Информация

1.4.19.6: Движещи фактори на глобалното изменение на климата – биология

1.4.19.6: Движещи фактори на глобалното изменение на климата – биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Резултати от обучението

  • Определете различни двигатели на глобалното изменение на климата

Тъй като не е възможно да се върнем назад във времето за пряко наблюдение и измерване на климата, учените използват косвени доказателства, за да определят двигателите или факторите, които могат да бъдат отговорни за изменението на климата. The Циклите на Миланкович описват ефектите от леки промени в земната орбита върху климата на Земята. С други думи, може да се очаква да се видят някои предвидими промени в климата на Земята, свързани с промени в земната орбита най -малко на всеки 19 000 години.

Промяната в интензитета на слънцето е вторият естествен фактор, отговорен за изменението на климата. Слънчев интензитет е количеството слънчева енергия или енергия, която слънцето излъчва за определен период от време. Има пряка връзка между слънчевия интензитет и температурата. С увеличаване (или намаляване) на слънчевата интензивност, температурата на Земята съответно се увеличава (или намалява). Промените в слънчевия интензитет са предложени като едно от няколкото възможни обяснения за Малката ледникова епоха.

И накрая, изригванията на вулкани са трети естествен двигател на изменението на климата. Изригванията на вулкани могат да продължат няколко дни, но твърдите вещества и газовете, отделени по време на изригване, могат да повлияят на климата за период от няколко години, причинявайки краткосрочни промени в климата. Газовете и твърдите вещества, освободени от вулканични изригвания, могат да включват въглероден диоксид, водна пара, серен диоксид, сероводород, водород и въглероден оксид. Като цяло вулканичните изригвания охлаждат климата. Това се случи през 1783 г., когато вулканите в Исландия изригнаха и предизвикаха отделянето на големи количества серен оксид. Това доведе до охлаждане с ефект на мъгла, глобално явление, което възниква, когато прах, пепел или други суспендирани частици блокират слънчевата светлина и в резултат предизвикват по-ниски глобални температури; Охлаждането с ефект на мъгла обикновено продължава една или повече години. В Европа и Северна Америка охлаждането с ефект на мъгла доведе до едни от най-ниските средни зимни температури, регистрирани през 1783 и 1784 г.

Парниковите газове са може би най-значимите двигатели на климата. Когато топлинната енергия от слънцето удари Земята, газове, известни като парникови газове улавят топлината в атмосферата, както и стъклените стъкла на оранжерията предпазват топлината от изтичане. Парниковите газове, които засягат Земята, включват въглероден диоксид, метан, водни пари, азотен оксид и озон. Приблизително половината от слънчевата радиация преминава през тези газове в атмосферата и удря Земята. Тази радиация се превръща в топлинна радиация на земната повърхност и след това част от тази енергия се излъчва отново в атмосферата. Парниковите газове обаче отразяват голяма част от топлинната енергия обратно към земната повърхност. Колкото повече парникови газове има в атмосферата, толкова повече топлинна енергия се отразява обратно към земната повърхност. Парниковите газове поглъщат и излъчват радиация и са важен фактор за парников ефект: затоплянето на Земята поради въглероден диоксид и други парникови газове в атмосферата.

Доказателствата подкрепят връзката между атмосферните концентрации на въглероден диоксид и температурата: тъй като въглеродният диоксид се повишава, глобалната температура се повишава. От 1950 г. концентрацията на атмосферен въглероден диоксид се е увеличила от около 280 ppm до 382 ppm през 2006 г. През 2011 г. концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата е 392 ppm. Въпреки това, планетата не би била обитаема от настоящите форми на живот, ако водната пара не произведе своя драстичен ефект на парниково затопляне.

Учените разглеждат моделите в данните и се опитват да обяснят разликите или отклоненията от тези модели. Данните за атмосферния въглероден диоксид разкриват исторически модел на увеличаване и намаляване на въглеродния диоксид, като се движат между ниски 180 ppm и високи 300 ppm. Учените са стигнали до заключението, че са били необходими около 50 000 години, за да се увеличи нивото на атмосферния въглероден диоксид от ниската минимална концентрация до по-високата максимална концентрация. Въпреки това, наскоро концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата са се увеличили над историческия максимум от 300 ppm. Нарастването на атмосферния въглероден диоксид в атмосферата се случи много бързо - в рамките на стотици години, а не на хиляди години. Каква е причината за тази разлика в скоростта на промяна и количеството увеличение на въглеродния диоксид? Ключов фактор, който трябва да се признае при сравняване на историческите и текущите данни, е наличието на съвременно човешко общество; никой друг двигател на изменението на климата не е довел до промени в нивата на атмосферния въглероден диоксид с тази скорост или до този мащаб.

Човешката дейност отделя въглероден диоксид и метан, два от най -важните парникови газове, в атмосферата по няколко начина. Основният механизъм, който отделя въглероден диоксид, е изгарянето на изкопаеми горива, като бензин, въглища и природен газ (Фигура 1).

