CABBI:s Kaiyu Guan (vänster) och Chongya Jiang hoppas kunna utnyttja sin banbrytande SLOPE GPP-produkt inte bara för att främja jordbruksvetenskapen, utan för mänsklighetens välbefinnande. Genom att använda exakt, snabba satellitdata för att mäta grödors CO2-intag, forskargruppen kan mäta den övergripande hälsan och produktiviteten hos bioenergiekosystem. Kredit:Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI)
Som de flesta av oss lärde oss i skolan, växter använder solljus för att syntetisera koldioxid (CO 2 ) och vatten till kolhydrater i en process som kallas fotosyntes. Men naturens "fabriker" förser oss inte bara med mat – de genererar också insikter om hur ekosystem kommer att reagera på ett förändrat klimat och kolfylld atmosfär.
På grund av deras förmåga att göra värdefulla produkter från organiska föreningar som CO 2 , växter är kända som "primärproducenter". Brutto primärproduktion (GPP), som kvantifierar graden av CO 2 fixering i växter genom fotosyntes, är ett nyckelmått för att spåra hälsan och prestanda för alla växtbaserade ekosystem.
En forskargrupp med det amerikanska energidepartementets Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) vid University of Illinois Urbana-Champaign utvecklade en produkt för att exakt mäta GPP:SatelLite Only Photosynthesis Estimation Gross Primary Production (SLOPE GPP)-produkten vid en dagliga tidssteg och rumslig upplösning i fältskala.
Teamet utnyttjade Blue Waters superdator, inrymt vid U of I National Center for Supercomputing Applications (NCSA), i sin forskning. Deras tidning publicerades i Earth System Science Data i februari 2021.
"Kvantifiera hastigheten med vilken växter i ett givet område bearbetar CO 2 är avgörande för en global förståelse av kolkretslopp, markförvaltning, och vatten- och markhälsa - särskilt med tanke på de oberäkneliga förhållandena på en värmande planet, sa Kaiyu Guan, projektledare och NCSA Blue Waters professor.
"Att mäta fotosyntes är särskilt relevant för jordbrukets ekosystem, där växternas produktivitet och biomassanivåer är direkt kopplade till skörden och därmed livsmedelssäkerheten. Vår forskning gäller inte bara ekosystemtjänster, men också socialt välbefinnande, sade Chongya Jiang, en forskare på projektet.
Av särskild intriger är relevansen av GPP-övervakning för bioenergijordbruksekosystem, där grödornas "fabriker" är specialdesignade för att producera förnybara biobränslen. Kvantifiera CO 2 fixering i dessa miljöer är avgörande för att optimera fältprestanda och bidra till den globala bioekonomin. CABBI forskare, som forskaren Andy VanLoocke om hållbarhetstema, föreslår att dessa viktiga nya data kan användas för att begränsa modellsimuleringar för skördepotentialer för bioenergigrödor.
Tekniken som används i detta experiment är banbrytande. Som namnet antyder, den är enbart härledd från satellitdata, och därför helt observationsbaserad i motsats till att förlita sig på komplexa, osäkra modelleringsmetoder.
Ett exempel på en observationsbaserad teknologi är solinducerad klorofyllfluorescens (SIF), en svag ljussignal som sänds ut av växter som har använts som en ny proxy för GPP. Inspirerade av deras år långa markobservationer av SIF, Guans grupp utvecklade en ännu mer avancerad metod för att förbättra GPP-uppskattningen:att integrera ett nytt vegetationsindex som kallas "jordjusterad nära-infraröd reflektans av vegetation" (SANIRv) med fotosyntetiskt aktiv strålning (PAR).
SLOPE bygger på denna nya integration. SANIRv representerar effektiviteten av solstrålning som används av vegetation, och PAR representerar den solstrålning som växter faktiskt kan använda för fotosyntes. Båda måtten härleds från satellitobservationer.
Genom en analys av 49 AmeriFlux-webbplatser, forskare fann att PAR och SANIRv kan utnyttjas för att exakt uppskatta GPP. Faktiskt, SLOPE GPP-produkten kan förklara 85 % av rumsliga och tidsmässiga variationer i GPP som förvärvats från de analyserade platserna – ett framgångsrikt resultat, och den bästa prestanda som någonsin uppnåtts med dessa guldstandarddata. Eftersom både SANIRv och PAR är "endast satellit, "Detta är en prestation som forskare länge har eftersträvat men som just nu implementeras i en operativ GPP-produkt.
Befintliga processer för att kvantifiera GPP är ineffektiva av tre viktiga skäl:rumslig (bildbaserad) precision, temporal (tidsbaserad) precision, och latens (fördröjning i datatillgänglighet). SLOPE GPP-produkten skapad av Guans team använder satellitbilder dubbelt så skarpa som de flesta storskaliga studier (mätningar på 250 meter jämfört med typiska> 500 meter) och hämtar data om en daglig cykel, åtta gånger finare än normen. Mer viktigt, den här nya produkten har mellan en och tre dagars latens, medan befintliga datauppsättningar släpar efter med månader eller till och med år. Till sist, majoriteten av GPP-produkter som används idag är analys- snarare än observationsbaserade - de mått de använder för att beräkna GPP (t.ex. markfuktighet, temperatur, etc.) härleds från algoritmer snarare än verkliga förhållanden från satellitobservationer.
"Fotosyntes, eller GPP, är grunden för att kvantifiera koldioxidbudgeten på fältnivå. Utan korrekt GPP-information, kvantifiera andra kolrelaterade variabler, som årlig kolförändring i marken, är mycket mindre pålitlig, ", sa Guan. "Superdatorn Blue Waters gjorde vår peta-byte-beräkning möjlig. Vi kommer att använda dessa nya GPP-data för att avsevärt förbättra vår förmåga att kvantifiera jordbrukets koldioxidbudgetredovisning, och det kommer att fungera som en primär input för att begränsa modelleringen av markens organiska kolförändring för varje fält som kräver markens kolkvantifiering. Förutom SLOPE GPP-data, liknande metoder tillåter oss att generera GPP-data med 10-meters och daglig upplösning för att till och med möjliggöra precisionsstyrning av jordbruket under fält."
