植物化学研究探讨了绿化趋势

蒙大拿州立大学教授对北大平原和北洛矶山脉的植物化学研究已发表在《全球变化生物学》上，这是一本著名的期刊，致力于探索生物过程与环境变化之间的联系。

密歇根州立大学农学院土地资源与环境科学系副教授杰克·布鲁克希尔(Jack Brookshire)将来自北大平原和北落基山脉周围300多个地点的卫星数据和植物样本进行了合并，以研究绿化趋势，该指标代表通过光合作用提高植物生产力。该项目于2016年开始，得到了美国国家科学基金会EPSCoR资金和蒙大拿州农业实验站的研究拨款的支持。

布鲁克郡说：“使用遥感的研究表明，过去几十年来，地球的大部分陆地表面都变得越来越绿化，这主要是由于大气中二氧化碳的增加。”“但是，也有证据表明植物的氮含量正在下降。还没有人将对植物绿化趋势的分析与植物化学变化相结合。”

布鲁克希尔与合作者曾在美国威斯康星大学麦迪逊分校和爱达荷州立大学的大学以及研究生和本科生在密歇根州立大学研究是否区域气候变化或增加大气中碳的二氧化碳是的原因增加的跨过蒙大拿绿化和更广阔的北部大平原。布鲁克希尔说，虽然提高生产率似乎是一种好处，但问题是这些增长的可持续性以及增加的绿化是否会改变植物本身的化学组成。

这项工作首先从名为MODIS的NASA程序中筛选了近二十年的卫星数据，该程序每1-2天从地球整个表面收集一次数据。Brookshire小组分析了归一化植被差异指数数据，该数据可测量植物反射的光量。在过去的20年中，他们注意到北大平原和北落基山脉的绿化显着增加，但北大平原的差异更加明显。

布鲁克郡说：“我们认为，绿化增幅最大的地区是最温暖和最干燥的地方，因为它们在应对二氧化碳和气候变化方面的边际收益最大。”“此外，在过去的几十年中，许多大平原北部地区的降雨量都有所增加，我们发现有证据表明这是绿化趋势的主要驱动力。”

但是，尽管绿化趋势随地理位置而变化，但布鲁克郡想了解植物本身在两个区域内的生理变化是否一致。如果是这样，最可能的原因将是大气中二氧化碳的增加。Brookshire说，二氧化碳的增加在全球范围内，不会在区域内波动。

为了测试植物内部发生的物理变化，布鲁克希尔求助于MSU植物标本室，该植物标本室收集了全州超过100年的数千种植物样品。

布鲁克郡说：“植物标本室确实是本地植物的宝库。”“我们为生态系统选择了四个代表性物种，三个草和一个鼠尾草，然后非常仔细地采样了叶子的一小部分，以进行化学和同位素分析。”

在测试了植物标本室的样本后，布鲁克郡的团队返回了历史植物样本的某些地点，并收集了当代样本，以比较多达100年后同一植物物种内部的化学平衡。

通过分析历史和现代植物样品中碳和氮的化学和同位素比，布鲁克郡发现最近样品中的氮含量降低而碳含量升高。他们还发现，自1970年代以来，这些植物的水分利用效率(每单位水吸收二氧化碳的比例)提高了30%以上。这些测量结果证实了他的假设，即植物会随着时间的推移适应地球大气的变化。

他说：“从根本上说，植物需要二氧化碳，水，阳光和养分，尤其是氮，才能光合作用和生长。”“当其中一种杠杆增加时，其他杠杆必须进行调整。这些生态系统中的植物已经通过维持叶片内部与外部之间的恒定比率来适应二氧化碳的增加。”

布鲁克郡说，植物化学的长期变化可能会对生态系统产生不利影响。最终将限制绿化，特别是在氮植物赖以生存的地方。

他说：“植物不能无限地提高水或氮的利用效率。”“这些发现对于下一代生态系统模型的开发非常重要，因为植物可能必须调整营养素获取策略。”

不断变化的植物成分也会影响吃这些植物的生物。随着二氧化碳增加，植物糖增加，氮减少，蛋白质含量减少，这可能导致食草动物的饮食受到影响，甚至导致北大平原和北落基山脉生长的人类食用作物的营养发生变化。

布鲁克希尔说：“目前，气候变化，草地生产力的提高和植物组织质量的下降如何影响整个北大平原的生态系统存在很大的不确定性。”“了解它们在下一世纪及以后的时间里将如何继续变化是困难而又重要的。”

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