Изсичането на горите, производството на цимент, животновъдството, изчистването на земята и изгарянето на гори са други човешки дейности, които отделят въглероден диоксид. Метан (CH4) се произвежда, когато бактериите разграждат органичната материя при анаеробни условия. Анаеробни условия могат да възникнат, когато органичната материя се улавя под вода (например в оризовите поляни) или в червата на тревопасни животни. Метанът може да се отделя и от находищата на природен газ и разлагането, което се случва в депата. Друг източник на метан е топенето на клатрати.

Клатрати са замразени парчета лед и метан, намерени на дъното на океана. Когато водата се затопли, тези парчета лед се топят и се отделя метан. С повишаването на температурата на водата в океана скоростта, с която клатратите се топят, се увеличава, отделяйки още повече метан. Това води до повишени нива на метан в атмосферата, което допълнително ускорява темповете на глобалното затопляне. Това е пример за положителна обратна връзка, която води до бързите темпове на повишаване на глобалните температури.


Последните отговори на изменението на климата разкриват двигателите на изчезването и оцеляването на видовете

Отговорът на видовете към изменението на климата е от все по-неотложно значение. Тук разглеждаме специфичните промени в климата, свързани с скорошното изчезване на популацията, като използваме данни от 538 растителни и животински вида, разпространени в световен мащаб. Изненадващо, изчезването е настъпило на места с по -малки промени в средногодишните температури, но по -големи увеличения на най -горещите годишни температури. Ние също така оценяваме дали видовете могат да оцелеят при изменението на климата, като се разпръснат, изместят нишите си, за да понасят по -топли условия, или и двете. Като се има предвид само разпръскване, много от тези видове (∼57–70%) могат да бъдат изправени пред изчезване. Промените в нишите обаче потенциално могат да намалят това до само 30% или по -малко. Като цяло, нашите резултати показват важността на максималните температури за причиняване на изчезване на видовете и изместване на нишите, за да се позволи тяхното оцеляване.


Още Огън

Представете си, че посещавате парка, за да намерите любимата си гледка, затъмнена от дим или цели зони, затворени за обществена безопасност. Представете си, че се мъчите да дишате или трябва да напуснете къмпинга си посред нощ. През последните години много посетители на Glacier са изпитали всички тези неща. Учените изчисляват, че изменението на климата е удвоило размера на акрата, изгорени при пожарите в западната част на САЩ от 80 -те години на миналия век. Очаква се тази тенденция, включително увеличаване на размера, честотата и тежестта на горските пожари, да продължи.


Защита на видове в движение

Тъй като температурите и морското равнище се повишават в резултат на изменението на климата, флората и фауната мигрират в нови и непознати земи, за да оцелеят. Някои животински видове ще трябва да се преместят по -далеч на север, за да останат хладни, докато дърветата и растенията ще трябва да увеличат широчината на разпространението на семената си, за да гарантират успеха на следващите поколения.

И точно когато те се адаптират към промяната, нашите идеи за това как успешно се ангажираме с опазването също трябва.

С безвъзмездна финансова помощ от програмата „Динамика на интегрираните социално-екологични системи“ на Националната научна фондация, интердисциплинарен екип от изследователи от Вирджиния Тех, Университета на Тенеси, Ноксвил и Университета на Южна Калифорния помага на природозащитните агенции и други заинтересовани страни от държавните и местните граници да преосмисля подходите за опазване на биологичното разнообразие за тази нова ера на изменението на климата.

„Усилията за опазване на природата често традиционно се основават на това схващане, че видовете съществуват на определени места, а не на други“, казва Тод Шенк, доцент в програмата за градски въпроси и планиране на Училището по обществени и международни въпроси във Вирджиния Тех. "Стана ясно, че това вече не е вярно, ако някога е било. Ние стигаме до точката, в която изменението на климата и други двигатели на глобалните промени променят екосистемите с бързи темпове."

Тъй като все повече виждаме въздействието на изменението на климата върху екосистемите, мениджърите, изследователите, специалистите по опазване на околната среда и други заинтересовани страни си задават въпроса: Как да се справим с миграцията на цели екосистеми, когато нашите усилия за опазване са фокусирани основно върху определени места и ограничени от политически граници?

С този проект екипът от изследователи ще приближи един от най -биологично разнообразните региони в умерения свят: централните и южните Апалачи планини. Регионът ще служи като тестов пейзаж за развитието на по-динамична визия за опазване.

В рамките на по-ниските 48 екосистемите на Апалачите се открояват със своето невероятно биоразнообразие. Покривайки площ от 737 000 квадратни мили и дом на десетки хиляди видове, тези планински екосистеми са играли и ще продължат да играят критична роля в осигуряването на движение на видовете с изменението на климата.

Апалачите планини пресичат 13 щата. Като се вземат предвид всички федерални агенции, държавни агенции, племена и организации с нестопанска цел, които споделят отговорността за тяхната защита, планинската верига Апалачи е отличен пример за предизвикателствата при управлението, които ще възникнат, когато видовете са изправени пред нови, нарастващи заплахи.

