Les recherches d'un professeur de l'Université d'État du Montana sur la chimie des plantes dans les Grandes Plaines du Nord et les Rocheuses du Nord ont été publiées dans Biologie du changement global , une revue de premier plan qui promeut l'exploration des liens entre les processus biologiques et les changements environnementaux.

Jack Brookshire, professeur agrégé au Département des ressources foncières et des sciences de l'environnement du Collège d'agriculture MSU, ont combiné des données satellitaires et des échantillons de plantes provenant de plus de 300 emplacements autour des Grandes Plaines du Nord et des Rocheuses du Nord pour examiner les tendances du verdissement, une métrique qui représente la productivité des plantes par photosynthèse. Le projet a débuté en 2016 et a été soutenu par le financement EPSCoR de la National Science Foundation et une subvention de recherche par le biais de la Montana Agriculture Experiment Station.

"Des études utilisant la télédétection ont montré qu'une grande partie de la surface terrestre de la Terre est devenue plus verte au cours des dernières décennies, principalement en raison de l'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, " dit Brookshire. " Cependant, il y avait aussi des preuves que la teneur en azote des plantes diminuait. Personne n'avait encore combiné les analyses des tendances de verdissement de la végétation avec ces changements dans la chimie des plantes."

Brookshire a travaillé avec des collaborateurs de l'Université du Wisconsin-Madison et de l'Idaho State University, ainsi que des étudiants diplômés et de premier cycle de la MSU pour examiner si les changements climatiques régionaux ou l'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique étaient la cause de l'augmentation du verdissement dans le Montana et dans les grandes plaines du Nord. Bien qu'une productivité accrue puisse sembler un avantage, Brookshire a déclaré que la question est de savoir dans quelle mesure ces augmentations sont durables et si l'augmentation du verdissement modifie la composition chimique des plantes elles-mêmes.

Le travail a commencé par passer au crible près de deux décennies de données satellitaires d'un programme de la NASA appelé MODIS, qui collecte des données sur toute la surface de la Terre tous les 1-2 jours. Le groupe de Brookshire a analysé les données d'indice de différence de végétation normalisées, qui mesure la quantité de lumière réfléchie par les plantes. Plus de 20 ans, ils ont noté que le verdissement dans le nord des grandes plaines et des montagnes Rocheuses du nord avait considérablement augmenté, mais la différence était plus prononcée dans les Grandes Plaines du Nord.

« Les plus fortes augmentations du verdissement se sont produites dans les endroits où il faisait le plus chaud et le plus sec, nous pensons parce qu'ils ont les gains les plus marginaux à faire en réponse au dioxyde de carbone et au changement climatique compte tenu des changements dans la physiologie des plantes que nous observons, " dit Brookshire. " Aussi, une grande partie des Grandes Plaines du Nord a connu une augmentation des précipitations au cours des dernières décennies, et nous trouvons des preuves que cela a été l'un des principaux moteurs des tendances au verdissement. »

Cependant, tandis que les tendances du verdissement variaient selon l'emplacement géographique, Brookshire voulait voir si les changements physiologiques dans les plantes elles-mêmes étaient uniformes dans les deux régions. Si c'est le cas, la cause la plus probable serait une augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique. L'augmentation du dioxyde de carbone est d'ampleur mondiale, et ne fluctuerait pas au niveau régional, dit Brookshire.

Pour tester les changements physiques qui se produisent à l'intérieur des plantes, Brookshire s'est tourné vers l'Herbier MSU, qui abrite des milliers d'échantillons de plantes de tout l'État, collectées depuis plus de 100 ans.

"L'herbier est vraiment un trésor d'espèces végétales indigènes, " a déclaré Brookshire. " Nous avons sélectionné quatre espèces représentatives pour les écosystèmes, trois herbes et une armoise, puis échantillonné très soigneusement de petites sections de leurs feuilles pour une analyse chimique et isotopique. »

Après avoir testé des échantillons de l'herbier, L'équipe de Brookshire est retournée à certains des emplacements des échantillons de plantes historiques et a collecté des échantillons contemporains pour comparer les équilibres chimiques à l'intérieur de la même espèce végétale jusqu'à 100 ans plus tard.

Analyser les rapports chimiques et isotopiques du carbone et de l'azote dans les échantillons de plantes historiques et contemporaines, Brookshire a trouvé des niveaux réduits d'azote et des niveaux accrus de carbone dans des échantillons récents. Ils ont également constaté que les plantes avaient augmenté leur efficacité d'utilisation de l'eau - le rapport de la quantité de dioxyde de carbone qu'elles absorbent par unité d'eau - de plus de 30 % depuis les années 1970. Ces mesures ont confirmé son hypothèse selon laquelle les plantes s'adaptaient aux changements de l'atmosphère terrestre au fil du temps.

"Fondamentalement, les plantes ont besoin de dioxyde de carbone, l'eau, la lumière du soleil et les nutriments, surtout l'azote, faire de la photosynthèse et grandir, " dit-il. " Quand l'un de ces leviers est augmenté, les autres doivent s'adapter. Les plantes de ces écosystèmes se sont adaptées à l'augmentation du dioxyde de carbone en maintenant un rapport constant entre ce qu'il y a à l'intérieur de leurs feuilles et ce qu'il y a à l'extérieur. »

Brookshire a déclaré que les changements à long terme dans la chimie des plantes pourraient avoir des effets néfastes sur les écosystèmes. Finalement, des limites au verdissement apparaîtront, en particulier dans la façon dont peu d'azote les plantes peuvent survivre.

"Les plantes ne peuvent pas augmenter indéfiniment l'efficacité de l'utilisation de l'eau ou de l'azote, ", a-t-il déclaré. "Ces résultats sont importants pour le développement de la prochaine génération de modèles d'écosystèmes, car les plantes devront probablement ajuster leurs stratégies d'acquisition de nutriments."

La composition végétale changeante pourrait également avoir un impact sur les créatures qui mangent ces plantes. L'augmentation du dioxyde de carbone s'accompagne d'une augmentation des sucres végétaux, et la diminution de l'azote entraîne une diminution de la teneur en protéines, ce qui pourrait entraîner des impacts alimentaires pour les herbivores et même des changements dans la nutrition des cultures cultivées dans les Grandes Plaines du Nord et les Montagnes Rocheuses du Nord pour la consommation humaine.

« Il existe une grande incertitude quant à la manière dont le changement climatique, l'augmentation de la productivité des prairies et la baisse de la qualité des tissus végétaux affectent actuellement les écosystèmes des Grandes Plaines du Nord, " a déclaré Brookshire. " Il est difficile mais important de comprendre comment ils continueront à changer au cours du prochain siècle et au-delà. "