Bijna 100 jaar geleden, er was een vreemde, slow-motion overname van de Great Plains. Tijdens de Dust Bowl van de jaren dertig, terwijl een historische hittegolf en droogte het midden van de Verenigde Staten overspoelde, er was een dramatische verschuiving in de soorten planten die de regio bezetten.

Grassen die in het koelere noorden vaker voorkomen, begonnen de ongewoon hete en droge zuidelijke vlaktes over te nemen die gewoonlijk werden ingenomen door andere inheemse grassen.

Destijds, natuurlijk, deze verschuiving in plantbedekking was niet de grootste zorg tijdens een ramp die zo'n 2,5 miljoen mensen ontheemde en alleen al ten minste 1,9 miljard dollar aan landbouwverliezen veroorzaakte. En, in feite, het leek niet zo vreemd - totdat wetenschappers meer begonnen te leren over dit soort planten.

"Wat er gebeurde werd pas veel later een mysterie, gebaseerd op ons latere begrip van de eigenschappen van de soorten die elkaar vervingen, " zei Alan Knapp, een University Distinguished Professor in de afdeling Biologie van de Colorado State University in het College of Natural Sciences en de senior ecoloog voor CSU's Graduate Degree Program in Ecology.

Tijdens de jaren zestig, onderzoekers ontdekten dat er een duidelijk ecologisch verschil was tussen deze twee soorten grassoorten met een warmer en koeler klimaat (één groep, bekend als "C4" gebruiken fotosynthese om een ​​verbinding met vier koolstofatomen te produceren, vergeleken met de andere, bekend als "C3, " waarvan de eerste fotosyntheseverbinding uit slechts drie koolstofatomen bestaat). De C4-grassen groeien het best bij warme temperaturen en zijn efficiënter in het gebruik van water. De C3-grassen komen het meest voor in koelere en nattere klimaten.

Wat de vraag opriep:waarom, tijdens een beruchte droogte en hittegolf, zouden C3-grassen plotseling zo'n 135 binnendringen, 000 vierkante mijl van de zuid-centrale V.S. Zo werd de "Dust Bowl-paradox" geboren.

Dit is niet alleen een kwestie van historische nieuwsgierigheid. Naarmate de klimaatverandering versnelt, grasland, die zo'n 30% tot 40% van het aardoppervlak van de aarde beslaan, zien nu al stijgende temperaturen en extreme variaties in regenval en zullen naar verwachting nog extremere droogtes meemaken. En, merkte Knapp op, "ze zijn een vitaal onderdeel van de lokale economieën, waar ze zich ook voordoen." Dus, begrijpen wat de plotselinge verschuiving van de Dust Bowl in grassoorten heeft veroorzaakt - en hun domino-effecten - is een steeds dringender wordende vraag.

"Omdat wordt voorspeld dat dergelijke extreme droogtes in de toekomst vaker zullen voorkomen bij klimaatverandering, het is belangrijk om te begrijpen waarom deze graslanden reageerden zoals ze deden, wat precies het tegenovergestelde was dat je zou voorspellen op basis van hun eigenschappen, ' zei Knap.

Nutsvoorzieningen, Op deze vraag hebben Knapp en zijn collega's een antwoord gevonden. In een nieuwe krant deze week gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , ze beschrijven een vier jaar durend experiment met kunstmatige droogte, uitgevoerd in graslanden in Kansas en Wyoming, dat een oplossing biedt voor het mysterie van de Dust Bowl-paradox.

"Deze studie ontsluit een puzzel over waarom C3-grassen C4-grassen kunnen overtreffen in warme, droge omstandigheden, " zei co-auteur Yiqi Luo van het Center for Ecosystem Science and Society aan de Northern Arizona University. "Naarmate de wereldwijde klimaatverschuivingen en neerslagpatronen veranderen, deze nieuwe lens is een belangrijk hulpmiddel om toekomstige vegetatiedynamiek en koolstofopslag te voorspellen."

