I en tid av aldrig tidigare skådad höga atmosfäriska koldioxidnivåer, frågan om huruvida växter och träd kan utnyttja överskott av kol genom fotosyntes är en av största vikt. Forskare har observerat det som har kallats CO ₂ befruktningseffekt, varvid växternas fotosynteshastigheter ökar som svar på högre nivåer av CO ₂ i atmosfären, även om detta tros vara beroende av olika andra faktorer som temperatur, fukt, tillgång till näringsämnen, etc. En grupp forskare från Quebec försökte bättre förstå hur de äldsta boreala träden i Nordamerika—Thuja occidentalis L, vit ceder — har reagerat på högre nivåer av atmosfärisk CO ₂ ( c _a ) när det gäller dessa träds inneboende vattenanvändningseffektivitet (iWUE ).

Claudie Giguere-Croteau och kollegor publicerade sin studie "Nordamerikas äldsta boreala träd är mer effektiva vattenanvändare på grund av ökad [CO ₂ ], men växer inte snabbare, "nyligen in PNAS . Deras studie av vita cederträd från den södra kanten av den nordamerikanska boreala skogen omfattar en dubbelisotopanalys av ringar från 715 år gamla träd som ligger runt Duparquetsjöns strand i Quebec. Trädens extrema ålder är betydande eftersom de provtagna tillväxtringarna tillhandahåller hundratals år av klimat- och tillväxttillståndsdata innan den industriella revolutionen började och den åtföljande ökningen av atmosfärisk koldioxid ( c _a ), som, enligt kriterierna i denna studie, började 1850. Som författarna till studien noterar, "växter har inte exponerats för koncentrationer [av c _a ] över 290 ppm för minst 650, 000 år, så den dynamiska kol-vatten-kopplingen som rådde i flera årtusenden skulle kunna störas med potential, ändå osäker, effekter på vattenekosystemens funktion."

Upphöjd c _a , när det gäller växternas fysiologiska svar, är känt för att motsvara iWUE — ett mått på kolupptaget per enhet förlorat vatten — dock iWUE kan också styras av variabler som assimileringshastighet ( A ) och stomatal konduktans ( g _s ), och hur dessa variabler i slutändan påverkar en växts inre kol ( c _i ). Författarna citerar tre möjliga scenarier som förklarar trädacklimatiseringsprocesser som svar på resning c _a i relation med iWUE .

Scenario 1 (S1) antar en konstant c _i , i vilken iWUE ökar kraftigt. Scenario 2 (S2) tillåter en konstant c _i /c _a förhållande, i vilken iWUE ökar måttligt. Scenario 3 (S3) antar en konstant skillnad mellan c _a och c _i , varigenom iWUE förblir konstant. S1 verkar vara det mest rimliga scenariot inför CO ₂ befruktningseffekt, även om det finns få långsiktiga data för att ytterligare belysa den specifika karaktären av iWUE i en nordamerikansk boreal skog, och mycket osäkerhet råder i detta avseende. Mot denna bakgrund, Giguere-Croteau och kollegor presenterar sina resultat.

Forskarna använde en dubbelisotopanalys av trädringar (δ 13 C och δ 18 O; kol-13 och syre-18, respektive) för att spåra ändringar i iWUE under en 715-årsperiod. Deras resultat visade "en anmärkningsvärd och aldrig tidigare skådad (59%) iWUE ökning under de senaste 150 åren, " perioden som spårar uppkomsten av stora antropogena kolutsläpp från atmosfären. Undersökning av dubbla isotoperdata från denna period avslöjade två distinkta mönster av iWUE aktivitet, var och en motsvarar två av de tre iWUE scenarier som beskrivits tidigare.

Den första fasen, som sträcker sig över åren 1850 till 1965, motsvarade S1, var c _i förblir konstant i förhållande till att öka c _a . Denna tidsperiod visade en ökning med 28 % iWUE jämfört med det förindustriella genomsnittet från den föregående 550-årsperioden. 1965, när c _a nivåerna nådde dock 320 ppm, iWUE aktivitet förskjuts för att återspegla en konstant c _i /c _a förhållande (0,49), som beskrivs i S2, och detta åtföljdes av en ytterligare ökning med 31 % iWUE .

