En professor vid Montana State Universitys forskning om växtkemi i Northern Great Plains och Northern Rockies har publicerats i Global förändringsbiologi , en framstående tidskrift som främjar utforskning av sambanden mellan biologiska processer och miljöförändringar.

Jack Brookshire, docent vid institutionen för markresurser och miljövetenskap vid MSU College of Agriculture, kombinerade satellitdata och växtprover från mer än 300 platser runt Northern Great Plains och Northern Rockies för att undersöka trender i grönare, ett mått som representerar växtproduktivitet genom fotosyntes. Projektet startade 2016 och stöddes av National Science Foundation EPSCoR-finansiering och ett forskningsanslag genom Montana Agriculture Experiment Station.

"Studier som använder fjärranalys visade att mycket av jordens landyta har blivit grönare under de senaste decennierna, mest på grund av ökad koldioxid i atmosfären, " sade Brookshire. "Men, det fanns också bevis för att växtkvävehalten minskade. Ingen hade ännu kombinerat analyser av vegetationsgrönande trender med dessa förändringar i växtkemin."

Brookshire arbetade med medarbetare vid University of Wisconsin-Madison och Idaho State University, samt doktorander och studenter vid MSU för att undersöka om regionala klimatförändringar eller ökad koldioxid i atmosfären var orsaken till den ökade grönningen över Montana och de bredare norra Great Plains. Även om ökad produktivitet kan verka som en fördel, Brookshire sa att frågan är hur hållbara dessa ökningar är och om ökad grönning förändrar den kemiska sammansättningen av växterna själva.

Arbetet började med att sålla igenom nästan två decennier av satellitdata från ett NASA-program som heter MODIS, som samlar in data från hela jordens yta var 1-2 dag. Brookshires grupp analyserade normaliserade vegetationsskillnadsindexdata, som mäter mängden ljus som reflekteras av växter. Över 20 år, de noterade att grönningen över Northern Great Plains och Northern Rocky Mountains hade ökat avsevärt, men skillnaden var mer uttalad i de norra stora slätterna.

"De största ökningarna av grönare var på de platser där det var varmast och torrast, vi tror eftersom de har de mest marginella vinsterna att göra som svar på koldioxid och klimatförändringar med tanke på de förändringar i växtfysiologi vi observerar, sade Brookshire. mycket av de norra stora slätterna har upplevt ökningar av nederbörd under de senaste decennierna, och vi finner bevis för att detta har varit en viktig drivkraft bakom grönare trender."

Dock, medan trenderna för grönare varierade beroende på geografisk plats, Brookshire ville se om fysiologiska förändringar i själva växterna var enhetliga över de två regionerna. Om så är fallet, den mest troliga orsaken skulle vara ökad koldioxid i atmosfären. Ökningen av koldioxid är global i omfattning, och skulle inte fluktuera regionalt, sa Brookshire.

För att testa de fysiska förändringarna som pågår inuti växterna, Brookshire vände sig till MSU Herbarium, som rymmer tusentals växtprover från hela staten, samlat in under mer än 100 år.

"Herbariet är verkligen en skattkammare av inhemska växtarter, " sa Brookshire. "Vi valde ut fyra representativa arter för ekosystemen, tre gräs och en sagebrush, och tog sedan mycket noggrant prov på små delar av deras blad för kemisk och isotopanalys."

Efter att ha testat prover från herbariet, Brookshires team återvände till några av platserna för de historiska växtproverna och samlade in samtida prover för att jämföra de kemiska balanserna inom samma växtart så många som 100 år senare.

Analysera de kemiska och isotopförhållandena mellan kol och kväve i de historiska och samtida växtproverna, Brookshire fann minskade nivåer av kväve och ökade nivåer av kol i de senaste proverna. De fann också att växterna hade ökat i vattenanvändningseffektivitet – förhållandet mellan hur mycket koldioxid de tar upp per vattenenhet – med mer än 30 % sedan 1970-talet. Dessa mätningar bekräftade hans hypotes att växterna anpassade sig till förändringar i jordens atmosfär över tiden.

"I grunden växter behöver koldioxid, vatten, solljus och näringsämnen, speciellt kväve, att fotosyntetisera och växa, " sa han. "När en av dessa spakar höjs, de andra måste anpassa sig. Växter i dessa ekosystem har anpassat sig till ökad koldioxid genom att upprätthålla ett konstant förhållande mellan vad som finns inuti deras löv och vad som är utanför."

Brookshire sa att de långsiktiga förändringarna i växtkemin kan ha negativa effekter på ekosystemen. Så småningom kommer begränsningar för grönare att uppstå, särskilt i hur lite kväve växter kan överleva på.

"Växter kan inte öka effektiviteten i vatten- eller kväveanvändningen på obestämd tid, " sade han. "Dessa resultat är viktiga för utvecklingen av nästa generations ekosystemmodeller eftersom växter sannolikt kommer att behöva anpassa näringsinsamlingsstrategier."

Det förändrade växtsminket kan också påverka de varelser som äter dessa växter. Med ökad koldioxid kommer ökade växtsocker, och minskat kväve kommer minskat proteininnehåll, vilket skulle kunna leda till kosteffekter för växtätare och till och med förändringar i näringen av grödor som odlas i Northern Great Plains och Northern Rocky Mountains för mänsklig konsumtion.

"Det finns en stor mängd osäkerhet i hur klimatförändringar, ökningar i gräsmarksproduktivitet och försämring av växtvävnadskvalitet påverkar ekosystemen över de norra stora slätterna just nu, " sade Brookshire. "Det är svårt men ändå viktigt att förstå hur de kommer att fortsätta att förändras under nästa århundrade och därefter."