Новое исследование показывает, что растения поглощают на 31% больше CO2, чем предполагалось ранее, что увеличивает глобальный ПГП до 157 петаграмм в год. Используя карбонилсульфид в качестве косвенного показателя фотосинтеза, это исследование подчеркивает критическую роль тропических дождевых лесов как поглотителей углерода и подчеркивает важность точного моделирования фотосинтеза для прогнозирования климата.
Новая оценка ученых показывает, что растения по всему миру поглощают примерно на 31% больше углекислого газа, чем считалось ранее. Опубликованное в журнале Nature, это исследование, как ожидается, улучшит модели земной системы, используемые для прогнозирования климатических тенденций, и подчеркнет критическую роль естественного связывания углерода в смягчении выбросов парниковых газов.
Количество CO2, удаляемого из атмосферы посредством фотосинтеза наземных растений, известно как валовое первичное производство суши, или GPP. Оно представляет собой крупнейший обмен углерода между сушей и атмосферой на планете. GPP обычно указывается в петаграммах углерода в год. Один петаграмм равен 1 миллиарду метрических тонн, что примерно равно количеству CO2, ежегодно выбрасываемому 238 миллионами пассажирских автомобилей, работающих на газе.
Улучшенные оценки с помощью новых моделей
Группа ученых под руководством Корнельского университета и при поддержке Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики использовала новые модели и измерения, чтобы оценить ПГП суши в 157 петаграмм углерода в год, по сравнению с оценкой в 120 петаграмм, установленной 40 лет назад и используемой в настоящее время в большинстве оценок углеродного цикла Земли.
Исследователи разработали комплексную модель, которая отслеживает перемещение химического соединения карбонилсульфида, или OCS, из воздуха в хлоропласты листьев - фабрики внутри растительных клеток, осуществляющие фотосинтез. Исследовательская группа количественно оценила фотосинтетическую активность, отслеживая OCS. Это соединение в основном проходит тот же путь через лист, что и CO2, тесно связано с фотосинтезом, и его легче отследить и измерить, чем диффузию CO2. По этим причинам OCS используется в качестве косвенного показателя фотосинтеза на уровне растений и листьев. Данное исследование показало, что OCS хорошо подходит для оценки фотосинтеза в больших масштабах и в течение длительных периодов времени, что делает его надежным индикатором мирового GPP.
Для разработки модели команда использовала данные о растениях из различных источников. Одним из источников была база данных LeafWeb, созданная в ORNL в поддержку научного направления DOE Terrestrial Ecosystem Science Scientific Focus Area, или TES-SFA. LeafWeb собирает данные о фотосинтетических признаках от ученых со всего мира для поддержки моделирования углеродного цикла. Ученые проверили результаты моделирования, сравнив их с данными высокого разрешения с вышек мониторинга окружающей среды, а не со спутниковыми наблюдениями, которым может помешать облачность, особенно в тропиках.
Ключевым моментом в новой оценке является лучшее представление процесса, называемого диффузией мезофилла - того, как OCS и CO2 перемещаются из листьев в хлоропласты, где происходит фиксация углерода. Понимание диффузии мезофилла необходимо для того, чтобы понять, насколько эффективно растения осуществляют фотосинтез, и даже как они могут адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.
Важность мезофильной проводимости
Лянхун Гу, соавтор проекта, эксперт по фотосинтезу и выдающийся штатный ученый из Отдела экологических наук ORNL, помог разработать модель мезофильной проводимости, которая численно представляет диффузию OCS в листьях, а также связь между диффузией OCS и фотосинтезом.
«Выяснение того, сколько CO2 растения фиксируют каждый год, - это загадка, над которой ученые работают уже давно», - говорит Гу. «Первоначальная оценка в 120 петаграммов в год была установлена в 1980-х годах, и она закрепилась, пока мы пытались найти новый подход. Очень важно, чтобы мы хорошо понимали глобальный GPP, поскольку первоначальное поглощение углерода сушей влияет на все остальные наши представления об углеродном цикле Земли».
«Мы должны быть уверены, что фундаментальные процессы углеродного цикла правильно представлены в наших крупномасштабных моделях», - добавил Гу. Чтобы моделирование в масштабах Земли работало хорошо, они должны отражать наилучшее понимание происходящих процессов». Эта работа представляет собой большой шаг вперед с точки зрения предоставления окончательного числа».
Последствия для тропических дождевых лесов и будущих климатических прогнозов
По словам Гу, наибольшая разница между предыдущими оценками и новыми данными была зафиксирована в тропических дождевых лесах, что было подтверждено наземными измерениями. Это открытие позволяет предположить, что тропические леса являются более важным естественным поглотителем углерода, чем предполагалось ранее с помощью спутниковых данных.
Понимание того, сколько углерода может быть накоплено в наземных экосистемах, особенно в лесах с их большими запасами биомассы в древесине, необходимо для прогнозирования будущих изменений климата.
«Уточнение наших оценок ПГП с помощью надежных глобальных наблюдений - важнейший шаг в улучшении наших прогнозов будущего содержания CO2 в атмосфере и последствий для глобального климата», - сказал Питер Торнтон, корпоративный научный сотрудник и руководитель секции наук о земных системах в ORNL.
Результаты этого исследования указывают на важность включения ключевых процессов, таких как проводимость мезофилла, в модельные представления фотосинтеза». Целью проекта DOE «Эксперименты по изучению экосистем следующего поколения в тропиках» является продвижение модельных предсказаний реакции углеродного цикла тропических лесов на изменение климата. Эти результаты могут послужить основой для разработки новых моделей, которые позволят уменьшить неопределенность в прогнозах ГПП тропических лесов.