Климатологи не учли должным образом то, что растения делают ночью, и, как оказалось, это ошибка. Новое исследование Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) показало, что поглощение растениями питательных веществ в отсутствие фотосинтеза влияет на выбросы парниковых газов в атмосферу.
В исследовании, опубликованном сегодня в Nature Climate Change, ведущий автор Уильям Райли демонстрирует, как улучшить модели климата, чтобы более точно представить биогеохимическую динамику суши. Используя новую глобальную модель суши, которую они разработали и интегрировали в Энергетическую экзамасштабную модель системы Земли (E3SM) Министерства энергетики США, Райли и его команда обнаружили, что растения могут поглощать больше углекислого газа, а почвы теряют меньше закиси азота, чем считалось ранее. Их глобальные симуляции предполагают более слабую обратную связь наземной экосистемы с атмосферой, чем предсказывают современные модели.
«Это хорошие новости по отношению к тому, что в настоящее время используется в климатических моделях», - сказал Райли, ученый из отдела наук о Земле и окружающей среде лаборатории Беркли. «Но в целом это не очень хорошая новость - проблему это не решит. Несмотря ни на что, растения не справятся с антропогенными выбросами углекислого газа, просто они могут работать лучше, чем предполагают современные модели».
Человек выбрасывает рекордные 34 гигатонны CO2 в год, в среднем за последнее десятилетие. Примерно половина этого количества остается в атмосфере, а остальное поглощается океанами и сушей (посредством фотосинтеза); последнее количество, называемое земным поглотителем углерода, меняется из года в год в зависимости от таких факторов, как пожары, засуха, землепользование и погода.
Ученые пытаются понять, как увеличение глобальных выбросов углекислого газа повлияет на земной поглотитель углерода, который, по оценкам, в настоящее время составляет от 0 до 11 гигатонн CO2 в год, включая изменения в землепользовании, с большой межгодовой изменчивостью. Еще одно осложнение связано с земной закисью азота, которая представляет собой мощный парниковый газ, естественным образом выделяемый из земли, а также в результате сельскохозяйственной и промышленной деятельности. Другими словами, в какой степени растения смогут смягчить увеличение антропогенных выбросов углекислого газа?
Новое исследование лаборатории Беркли показало, что из-за неправильного учета того, что растения делают ночью и в период отсутствия вегетации, климатические модели могут недооценивать поглощение земного углерода и переоценивать выброс закиси азота, последнее на 2,4 гигатонны. CO2-эквивалента в год. «Это значительное число по сравнению с нынешним земным поглотителем углерода», - сказал Райли, - от примерно одной четверти до более чем 100 процентов, в зависимости от года.
Конкуренция растений и микробов за питательные вещества
Способность растений поглощать углекислый газ ограничена наличием в почве питательных веществ, особенно азота и фосфора. Чем больше питательных веществ, тем больше растений могут использовать увеличение содержания углекислого газа в атмосфере. Микробы в почве также являются важным фактором, потому что они конкурируют с растениями за питательные вещества.
Микробы, по сути, играют важную роль в круговороте углерода, а взаимодействие между растениями, почвой и микробами является сложным, что представляет собой проблему для ученых-климатологов. Большинство климатических моделей предполагают, что растения конкурируют за питательные вещества в почве только тогда, когда они нуждаются в них для фотосинтеза, а не, например, ночью или в периоды отсутствия вегетации.
«Большинство климатических моделей игнорировали эти довольно надежные данные наблюдений, показывающие, что растения получают азот из почвы, даже когда они не фотосинтезируют», - сказал Райли..
Лаборатория Беркли была сосредоточена на теме взаимодействия растений, почвы и микробов в рамках своей инициативы «От микробов к биомам», и это станет основной темой Центра интеграции биологических и экологических программ, или BioEPIC, предлагаемого объекта, который будет содержать единственные в своем роде экспериментальные возможности для достижения целей миссии Министерства энергетики в области энергетики и наук об окружающей среде. Одна из целей состоит в том, чтобы представить и изучить эти процессы в масштабе и контролируемым образом.
«Это исследование демонстрирует прогресс в более механистическом представлении земных процессов, которые важны для климата и будут важны для BioEPIC», - сказал Райли.
Снижение выбросов закиси азота
В этом исследовании исследователь из лаборатории Беркли Цин Чжу, соавтор статьи, провел метаанализ 120 экспериментов по кратковременному поглощению азота растениями, чтобы протестировать свою новую глобальную модель суши, названную ELMv1. «Мы также сравнили наблюдения за поглощением питательных веществ в ночное и дневное время, а также в периоды отсутствия вегетации», - сказал Райли.«Мы почти уверены, что основные механизмы модели верны, и этот метаанализ и наблюдения за отдельными участками подтверждают это».
Они обнаружили, что значительная часть питательных веществ усваивается в отсутствие фотосинтеза, поскольку растения и микробы конкурируют за питательные вещества. «Количество сильно различается в зависимости от широты, но в более высоких широтах, таких как Арктика, примерно 20 процентов годового потребления азота растениями приходится на вне вегетационный период. В тропиках это число достигает 55 процентов в ночное время», - сказал он. сказал. «Это очень важно для растений и будет способствовать поглощению углерода атмосферой, и в настоящее время это полностью игнорируется в большинстве климатических моделей».
«Этот тип улучшения модели поможет нам лучше понять последствия будущих выбросов CO2», - сказал Райли.