Het onderzoek van een professor aan de Montana State University over plantenchemie in de Northern Great Plains en Northern Rockies is gepubliceerd in: Global Change Biologie , een vooraanstaand tijdschrift dat onderzoek naar de verbanden tussen biologische processen en veranderingen in het milieu promoot.

Jack Brookshire, universitair hoofddocent bij het departement Land Resources and Environmental Sciences van het MSU College of Agriculture, gecombineerde satellietgegevens en plantenmonsters van meer dan 300 locaties rond de Northern Great Plains en Northern Rockies om trends in vergroening te onderzoeken, een metriek die de productiviteit van planten door middel van fotosynthese weergeeft. Het project begon in 2016 en werd ondersteund door EPSCoR-financiering van de National Science Foundation en een onderzoeksbeurs via het Montana Agriculture Experiment Station.

"Studies met teledetectie toonden aan dat een groot deel van het landoppervlak van de aarde de afgelopen decennia groener is geworden, voornamelijk als gevolg van de toegenomen koolstofdioxide in de atmosfeer, "zei Brookshire. "Echter, er waren ook aanwijzingen dat het stikstofgehalte van planten afnam. Niemand had nog analyses van vegetatievergroeningstrends gecombineerd met die veranderingen in de plantenchemie."

Brookshire werkte samen met medewerkers aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en de Idaho State University, evenals afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten aan MSU om te onderzoeken of regionale klimaatveranderingen of verhoogde atmosferische koolstofdioxide de oorzaak waren van de toegenomen vergroening in Montana en de bredere Northern Great Plains. Hoewel verhoogde productiviteit een voordeel lijkt, Brookshire zei dat de vraag is hoe duurzaam die verhogingen zijn en of toegenomen vergroening de chemische samenstelling van de planten zelf verandert.

Het werk begon met het doorzoeken van bijna twee decennia aan satellietgegevens van een NASA-programma genaamd MODIS, die elke 1-2 dagen gegevens verzamelt van het hele aardoppervlak. Brookshire's groep analyseerde genormaliseerde vegetatieverschilindexgegevens, die de hoeveelheid licht meet die door planten wordt weerkaatst. Meer dan 20 jaar, ze merkten op dat de vergroening over de Northern Great Plains en Northern Rocky Mountains aanzienlijk was toegenomen, maar het verschil was meer uitgesproken in de noordelijke Great Plains.

"De grootste toename van vergroening vond plaats op de plekken waar het het warmst en droogst was, we denken omdat ze de meest marginale winst hebben die te behalen is als reactie op kooldioxide en klimaatverandering, gezien de veranderingen in de plantenfysiologie die we waarnemen, "zei Brookshire. "Ook, een groot deel van de noordelijke Great Plains heeft de afgelopen decennia te maken gehad met een toename van de regenval, en we vinden bewijs dat dit een belangrijke aanjager is geweest van vergroeningstrends."

Echter, terwijl de trends in vergroening per geografische locatie verschilden, Brookshire wilde zien of fysiologische veranderingen in de planten zelf uniform waren in de twee regio's. Als, de meest waarschijnlijke oorzaak zou verhoogde atmosferische kooldioxide zijn. De toename van kooldioxide is wereldwijd, en zou niet regionaal fluctueren, zei Brookshire.

Om de fysieke veranderingen in de planten te testen, Brookshire wendde zich tot het MSU Herbarium, die duizenden plantenmonsters uit de hele staat herbergt, meer dan 100 jaar verzameld.

"Het herbarium is echt een schatkamer van inheemse plantensoorten, " zei Brookshire. "We selecteerden vier representatieve soorten voor de ecosystemen, drie grassen en een alsem, en vervolgens zeer zorgvuldig kleine delen van hun bladeren bemonsterd voor chemische en isotopenanalyse."

Na het testen van monsters uit het herbarium, Het team van Brookshire keerde terug naar enkele van de locaties van de historische plantenmonsters en verzamelde hedendaagse monsters om de chemische balansen binnen dezelfde plantensoort tot 100 jaar later te vergelijken.

Analyse van de chemische en isotopenverhoudingen van koolstof en stikstof in de historische en hedendaagse plantenmonsters, Brookshire vond in recente monsters verlaagde niveaus van stikstof en verhoogde niveaus van koolstof. Ze ontdekten ook dat de efficiëntie van het watergebruik van de planten - de verhouding van hoeveel koolstofdioxide ze per eenheid water opnemen - sinds de jaren zeventig met meer dan 30% was toegenomen. Deze metingen bevestigden zijn hypothese dat de planten zich in de loop van de tijd aanpasten aan veranderingen in de atmosfeer van de aarde.

"Fundamenteel, planten hebben koolstofdioxide nodig, water, zonlicht en voedingsstoffen, vooral stikstof, om te fotosynthetiseren en te groeien, " zei hij. "Als een van die hefbomen wordt vergroot, de anderen moeten zich aanpassen. Planten in deze ecosystemen hebben zich aangepast aan verhoogde koolstofdioxide door een constante verhouding te handhaven tussen wat zich in hun bladeren bevindt en wat er buiten is."

Brookshire zei dat de veranderingen op de lange termijn in de chemie van planten nadelige effecten kunnen hebben op ecosystemen. Uiteindelijk zullen er beperkingen aan vergroening ontstaan, vooral in hoe weinig stikstofplanten kunnen overleven.

"Planten kunnen de efficiëntie van het water- of stikstofgebruik niet oneindig verhogen, " zei hij. "Deze bevindingen zijn belangrijk voor de ontwikkeling van de volgende generatie ecosysteemmodellen, aangezien planten waarschijnlijk de strategieën voor het verwerven van voedingsstoffen zullen moeten aanpassen."

De veranderende plantensamenstelling kan ook van invloed zijn op de wezens die die planten eten. Met verhoogde kooldioxide komen verhoogde plantensuikers, en afnemende stikstof leidt tot een lager eiwitgehalte, wat kan leiden tot voedingseffecten voor herbivoren en zelfs tot veranderingen in de voeding van gewassen die in de Northern Great Plains en Northern Rocky Mountains worden verbouwd voor menselijke consumptie.

"Er is veel onzekerheid over hoe klimaatverandering, verhogingen van de productiviteit van grasland en afname van de kwaliteit van het plantenweefsel hebben op dit moment gevolgen voor ecosystemen in de noordelijke Great Plains, "zei Brookshire. "Het is moeilijk maar belangrijk om te begrijpen hoe ze de komende eeuw en daarna zullen blijven veranderen."