakterier. Men efterhånden som trægrænsen skrider frem, vil jordsammensætningen omkring søerne ændre sig, og når det regner, eller når sneen smelter, vil det organiske kulstof, der er indeholdt i jorden, blive ført ud i søerne.

Det er den proces, som forskerholdet – inklusive EPFLs Hannes Peter – studerede. Peter er økolog og biogeokemiker ved EPFL's River Ecosystems Laboratory (RIVER), en del af ALPOLE forskningscenter for alpine og polære miljøer i Sion.

Søer i det nordlige Finland og de østrigske alper

Søbakterier reagerer generelt på DOM på en af ​​to måder:enten lever de af det og vokser til at producere den biomasse, der danner grundlaget for fødekæden; eller de behandler det ineffektivt og respirerer det som CO₂ . For at studere disse mekanismer nærmere, udførte forskerne felteksperimenter ved en højbreddesø i det nordlige Finland og en højhøjdesø i Østrig og parrede dette med laboratorieforsøg og analyser.

"Vores plan var at udsætte søbakterier for organisk kulstof fra forskellige jordtyper," siger Peter. "Vi indsamlede søvandsprøver og tilføjede jordafledt DOM fra både over og under trægrænsen og observerede derefter bakteriernes respons.

"Vi ville gerne vide, om de ville producere mere biomasse eller i stedet frigive CO₂ . Svaret var, at når bakterierne blev udsat for jordafledt DOM fra under trægrænsen, udsendte bakterierne mere CO₂ ."

Opløsning af individuelle kulstofmolekyler

Holdet brugte et sofistikeret, højpræcisionsinstrument installeret på et partneruniversitet i Tyskland til at udføre deres analyser. Med dette instrument var de i stand til at undersøge hvert DOM-molekyle individuelt.

"Den avancerede teknologi og højtydende systemer, der nu er tilgængelige til at analysere kulstof, lader os se inde i 'den sorte boks'," siger Peter. "Vi identificerede over 2.500 molekyler indeholdt i DOM og var i stand til at forstå, hvilke bakterierne metaboliserede hurtigst."

"Vi undersøgte også hele nedbrydningsprocessen. På den måde kunne vi konkludere, at bakterier i alpine søer kan udsende mere CO₂ når trægrænsen rejser sig."

Han forklarer videre, at konsekvenserne kan være betydelige. "Vores undersøgelse var kun det første skridt. Vi så kun på, hvor effektive bakterierne er til at håndtere DOM. Mere forskning er nødvendig for at bestemme, hvordan det ekstra kulstof vil påvirke miljøet. Men det fascinerende ved bakterier er, hvor hurtigt de kan tilpasse sig til skiftende forhold."

Kortlægning af alpeskovsudvidelse i Schweiz

En anden gruppe videnskabsmænd ved EPFL's ALPOLE forskningscenter studerer også virkningerne af skiftende trælinjer. Thien-Anh Nguyen, en ph.d. studerende ved Environmental Computational Science and Earth Observation Laboratory (ECEO) og hendes kolleger har udviklet et AI-drevet program, der kortlægger skovudvidelse i de schweiziske alper over en 80-årig periode.

Programmet er tilgængeligt i open source og viser tydeligt, hvordan trægrænsen har skiftet mod højere højder på tværs af Vaud- og Valais-alperne.

Nguyen og hendes kolleger trænede deres algoritmer ved hjælp af tusindvis af fotografier taget mellem 1946 og 2020 og leveret af det schweiziske forbundskontor for topografi. Udfordringen var at træne algoritmerne effektivt på trods af den brede vifte af billedkvalitet og opløsning indeholdt i datasættet.

Programmet illustrerer, hvor hurtigt ændringen finder sted, primært på grund af de højere temperaturer og opgivelse af landbrugsjord – og det vil blive brugt til at kvantificere effekten af ​​disse to faktorer.

Nguyens undersøgelse, offentliggjort i Remote Sensing of Environment , er den første til at kortlægge progressionen af ​​den alpine trægrænse i så stor en skala og på et så granulært niveau.

Flere oplysninger: Núria Catalán et al., Trælinjeforskydning kan påvirke behandlingen af ​​opløst organisk stof i søer på høje breddegrader og højder, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46789-5

Thiên-Anh Nguyen et al., Multi-temporal skovovervågning i de schweiziske alper med vidensstyret dyb læring, Remote Sensing of Environment (2024). DOI:10.1016/j.rse.2024.114109

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne