Zoals de meesten van ons op school leerden, planten gebruiken zonlicht om koolstofdioxide (CO ₂ ) en water in koolhydraten in een proces dat fotosynthese wordt genoemd. Maar de 'fabrieken' van de natuur voorzien ons niet alleen van voedsel, ze genereren ook inzicht in hoe ecosystemen zullen reageren op een veranderend klimaat en een met koolstof gevulde atmosfeer.

Vanwege hun vermogen om waardevolle producten te maken van organische verbindingen zoals CO ₂ , planten staan ​​bekend als 'primaire producenten'. Bruto primaire productie (GPP), die de snelheid van CO . kwantificeert ₂ fixatie in planten door fotosynthese, is een belangrijke maatstaf om de gezondheid en prestaties van elk plantaardig ecosysteem te volgen.

Een onderzoeksteam met het Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) van het Amerikaanse Department of Energy aan de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois heeft een product ontwikkeld om GPP nauwkeurig te meten:het SatelLite Only Photosynthesis Estimation Gross Primary Production (SLOPE GPP) product bij een dagelijkse tijdstap en ruimtelijke resolutie op veldschaal.

Het team maakte gebruik van de Blue Waters-supercomputer, gehuisvest in het U of I National Center for Supercomputing Applications (NCSA), in hun onderzoek. Hun paper werd gepubliceerd in Wetenschapsgegevens van het aardsysteem in februari 2021.

"Het kwantificeren van de snelheid waarmee planten in een bepaald gebied CO . verwerken ₂ is van cruciaal belang voor een wereldwijd begrip van koolstofcycli, landbeheer, en de gezondheid van water en bodem, vooral gezien de grillige omstandigheden van een opwarmende planeet, " zei Kaiyu Guan, projectleider en NCSA Blue Waters Professor.

"Het meten van fotosynthese is vooral relevant voor landbouwecosystemen, waar plantproductiviteit en biomassaniveaus direct gekoppeld zijn aan gewasopbrengst en dus voedselzekerheid. Ons onderzoek is direct van toepassing op niet alleen ecosysteemdiensten, maar ook maatschappelijk welzijn, " zei Chongya Jiang, een onderzoekswetenschapper op het project.

Bijzonder intrigerend is de relevantie van GPP-monitoring voor bio-energie landbouwecosystemen, waar de "fabrieken" van de gewassen speciaal zijn ontworpen om hernieuwbare biobrandstoffen te produceren. CO . kwantificeren ₂ fixatie in deze omgevingen is essentieel voor het optimaliseren van veldprestaties en het bijdragen aan de wereldwijde bio-economie. CABBI-wetenschappers, zoals Themaonderzoeker Duurzaamheid Andy VanLoocke, suggereren dat deze kritieke nieuwe gegevens kunnen worden gebruikt om modelsimulaties voor het opbrengstpotentieel van bio-energiegewassen te beperken.

De technologie die in dit experiment wordt gebruikt, is hypermodern. Zoals de naam al doet vermoeden, het is puur afgeleid van satellietgegevens, en daarom volledig gebaseerd op observatie in plaats van te vertrouwen op complexe, onzekere modelleringsmethoden.

Een voorbeeld van een op observatie gebaseerde technologie is zonne-geïnduceerde chlorofylfluorescentie (SIF), een zwak lichtsignaal uitgezonden door planten dat is gebruikt als een nieuwe proxy voor GPP. Geïnspireerd door hun jarenlange grondobservaties van SIF, De groep van Guan ontwikkelde een nog geavanceerdere methode om de schatting van GPP te verbeteren:het integreren van een nieuwe vegetatie-index genaamd "bodem-aangepaste nabij-infraroodreflectie van vegetatie" (SANIRv) met fotosynthetisch actieve straling (PAR).

SLOPE is gebouwd op deze nieuwe integratie. SANIRv vertegenwoordigt de efficiëntie van zonnestraling die wordt gebruikt door vegetatie, en PAR staat voor de zonnestraling die planten daadwerkelijk kunnen gebruiken voor fotosynthese. Beide statistieken zijn afgeleid van satellietwaarnemingen.

Door een analyse van 49 AmeriFlux-sites, onderzoekers ontdekten dat PAR en SANIRv kunnen worden gebruikt om GPP nauwkeurig te schatten. In feite, het SLOPE GPP-product kan 85% van de ruimtelijke en temporele variaties in GPP verklaren die zijn verkregen van de geanalyseerde locaties - een succesvol resultaat, en de beste prestatie ooit behaald op basis van deze gouden standaardgegevens. Aangezien zowel SANIRv als PAR "alleen satelliet" zijn, " dit is een prestatie waar onderzoekers al lang naar op zoek zijn, maar die nu pas wordt geïmplementeerd in een operationeel GPP-product.

Bestaande processen om GPP te kwantificeren zijn inefficiënt om drie belangrijke redenen:ruimtelijke (op afbeeldingen gebaseerde) precisie, temporele (op tijd gebaseerde) precisie, en latentie (vertraging in de beschikbaarheid van gegevens). Het SLOPE GPP-product gemaakt door het team van Guan maakt gebruik van satellietbeelden die twee keer zo scherp zijn als de meeste grootschalige onderzoeken (metingen op 250 meter versus de typische> 500 meter) en haalt gegevens op over een dagelijkse cyclus, acht keer fijner dan de norm. Belangrijker, dit nieuwe product heeft een latentie van één tot drie dagen, terwijl bestaande datasets maanden of zelfs jaren achterblijven. Eindelijk, de meeste GPP-producten die tegenwoordig worden gebruikt, zijn eerder op analyse dan op observatie gebaseerd, de statistieken die ze gebruiken om GPP te berekenen (bijv. bodemvocht, temperatuur, enz.) zijn afgeleid van algoritmen in plaats van reële omstandigheden die zijn afgeleid van satellietwaarnemingen.

"Fotosynthese, of GPP, vormt de basis voor het kwantificeren van het koolstofbudget op veldniveau. Zonder nauwkeurige GPP-informatie, het kwantificeren van andere koolstofgerelateerde variabelen, zoals de jaarlijkse koolstofverandering in de bodem, is veel minder betrouwbaar, "Zei Guan. "De Blue Waters-supercomputer maakte onze peta-bytes computing mogelijk. We zullen deze nieuwe GPP-gegevens gebruiken om ons vermogen om agrarische koolstofbudgetboekhouding te kwantificeren aanzienlijk te verbeteren, en het zal dienen als een primaire input om de modellering van organische koolstofverandering in de bodem te beperken voor elk veld dat kwantificering van de koolstof in de bodem vereist. Naast de SLOPE GPP-gegevens, vergelijkbare methoden stellen ons in staat om GPP-gegevens te genereren met een resolutie van 10 meter en een dagelijkse resolutie om zelfs precisielandbouwbeheer op subvelden mogelijk te maken."