2019-04-12 19:34:01
新的动态模型更好地描绘了植物根系如何觅食并适应资源波动

如果你曾经在一个花园或盆栽植物,你知道一些关于绿色事物的简单事实 - 它们需要水和营养来生存,它们的根是它们整体健康的良好指标。因此,我们定期浇水,提供根系生长,并添加营养丰富的土壤,以确保均衡的饮食。

在自然界中,植物没有得到那种照顾 - 它可能不会经常下雨,地球可能缺乏特定的营养物质,并且还有许多其他植物争夺同样的资源。虽然树叶和树枝到达天空以捕获太阳的能量,但根部很难发挥作用,为那些重要的水和养分来源而努力。

环境科学家长期以来一直使用计算机模型来理解这种从根源到资源的动态,但直到最近,这些简化的模型采用了固定的根系,不考虑资源分层的变化,或者就此而言,主动觅食和根源的适应技巧。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室助理气候科学家Beth Drewniak开发了一种新的根算法,它首先揭示了植物适应当地环境变化的能力。

在1月28日发表在“地球系统建模进展杂志”上的一篇论文中,Drewniak描述了一种动态根模型,她将其引入能源超大规模地球系统土地模型(ELM),这是美国能源部大型能源外部地球系统模型(E3SM)的一个组成部分。 )。

“固定方法在模型中很受欢迎,因为根本很难观察和研究,难以理解,”Drewniak说。 “通过添加动态根模型组件,植被生长模拟可以响应资源变化,增加所需资源的可用性。”

该模型研究了ELM树木,灌木,草和作物中所有植被的根系 - 跨越许多生态系统和不同季节。以前对动态根模型的尝试主要集中在最大限度地吸水或吸氮,而Drewniak则解决了两者。

“生态系统需要应对多种类型的压力,包括干旱或养分负荷等短期或长期事件,”Drewniak说。 “如果一家工厂能够通过增加对资源的获取来适应环境变化,那么它就有更高的生存机会,或者更重要的是,它能够茁壮成长。”

她指出,例如,区域气候的变化可能导致降水量减少或降水频率发生变化。动态根模型通过将根分配给含水量较高的层来模拟植物如何适应土壤中新的水分布。

模型中的新根分布是由水压力驱动的 - 植物需要多少水和可用水量。当水分胁迫很高时,植物会集中根系生长,而土壤中存在水分。当植物有充足的水时,根部生长集中在氮气存在的地方。 Drewniak指出,根系分布的变化会影响植物的吸水量,从而影响蒸散,光合作用,生产力和其他植物动态。

为了评估模型的准确性,Drewniak重点关注模型与根分布和植被生长的观察结果的比较,以及模型对水分胁迫的敏感性。总体而言,与卫星观测相比,动态根模型能够很好地捕获根的垂直分布并提高植被的模拟生产力。

该模型表现不佳的地区包括亚马逊,非洲热带和南亚干旱季节,当时植物通常依靠深根来提取水,这是ELM无法很好地捕获的。

虽然动态根模型已经对ELM进行了小但重要的改进,但它有可能使其能够模拟更加动态的植物根对干旱等极端事件的响应,这些事件会对碳和水循环产生重大影响。 。

“这项研究中吸取的最大教训是,还有更多的工作要做,”德拉尼亚克说。 “该模型得到了改善,因为植被可以通过觅食水和氮来响应环境的变化。但该研究还表明,还有其他模型开发工具可以完全捕获植被响应。”

Drewniak的文章“模拟能源外部地球系统土地模型的动态根源”出现在1月28日出版的“地球系统建模进展杂志”上。

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