En EPFL-forskare har tillsammans med kollegor från universitet över hela Europa genomfört den första kvantitativa studien någonsin av de förändringar som organiskt material i marken från skogar kan orsaka i sjöar på hög höjd och på hög latitud när det väl har lösts upp i vattnet.
Trädgränser reser sig runt om i världen som ett resultat av den globala uppvärmningen. Beroende på region klättrar de mellan 10 och 100 meter per år – vilket för skogarna allt närmare sjöar på hög höjd och hög latitud. Detta kommer utan tvekan att ha en inverkan på båda ekosystemen.
För första gången har ett team av forskare tagit en närmare titt på vad de möjliga konsekvenserna kan bli på molekylär nivå. Deras resultat, publicerade nyligen i Nature Communications , tyder på att stigande trädlinjer kan påverka det lösta organiska materialet (DOM) i sjöar på hög höjd och på hög latitud och förändra den biogeokemiska sammansättningen av sjövatten.
Specifikt observerade forskarna att naturliga bakterier som exponeras för detta nya kol kan bli mindre effektiva för att producera biomassa – vilket skapar en potentiell källa till utsläpp av växthusgaser. Denna upptäckt är särskilt viktig med tanke på de tusentals sådana sjöarna på vår planet.
Markens organiskt kol är sammansatt olika beroende på om det är beläget i en alpin gräsmark eller en skog. Hittills var forskare inte säkra på hur det organiska kolet i marken som finns i marken skulle reagera när det sipprade in i alpina och subarktiska sjöar.
Dessa sjöar innehåller redan små mängder DOM, som spelar en viktig roll som resurs för naturliga bakterier. Men när trädgränsen framskrider kommer jordsammansättningen som omger sjöarna att förändras och när det regnar, eller när snön smälter, kommer det organiska kolet som finns i jorden att föras ut i sjöarna.
Detta är den process som forskargruppen – inklusive EPFL:s Hannes Peter – studerade. Peter är ekolog och biogeokemist vid EPFL:s River Ecosystems Laboratory (RIVER), en del av ALPOLE forskningscenter om alpina och polära miljöer i Sion.
Sjöbakterier svarar i allmänhet på DOM på ett av två sätt:antingen livnär de sig på det och växer för att producera den biomassa som utgör grunden för näringskedjan; eller så bearbetar de det ineffektivt och respirerar det som CO2 . För att studera dessa mekanismer närmare genomförde forskarna fältexperiment vid en sjö på hög latitud i norra Finland och en på hög höjd i Österrike, och parade detta med laboratorieexperiment och analyser.
– Vår plan var att exponera sjöbakterier för organiskt kol från olika typer av jord, säger Peter. "Vi samlade in sjövattenprover och lade till jordhärledd DOM från både ovan och under trädgränsen och observerade sedan bakteriens svar.
"Vi ville veta om de skulle producera mer biomassa eller istället släppa ut CO2 . Svaret var att när de exponerades för jord-härledd DOM från under trädgränsen, släppte bakterierna ut mer CO2 ."
Teamet använde ett sofistikerat instrument med hög precision installerat vid ett partneruniversitet i Tyskland för att utföra sina analyser. Med detta instrument kunde de undersöka varje DOM-molekyl individuellt.
"Den avancerade tekniken och de högpresterande systemen som nu finns tillgängliga för att analysera kol låter oss se inuti den "svarta lådan", säger Peter. "Vi identifierade över 2 500 molekyler i DOM och kunde förstå vilka bakterierna metaboliserade snabbast.
"Vi studerade också hela nedbrytningsprocessen. Det var så vi kunde dra slutsatsen att bakterier i alpina sjöar kan släppa ut mer CO2 när trädgränsen stiger."
Han fortsätter med att förklara att konsekvenserna kan bli betydande. "Vår studie var bara det första steget. Vi tittade bara på hur effektiva bakterierna är i att hantera DOM. Mer forskning behövs för att avgöra hur det ytterligare kolet kommer att påverka miljön. Men det som är fascinerande med bakterier är hur snabbt de kan anpassa sig till förändrade förhållanden."
En annan grupp forskare vid EPFL:s forskningscenter ALPOLE studerar också effekterna av skiftande trädlinjer. Thien-Anh Nguyen, en Ph.D. student vid Environmental Computational Science and Earth Observation Laboratory (ECEO) och hennes kollegor har utvecklat ett AI-drivet program som kartlägger skogens expansion i de schweiziska alperna under en 80-årsperiod.
Programmet är tillgängligt i öppen källkod och visar tydligt hur trädgränsen har skiftat mot högre höjder över Vaud- och Valais-alperna.
Nguyen och hennes kollegor tränade sina algoritmer med hjälp av tusentals fotografier tagna mellan 1946 och 2020 och tillhandahållna av Swiss Federal Office of Topography. Utmaningen var att träna algoritmerna effektivt trots det breda utbudet av bildkvalitet och upplösning som finns i datasetet.
Programmet illustrerar hur snabbt förändringen sker, främst på grund av de högre temperaturerna och övergiven jordbruksmark – och det kommer att användas för att kvantifiera effekten av dessa två faktorer.
Nguyens studie, publicerad i Remote Sensing of Environment , är den första att kartlägga utvecklingen av den alpina trädgränsen i så stor skala och på en sådan granulär nivå.
Mer information: Núria Catalán et al, Trädlinjeförskjutning kan påverka bearbetningen av löst organiskt material i sjön på höga latituder och höjder, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46789-5
Thiên-Anh Nguyen et al, Multi-temporal skogsövervakning i de schweiziska alperna med kunskapsstyrd djupinlärning, Remote Sensing of Environment (2024). DOI:10.1016/j.rse.2024.114109
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
