Рост биомассы хвойного леса отследили по свечению хлорофилла

Ученые использовали слабую флуоресценцию фотосинтезирующего пигмента растений хлорофилла для определения прироста массы хвойного леса, который трудно определить другими методами. Полученные результаты впервые позволили связать увеличение количества органического вещества вечнозеленой экосистемы с экспериментально определяемым свечением на масштабе сезона. 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.

«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».

Недавно ученые нашли самые высокогорные сосудистые растения (внутри них движутся вода и питательные вещества) и узнали, как синхронизированные циклы деревьев подавляют биологическое разнообразие. Также мы подробно писали, что лесам северного полушария уделяется непропорционально мало внимания со стороны международных организаций и чем это грозит.