Ökningstakten i iWUE som observerades i den första fasen av studien är bland de högsta som någonsin setts på norra halvklotet, och anmärkningsvärt också genom att responsen inträffade i redan mogna träd. Förskjutningen i aktivitet från en konstant c _i till en proportionell C _i /C _a relation - en förändring i paradigm från S1 till S2 - som ägde rum under den andra perioden som började 1965, var också anmärkningsvärt. Ingen sådan förskjutning hade tidigare observerats i en nordamerikansk boreal skog.

Den observerade förändringen i trädens acklimatiseringsstrategi antydde fysiologiska förändringar antingen i A , g _s , eller båda, och så forskarna tittade på ledtrådar i analysen av dubbla isotoper för att klargöra mekanismen som fungerar under båda tidsperioderna. De fann att under den första perioden, från 1850 till 1965, A (assimileringshastighet) stimulering genom ökad CO ₂ körde förmodligen iWUE ökar; men efter 1965, de iWUE Svaret har troligen ändrats till ett som domineras av g _s , det är, i detta fall - minskande stomatal konduktans. I huvudsak, dessa träd verkade använda en strategi som maximerade kolvinster vid relativt låga nivåer c _a , som framgår av period 1. Emellertid, med början 1965, träden övergick till en strategi för att undvika torka när deras fotosyntetiska apparat närmade sig en mättnadspunkt, varefter vattenförlusterna skulle bli oproportionerligt höga i jämförelse med kolvinster, om de skulle upprätthålla en konstant c _i .

Nästa, forskarna tittade på variationer i klimat i förhållande till iWUE , undersöka variabler som markfuktighetsindex, underskott av ångtryck, och temperatur. Deras analys visade att medan var och en av dessa klimatrelaterade faktorer hade en betydande effekt på iWUE mellan 1953 och 2014, var och en hade en maximal effekt vid en annan tidsfrekvens. Dessutom, den mycket stora ökningen av iWUE med början 1850 kunde inte tillskrivas klimatförändringar som de varmare/torrare förhållanden som har rådt sedan 1965. Bevis tyder på att kallare och blötare förhållanden faktiskt rådde, och den höga stomatala konduktansen som krävs för iWUE ökningar med den observerade takten under perioden 1850 till 1965 skulle sannolikt inte ha varit möjlig under varmare och torrare förhållanden. Den klimatiska trenden med varmare och torrare förhållanden kan ha spelat en roll för att underlätta bytet från S1 till S2, dock.

Men det kanske viktigaste resultatet av denna studie, är det faktum att det aldrig tidigare skådat iWUE ökningar som setts sedan 1850 resulterade inte i någon väsentligt högre tillväxt. Titta på ringbreddsindex från träden, forskarna fann perioder av hög tillväxt från relativt ny modern tid (1980-1990-talet) av motsvarande storlek som andra perioder från långt före 1850. Forskarna ger flera rimliga förklaringar till denna brist på uppenbar tillväxt, allt från tillväxt av icke-stamkomponenter av de tre, såsom rotexsudat, till näringsbegränsningar, till exempel, effekten av fosfor på biomassatillväxt i vita cedrar.

Oavsett, Resultaten av denna studie fungerar som varnande bevis för dem som utvecklar dynamiska globala vegetationsmodeller (DGVMs) som vilar på antagandet att högre atmosfäriskt kol nödvändigtvis leder till större kollagring via fotosyntes till biomassa. Sålunda drar författarna slutsatsen:"Våra resultat tyder alltså på att även under gynnsamma förhållanden för tillväxt, inte alla träd kan dra nytta av förhöjda nivåer av c _a och iWUE . Dessa mekanismer beaktas vanligtvis inte av ekofysiologiska modeller och DGVMs, vilket kan leda till att de överskattar eventuella positiva effekter som ges av en högre c _a om kolassimilering och -fixering. Förutsägelser om förhöjd framtida tillväxt och möjliga lindrande effekter på c a kan vara alltför optimistiska om modellerna inte tillåter möjligheten till konstant eller till och med minskad tillväxt i samband med ökning c _a ."

© 2019 Science X Network