Рост биомассы хвойного леса отследили по свечению хлорофилла
Эти данные позволят определить реакцию лесов на изменение климата, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Вечнозеленые леса северного полушария Земли содержат существенную долю всего органического углерода на планете, а также играют значительную роль в круговороте углерода в виде углекислого газа (CO2) между биосферой и атмосферой. В отличие от лиственных лесов, активность которых достаточно просто отследить по вегетационным индексам (с помощью спутников определяют площадь, занимаемую зеленой листвой), вечнозеленые леса не меняют внешнего вида, хотя и перестают интенсивно фотосинтезировать в холодное время года.
Существуют свидетельства, что наблюдающиеся в последние годы повышенные среднегодовые температуры ускорили прирост валовой первичной продукции (Gross Primary Production, GPP) — суммарного количества органического вещества — многих вечнозеленых экосистем высоких широт. Вместе с тем потепление может негативно сказываться на количестве доступной растениям воды, тем самым ограничивая возможность усвоения углерода, стимулируя клеточное дыхание и приводя к итоговому выходу углерода в атмосферу.
Ученые разрабатывают методы слежения за динамикой биомассы лесных экосистем, которые базируются на наземных и космических измерениях локальных концентраций углекислого газа. Однако разделение суммарных потоков на компоненты, такие как рост GPP (захват CO2 из атмосферы) и клеточное дыхание (выделение CO2), оказывается сложной задачей, особенно для вечнозеленых лесов, для которых характерны значительные колебания эффективности усваивания света при сохранении структуры полога и занимаемой листьями или иголками площади.
Дополнительными затруднениями являются часто наблюдаемая на высоких широтах плотная облачность и отбрасываемые облаками тени, наличие снега и открытых водных поверхностей, которые значительно осложняют обработку спутниковых данных. Также вечнозеленые леса часто произрастают на сложных ландшафтах с возвышенностями, что делает малопригодным метод микровихревых пульсаций (eddy covariance) — один из основных способов определения потоков в атмосфере. В результате сезонные колебания прироста GPP в случае вечнозеленых лесов определяются с плохой точностью, что остается одной из важнейших неизвестных в моделях наземной биосферы.
Трой Магни (Troy Magney) из Калифорнийского технологического института и его коллеги впервые смогли зафиксировать сезонные изменения GPP вечнозеленого леса. Для этого авторы наблюдали вызываемую Солнцем флуоресценцию хлорофилла (Solar-Induced Fluorescence, SIF) — связанный с фотосинтезом процесс излучения низкоэнергетического фотона при переходе хлорофилла в основное состояние после возбуждения солнечным излучением.
Ученые исследовали SIF при помощи спектрометра, установленного на 26-метровой башне посреди хвойного леса в Колорадо, США. В результате авторам впервые удалось связать это свечение с физиологией иголок, активностью фотосинтеза и получаемыми со спутника данными. Оказалось, что колебания интенсивностью SIF на масштабе дней и месяцев хорошо коррелируют с приростом GPP. Весной в иголках деревьев активируется хлорофилл, что провоцирует как фотосинтез, так и флуоресценцию, так как растения используют защитные пигменты, которые производятся в ксантофилловом цикле и оберегают клетки от негативного действия солнечного света во время зимы.
Сезонная динамика GPP и SIF в течение года. Хорошо заметна высокая скоррелированность данных параметров. Troy S. Magney et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019
Концентрации хлорофилла (зеленый), максимальной квантовой эффективности фотосинтеза (синий) и степени адаптации состояния ксантофиллового цикла к низкому освещению (фиолетовый). Troy S. Magney et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019
«Мы пытаемся разработать методы слежения за фотосинтезом на больших масштабах, что позволит определять количество усваиваемого биосферой CO2, — говорит Магни. — В конечном счете, измерение слабого флуоресцентного свечения растений обеспечит точное определение величины и времени поглощения углерода наземной биосферой. Это поможет нам понять, как леса реагируют на изменением климата, и предположить, как они сами поменяются в будущем».