En ny studie som visar torrhet i atmosfären påverkar produktiviteten på gräsmarker i USA mer än nederbörd kan ha viktiga konsekvenser för att förutsäga hur växter kommer att reagera på värmande klimatförhållanden.

Publicerad online 6 mars i tidskriften Naturgeovetenskap , studien utförd av forskare vid Stanford University och Columbia University tittade på 33 års klimat- och vegetationssatellitdata för att avgöra hur växter reglerar vatten och koldioxid under torra förhållanden. Teamet drog slutsatsen att amerikanska gräsmarker är mer än tre gånger mer känsliga för ångtrycksunderskott (VPD), eller atmosfärisk torrhet, än de är till nederbörd. Studiens storskaliga metoder för att förstå växtbeteende kan användas för att förbättra förutsägbara modeller för hur miljöer kommer att reagera på torka, som förväntas intensifieras under 2000-talet.

"Bara att titta på förändringar i nederbörd kommer inte att berätta hela historien, " sa huvudförfattaren Alexandra Konings, en biträdande professor i Earth System Science vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). "Amerikanska gräsmarker är mycket känsligare för ångtrycksunderskott, vilket är viktigt. Eftersom VPD är så tätt kopplat till temperatur, vi kan förutse att det kommer att fortsätta att gå upp i framtiden."

I studien, forskare analyserade förhållanden under vilka gräsmarker öppnar och stänger deras stomata, mikroskopiska öppningar på växtblad som möjliggör överföring av vattenånga, syre och CO2. När stomatan är öppen, en växt kan ta upp CO2 från atmosfären för att göra energi men riskerar att förlora vatten under torra förhållanden. Strategin som olika växter använder - om man riskerar att torka ut för att fortsätta ta upp kol, eller att stänga upp och sluta växa - påverkar deras produktivitet. En växts beteende beror på mängden vatten i atmosfären mätt med VPD:högre VPD indikerar större potential för torr luft att dra ut fukt ur växten.

Variation i torka svar

Med hjälp av statistisk analys, forskarna skilde ut effekten av växternas beteende från effekterna av regionala förhållanden, såsom skillnader i nederbörd eller temperatur. Även om många klimatmodeller behandlar alla gräsmarker lika, studien visade stor variation när det gäller hur de reagerar på torka.

"Mer än växttypen, det är växtfysiologin som kommer att reglera deras reaktion på torka och värmebölja, " sa studiens medförfattare Pierre Gentine, en docent i jord- och miljöteknik vid Columbia University.

Forskarna utförde sin analys med hjälp av allmänt tillgängliga satellitdata från fjärranalys från 1981 till 2013 som visar växternas grönska, vilket är en indikator för växtproduktivitet. De kombinerade sedan dessa data med datauppsättningar för klimat och observationsnederbörd för att dela upp amerikanska gräsmarker i olika regioner, beroende på deras beteende.

Att förstå hur växtstomat reagerar på förändringar i atmosfären är särskilt viktigt i amerikanska gräsmarker, som är en dominerande källa till kolupptag, eller lagring av kol från atmosfären. Gräsmarker är värda för en mängd olika biologisk mångfald och utgör en viktig livsmiljö för boskap inom kött- och mejeriindustrin, täcker cirka 26 procent av USA och nästan 20 procent av planetens landyta; de är den största typen av marköverdrag på jorden.

"Kolupptag är förknippat med tillväxt och hur det reagerar under klimat är en stor källa till osäkerhet i framtida klimatförändringsförutsägelser, " sade Konings. "Under stigande temperaturer, Vi kommer potentiellt att se mycket mindre gröna gräsmarker - men den här studien visar att det är mer sant för mig i vissa regioner än andra. "

Beteendeskillnader

Analyser visar att gräsmarker som reagerar på torka genom att hålla sina stomata öppna (anisohydriskt beteende) är mer känsliga för torrhet i atmosfären än de som stänger deras stomata och stoppar tillväxten för att spara vatten (isohydriskt beteende). Båda beteendena finns i USA. Studien visar att växter som håller sina stomata öppna är mer skadade av torka i amerikanska gräsmarker eftersom det hämmar växternas tillväxt under loppet av en växtsäsong.

"Gräsmarker är verkligen intressanta eftersom de visar en så enorm mångfald i det isohydricitetsbeteendet, sade Konings, som utförde inledande forskning för studien medan han var postdoktor vid Columbia innan han började på Stanford Earth. "De har verkligen olika strategier i hur de reagerar på torka."

Medan tidigare metoder för att förstå torkreaktion innebar mätningar på marken, det nya måttet gör det möjligt för forskare att mäta dessa mönster över hela världen. Konings sa att hon hoppas att metoden kan användas för att se om studiens resultat om gräsmarker kan tillämpas på andra ekosystem eller för att bättre förstå vad som får vissa träd att dö som svar på uppvärmningsförhållanden medan andra inte gör det.

"Jag tror att det fortfarande finns mycket kvar att göra med det här värdet, " sa Konings.