Dit brengt ons terug bij het mysterie. Waarom zouden deze koel-liefhebbende, minder waterefficiënte C3-grassen de centrale VS zijn gaan domineren tijdens een historische hittegolf en droogte? Knapp en zijn collega's ontdekten dat het minder te maken had met de hoeveelheid neerslag en veel meer met wanneer die neerslag valt.

Tijdens een normaal groeijaar in de zuidelijke vlakten van de V.S. het grootste deel van het vocht valt in de zomer, tijdens het groeiseizoen. Maar in de noordelijke graslanden, neerslagpatronen zijn gelijkmatiger door het jaar heen. Het blijkt dat dit ook gebeurt tijdens extreme droogte - neerslag is veel minder gebonden aan de warme maanden, gelijkmatiger door het jaar heen.

Dus, met neerslag in patronen die meer lijken op de noordelijke vlaktes tijdens een droogte in het zuiden, C3-grassen vonden dat de grenzen van hun favoriete regenvaldynamiek zich naar het zuiden uitstrekten. En ze verspreidden zich.

De onderzoekers ontdekten ook dat de aantasting van C3-fabrieken een soort zelfvoorzienend vermogen heeft. Omdat ze vroeger in het jaar beginnen te groeien, "ze kunnen preventief grondwater gebruiken voordat C4-planten actief worden, verdere vermindering van de groei van C4-soorten, ' zei Knap.

Deze resultaten zijn niet alleen een kwestie van het tellen en volgen van soorten. De verschillende soorten grassen hebben ook verschillende kenmerken die kunnen leiden tot veranderingen in het algehele ecosysteem, klimaat, en landgebruik.

Bijvoorbeeld, C3-grassen hebben de neiging om gemiddeld een volle maand groener te worden dan C4-grassen, maar sterven eerder af, het verschuiven van de bodem-lucht koolstofuitwisseling in de regio. Minder efficiënt omgaan met water, C3-grassen zuigen meer vocht uit de bodem, wat een versterkend effect heeft, vooral in jaren waarin water al schaars is.

De tijd van het jaar waarin ze groeien, is ook van belang.

"Alle planten, wanneer actief groeiend en groen, verdampen aanzienlijke hoeveelheden water uit hun bladeren, Knapp legt uit. "Dit heeft een lokaal verkoelend effect. Omdat C3-grassen groeien als het koel is (in het voorjaar) maar niet midden in de zomer, het verkoelende effect gaat verloren wanneer het het meest nodig is - tijdens de hete zomermaanden. Dit betekent dat de verschuiving van C4- naar C3-groeipatronen kan leiden tot warmere zomers."

Het team is van plan om de effecten van deze seizoensveranderingen te blijven bestuderen - en het herstel ervan.

"Na de tien jaar durende Dust Bowl-droogte, overblijfselen van de impact van de droogte op de plantengemeenschappen waren gedurende 20 jaar duidelijk, " Zei Knapp. Dus de groep houdt nu in de gaten hoe lang het duurt voordat hun experimentele plots zijn hersteld na hun vier jaar durende experiment.

"Als zo'n wereldwijd uitgebreid systeem, graslanden spelen een grote rol in de wereldwijde koolstofcyclus en vegetatie-atmosferische interacties, "Knap zei, daarom zal het begrijpen van dergelijke grootschalige historische gebeurtenissen van cruciaal belang zijn bij de voorbereiding op de klimaatveranderingen van de toekomst.

De krant, "Het oplossen van de Dust Bowl-paradox van graslandreacties op extreme droogte, " verscheen 24 augustus in PNAS , samen met een paper van een collega-faculteitslid van de afdeling Biologie, University Distinguished Professor Diana Wall, die co-auteur was van een paper met de titel, "Genetische diversiteit van bodemongewervelden bevestigt timingschattingen voor eerdere instortingen van de West-Antarctische ijskap."