С 2003 по 2021 год наземные растения способствовали увеличению глобального фотосинтеза, тенденция, частично компенсируемая слабым снижением фотосинтеза у морских водорослей, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Climate Change.
Результаты могут быть использованы для:
* оценки состояния планеты;
* улучшения управления экосистемами;
* прогнозирования изменений климата и разработки стратегий по их смягчению.
Фотосинтезирующие организмы — основа пищевой цепи
Фотосинтезирующие организмы, также известные как первичные производители, формируют основу пищевой цепи, делая возможной жизнь большинства организмов на Земле. Используя энергию солнца, первичные производители фиксируют или преобразуют углерод из воздуха в органическое вещество. Но первичные производители также выделяют углерод в процессе, называемом автотрофным дыханием, который чем-то похож на дыхание.
Чистая первичная продукция — это скорость накопления углерода после учёта потерь через дыхание.
«Чистая первичная продукция измеряет количество энергии, которую фотосинтезирующие организмы захватывают и делают доступной для поддержки почти всей другой жизни в экосистеме», — сказал первый автор Юлун Чжан, научный сотрудник в лаборатории Вэньхун Ли в Школе окружающей среды Университета Дьюка.
«Чистая первичная продукция определяет здоровье экосистемы, обеспечивает людей пищей и волокном, снижает антропогенные выбросы углерода и помогает стабилизировать климат Земли».
Предыдущие исследования
Предыдущие исследования чистой первичной продукции обычно фокусировались либо на наземных, либо на океанических экосистемах, оставляя пробелы в нашем понимании чистой первичной продукции на Земле и потенциальных последствий для смягчения последствий изменения климата.
Для этого исследования команда изучала годовые тенденции и изменчивость глобальной чистой первичной продукции, уделяя особое внимание взаимодействию между сухопутными и океаническими экосистемами.
«Если вы хотите оценить состояние планеты, вам нужно рассмотреть как наземные, так и морские области для комплексного представления о чистой первичной продукции», — сказал соавтор Николас Кассар, заведующий кафедрой Ли Хилла Сноудона Басса в Школе Николаса, который совместно руководил исследованием с Чжаном.
Наблюдения со спутников
Наблюдения со спутников предлагают непрерывный взгляд на фотосинтез растений и морских водорослей, называемых фитопланктоном. Специально разработанные спутниковые инструменты измеряют поверхностную зелень, которая представляет собой количество зелёного пигмента, называемого хлорофиллом, производимого фотосинтезирующими организмами.
Компьютерные модели затем оценивают чистую первичную продукцию, объединяя данные о зелени с другими данными об окружающей среде, такими как температура, свет и изменчивость питательных веществ.
Авторы нового исследования использовали шесть различных наборов спутниковых данных о чистой первичной продукции — три для суши и три для океанов — за период с 2003 по 2021 год. Используя статистические методы, они проанализировали ежегодные изменения чистой первичной продукции для суши и отдельно для океана.
Они обнаружили значительное увеличение чистой первичной продукции на суше со скоростью 0,2 миллиарда метрических тонн углерода в год в период с 2003 по 2021 год. Тенденция была широко распространена от умеренных до бореальных, или высокоширотных, областей, с заметным исключением в тропиках Южной Америки.
В то же время команда выявила общее снижение чистой первичной продукции в океане примерно на 0,1 миллиарда метрических тонн углерода в год за тот же период времени. Сильное снижение в основном происходило в тропических и субтропических океанах, особенно в Тихом океане.
В целом тенденции на суше преобладали над тенденциями в океанах: глобальная чистая первичная продукция значительно увеличилась в период с 2003 по 2021 год со скоростью 0,1 миллиарда метрических тонн углерода в год.
Чтобы понять потенциальные факторы окружающей среды, команда проанализировала такие переменные, как доступность света, температура воздуха и поверхности моря, осадки и глубина перемешивания — мера, отражающая степень перемешивания в верхнем слое океана ветром, волнами и поверхностными течениями.
«Сдвиг в сторону увеличения первичной продукции на суше в основном обусловлен растениями в более высоких широтах, где потепление продлило вегетационные периоды и создало более благоприятные температуры, а также в умеренных регионах, где наблюдалось локальное увлажнение в некоторых районах, расширение лесов и интенсификация сельскохозяйственных угодий», — сказал Вэньхун Ли, профессор наук о Земле и климате в Школе Николаса и соавтор исследования.
Потепление, по-видимому, имело противоположный эффект в некоторых районах океана. «Повышение температуры поверхности моря, вероятно, снизило первичную продукцию фитопланктона в тропических и субтропических регионах», — добавил Кассар. «Более тёплые воды могут наслаиваться на более холодные воды и мешать перемешиванию питательных веществ, необходимых для выживания водорослей».
Хотя суша способствовала общему увеличению глобального первичного производства, океан в основном влиял на годовую изменчивость, особенно во время сильных климатических явлений, таких как Эль-Ниньо и Ла-Нинья, обнаружили авторы.
«Мы наблюдали, что первичная продукция океана реагирует гораздо сильнее на Эль-Ниньо и Ла-Нинья, чем первичная продукция суши», — сказал соавтор Шинэн Ху, доцент кафедры климатической динамики в Школе Николаса. «Серия событий Ла-Нинья частично была ответственна за изменение тенденции в первичной продукции океана, которое мы выявили после 2015 года. Это открытие подчёркивает большую чувствительность океана к будущей изменчивости климата».
Исследование указывает на важную роль наземных экосистем в компенсации снижения чистой первичной продукции среди морских фитопланктонов, по мнению авторов.
Но они добавили, что снижение чистой первичной продукции в тропических и субтропических океанах в сочетании со стагнацией на суше в тропиках может ослабить основу тропических пищевых сетей с каскадными последствиями для биоразнообразия, рыболовства и местной экономики.
Со временем эти нарушения могут также подорвать способность тропических регионов функционировать в качестве эффективных поглотителей углерода, что может усилить последствия климатического потепления.
«Будет ли продолжаться снижение первичной продукции океана — и как долго и в какой степени увеличение на суше может компенсировать эти потери — остаётся ключевым нерешённым вопросом, имеющим серьёзные последствия для оценки состояния всех живых существ и для разработки стратегий по смягчению последствий изменения климата», — сказал Чжан.
«Долгосрочный, скоординированный мониторинг как суши, так и океанических экосистем как интегрированных компонентов Земли имеет важное значение».
Предоставлено Университетом Дьюка.