Fotosynthese op aarde wordt gereguleerd door plantenfenologie - hoe plantenlevenscycli interageren met het klimaat - en omgevingscondities, die beide de afgelopen decennia aanzienlijk zijn veranderd. In tegenstelling tot fotosynthese in het vroege seizoen, die meestal wordt aangedreven door opwarmingstemperaturen of het begin van het natte seizoen, fotosynthese in het late seizoen kan worden beperkt door verschillende factoren, zoals de levenscyclus van planten en straling, en de onderliggende mechanismen worden minder begrepen. De fotosynthese in het late seizoen op het land draagt ​​in hoge mate bij aan de jaarlijkse totale koolstoffixatie en is klimaatgevoelig. Wetenschappers zijn het er in het algemeen over eens dat de temperatuurbeperking op de fotosynthese in het late seizoen zal verminderen met opwarming, maar de effecten van de beschikbaarheid van water zijn zeer onzeker.

Een nieuwe studie van Columbia Engineering toont aan dat verhoogde waterstress - hogere frequentie van droogte als gevolg van hogere temperaturen, gaat de fenologische cyclus beperken:in feite, door de fotosynthese af te sluiten, het zal aan het einde van het seizoen een lagere koolstofopname genereren, en draagt ​​zo bij aan een grotere opwarming van de aarde. De onderzoekers gebruikten zowel teledetectiegegevens als in-situ-waarnemingen om de temperatuur- en waterbeperkingen op het einde van de fotosynthesedatum te analyseren. Ze ontdekten dat waterbeperking bij fotosynthese in het late seizoen wordt gereguleerd door zowel het bodemwater als de gemiddelde jaartemperatuur. Modellen van het aardsysteem hebben opwarming en uitdroging van de bodem over het grootste deel van het landoppervlak voorspeld door, en dus is het duidelijk dat de beschikbaarheid van water steeds belangrijker zal worden als een beperkende factor voor de fotosynthese in het late seizoen en de opname van koolstof.

"We wilden begrijpen wat de drijvende factor is achter de fotosynthese van planten tijdens het late groeiseizoen, en hoe het in de toekomst zal veranderen, " zegt Pierre Gentine, universitair hoofddocent aard- en milieutechniek en verbonden aan het Earth Institute, wie leidde de studie die vandaag is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences . "Onze studie is een heel goed voorbeeld van hoe vooruitgang in teledetectietechnologieën kan worden gebruikt om langdurige vragen zoals deze op te lossen."

Het team gebruikte zowel machine learning als remote sensing om een ​​nieuwe dataset te genereren voor het in kaart brengen van de wereldwijde fotosynthese van planten. Ze vonden een contrasterend ruimtelijk patroon van temperatuur- en waterbeperkingen op fotosynthese aan het einde van het groeiseizoen. De scheidingsdrempel werd bepaald door de balans tussen energiebeschikbaarheid en bodemwatervoorziening. Neerslag en temperatuur hadden belangrijke maar tegengestelde effecten op de fotosynthese aan het einde van het groeiseizoen voor ecosystemen op verschillende locaties:als de fotosynthese van planten in sommige gebieden wordt beperkt door neerslag (positieve relatie met neerslag), temperatuur heeft waarschijnlijk een negatief effect, en vice versa.

"Wij zijn de eersten die aantonen dat de balans tussen bodemwater en energie-input in het ecosysteem bepaalt of het systeem wordt beperkt door neerslag of door temperatuur, " zegt de hoofdauteur van het onderzoek, Yao Zhang, een voormalig postdoc-onderzoeker bij Gentine en nu een postdoc-wetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory. "Naarmate de temperatuurbeperking afneemt, er is meer grondwater nodig om de verhoogde vegetatieactiviteit te ondersteunen, vooral tijdens het late groeiseizoen. CMIP5-modellen voorspellen toekomstige opwarming en droging, vooral tijdens het naseizoen, die beide de regio's met beperkt water verder moeten uitbreiden, veroorzaakt grote variaties en mogelijke afnamen in fotosynthese."

De studie is getiteld "Grote en geprojecteerde versterkende vochtbeperking bij fotosynthese aan het einde van het seizoen."