Wetenschap
Hoe stijgende boomgrenzen Alpenmeren kunnen beïnvloeden
Een EPFL-wetenschapper heeft samen met collega's van universiteiten in heel Europa het allereerste kwantitatieve onderzoek voltooid naar de veranderingen die organisch materiaal in de bodem uit bossen kan veroorzaken in meren op grote hoogte en op hoge breedtegraden, zodra het in het water is opgelost.
Als gevolg van de opwarming van de aarde rijzen er overal ter wereld boomgrenzen. Afhankelijk van de regio stijgen ze tussen de 10 en 100 meter per jaar, waardoor bossen steeds dichter bij meren op grote en breedtegraden komen. Dit zal ongetwijfeld impact hebben op beide ecosystemen.
Voor het eerst heeft een team van wetenschappers goed gekeken naar wat de mogelijke gevolgen kunnen zijn op moleculair niveau. Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications , suggereren dat stijgende boomgrenzen de opgeloste organische stof (DOM) in meren op grote hoogte en op hoge breedtegraden kunnen beïnvloeden en de biogeochemische samenstelling van meerwater kunnen veranderen.
Concreet merkten de wetenschappers op dat natuurlijke bacteriën die aan deze nieuwe koolstof worden blootgesteld, mogelijk minder effectief worden in het produceren van biomassa, waardoor een potentiële bron van broeikasgasemissies ontstaat. Deze ontdekking is bijzonder belangrijk gezien de duizenden van dergelijke meren op onze planeet.
De organische koolstof in de bodem is verschillend samengesteld, afhankelijk van of het zich in een alpenweide of in een bos bevindt. Tot nu toe wisten wetenschappers niet zeker hoe de organische koolstof in de bodem zou reageren zodra deze in alpiene en subarctische meren zou sijpelen.
Deze meren bevatten al kleine hoeveelheden DOM, dat een cruciale rol speelt als hulpbron voor natuurlijke bacteriën. Maar naarmate de boomgrens verder reikt, zal de bodemsamenstelling rond de meren veranderen en als het regent of als de sneeuw smelt, zal de organische koolstof in de bodem naar de meren worden getransporteerd.
Dit is het proces dat het onderzoeksteam – inclusief Hannes Peter van EPFL – bestudeerde. Peter is ecoloog en biogeochemicus bij EPFL's River Ecosystems Laboratory (RIVER), onderdeel van het ALPOLE-onderzoekscentrum voor alpiene en polaire omgevingen in Sion.
Meren in Noord-Finland en de Oostenrijkse Alpen
Meerbacteriën reageren over het algemeen op twee manieren op DOM:ofwel voeden ze zich ermee en groeien ze om de biomassa te produceren die de basis vormt van de voedselketen; of ze verwerken het inefficiënt en ademen het in als CO2 . Om deze mechanismen nader te bestuderen, voerden de onderzoekers veldexperimenten uit bij een meer op hoge breedtegraad in Noord-Finland en een meer op grote hoogte in Oostenrijk, en combineerden dit met laboratoriumexperimenten en analyses.
"Ons plan was om bacteriën uit het meer bloot te stellen aan organische koolstof uit verschillende grondsoorten", zegt Peter. "We verzamelden watermonsters van het meer en voegden uit de bodem afkomstige DOM toe, zowel boven als onder de boomgrens, en observeerden vervolgens de reactie van de bacterie.
"We wilden weten of ze meer biomassa zouden produceren of in plaats daarvan CO2 zouden vrijgeven . Het antwoord was dat de bacteriën bij blootstelling aan uit de bodem afkomstig DOM van onder de boomgrens meer CO2 uitstoten. ."
Individuele koolstofmoleculen oplossen
Het team gebruikte een geavanceerd, uiterst nauwkeurig instrument dat was geïnstalleerd bij een partneruniversiteit in Duitsland om hun analyses uit te voeren. Met dit instrument konden ze elk DOM-molecuul afzonderlijk onderzoeken.
"De geavanceerde technologie en krachtige systemen die nu beschikbaar zijn voor het analyseren van koolstof laten ons in de 'black box' kijken", zegt Peter. "We identificeerden meer dan 2.500 moleculen in de DOM en konden begrijpen welke de bacteriën het snelst metaboliseerden.
“We hebben ook het hele afbraakproces bestudeerd. Zo konden we concluderen dat bacteriën in bergmeren mogelijk meer CO2 uitstoten als de boomgrens stijgt."
Hij legt verder uit dat de gevolgen aanzienlijk kunnen zijn. "Ons onderzoek was slechts de eerste stap. We hebben alleen gekeken naar hoe efficiënt de bacteriën zijn in het omgaan met de DOM. Er is meer onderzoek nodig om te bepalen hoe de extra koolstof het milieu zal beïnvloeden. Maar wat fascinerend is aan bacteriën is hoe snel ze zich kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden."
In kaart brengen van de uitbreiding van het alpenbos in Zwitserland
Een andere groep wetenschappers van het ALPOLE-onderzoekscentrum van EPFL bestudeert ook de effecten van verschuivende boomgrenzen. Thien-Anh Nguyen, een Ph.D. student aan het Environmental Computational Science and Earth Observation Laboratory (ECEO) en haar collega's hebben een AI-gestuurd programma ontwikkeld dat de bosuitbreiding in de Zwitserse Alpen over een periode van 80 jaar in kaart brengt.
Het programma is beschikbaar in open source en laat duidelijk zien hoe de boomgrens is verschoven naar hoger gelegen gebieden in de Waadtlandse en Walliser Alpen.
Nguyen en haar collega's trainden hun algoritmen met behulp van duizenden foto's die tussen 1946 en 2020 zijn gemaakt en zijn verstrekt door het Zwitserse Federale Bureau voor Topografie. De uitdaging was om de algoritmen effectief te trainen, ondanks het brede scala aan beeldkwaliteit en resolutie in de dataset.
Het programma illustreert hoe snel de verandering plaatsvindt, voornamelijk als gevolg van de hogere temperaturen en het verlaten van landbouwgrond – en zal worden gebruikt om het effect van deze twee factoren te kwantificeren.
Nguyen's onderzoek, gepubliceerd in Remote Sensing of Environment , is de eerste die de voortgang van de Alpenboomgrens op zo'n grote schaal en op zo'n gedetailleerd niveau in kaart brengt.