Шенк каза, че има един въпрос, който заслужава да се отбележи: нашите държавни линии. Отдавна държавните граници бяха очертани до голяма степен без да се отчитат определени екологични особености.

„Нашите граници рядко се очертават въз основа на екосистеми, като речни басейни или водосбори, за начало“, каза Шенк. "Ако не друго, ние направихме обратното. Много държави имат реки, които служат като граници. Разбира се, ние не начертахме политически граници, отчитайки екологията на регионите. Начертахме ги по други причини."

За тези, които отговарят за политиката, планирането и управлението на околната среда, тези изкуствени граници стават още по -проблематични. Промените в околната среда неизбежно ще преминат тези граници, което налага значителна координация през тези граници.

„Много, което правим като общество за защита на видовете, в крайна сметка е свързано с фиксирани географски условия“, казва Пол Армсуърт, еколог от Университета на Тенеси, Ноксвил, и главен изследовател на проекта. "Ние защитаваме специални места в ландшафта в природните резервати или искаме от държавните агенции да ръководят защитата на видовете, открити в техните граници. Но ние ще се нуждаем от много по -гъвкави и динамични подходи, ако искаме да продължим да защитаваме видовете, тъй като изменението на климата се ускорява . "

Изследователите смятат, че този вид колективно мислене ще изисква културни и институционални промени в агенциите за управление на природни ресурси и природозащитни неправителствени организации, а улесняването на тези промени отнема време.

С помощта на изкуствен интелект екипът ще може да определи количествено тези промени във времето и да предупреди държавните и федералните агенции да планират съответно.

„Ако всичко, което правим, е да реагираме на промяна, след като това се случи, тогава природозащитната общност винаги ще бъде в режим на криза, но можем да изпреварим играта“, каза Бистра Дилкина, сътрудник по компютърни науки на екипа от Университет на Южна Калифорния. „Ако използваме съвременни изчислителни подходи, можем да предвидим как видовете ще реагират на променящия се климат и къде и кога настъпват екологични промени в ландшафта. Това ще ни позволи да проучим какви видове нови управленски сътрудничества ще са необходими, за да бъдат готов, когато тези промени настъпят. "

За да проучи допълнително тези въпроси, екипът планира директно да ангажира служители на агенциите и други лица, които отговарят за интегрирането на изменението на климата в държавните планове за действие срещу дивата природа (SWAPs). Тъй като всяка държава се придържа към собствения си план, координацията за справяне с лоши проблеми, като изменението на климата, може да бъде трудна. Координацията е от съществено значение.

„Няма тясна интеграция през тези държавни граници“, каза Шенк. "Хората, които правят тези планове, носят отговорност пред своето състояние и само към тяхното състояние. Те няма да започнат внезапно да правят планове за другите държави. Така че, ключов въпрос е" как да координираме, като същевременно признаваме, че тези политически граници няма да си отидеш? "

Екипът също търси знания от онези, които са се грижили за земята много преди пристигането на европейците. Различни коренни племена обитават централните и южните планини на Апалачите и екипът ще се учи от тях, като същевременно им помага да подобрят подходите си за управление в условията на променящия се климат.

„Те са критични партньори в този проект, като се имат предвид техните дългосрочни отношения и управлението със земята“, каза Шенк.

Със смесването на различни видове изследователски опит и експерти от различни организации, екипът е уверен, че този нов проект наистина може да промени разликата в бъдещото опазване в района на Апалачи и извън него.

„В основата си екологичните проблеми като изменението на климата наистина са проблеми на хората“, казва Уилям А. Хопкинс, професор по дивата природа в Колежа по природни ресурси и околна среда и асоцииран изпълнителен директор на Института за науките за живота на Фралин. "Трябва да се заемем с човешките измерения на тези сложни въпроси, ако имаме някаква надежда в крайна сметка да спрем или обърнем техните ефекти върху околната среда и обществото. Сътрудничеството между еколози, социални учени и компютърни учени по този проект, финансиран от NSF, илюстрира вида на иновативни подходи, необходими за решаване на тези предизвикателства. "

Институтът по естествени науки на Фралин предприема смели стъпки за насърчаване и подкрепа на подобни сътрудничества и стратегически партньорства с колежи и други институти във Virginia Tech.

"Наскоро съвместно разположихме преподаватели с разнообразен опит от пет колежа в Стегер Хол, за да се справим с проблемите, свързани с бързите промени в околната среда. С координация с Института за общество, култура и околна среда успяхме да привлечем Тод Шенк", добави Хопкинс .

Шенк подчерта, че програмата NSF Dynamics of Integrated Socio-Environmental Systems представлява рядка и вълнуваща възможност за изследователите. Не само изследователите от различни дисциплини ще работят заедно, но и тези в и извън академичните среди също ще работят заедно.

„Тази програма ще интегрира социални и екологични области, което е толкова критично важно за въпроси като ефективното опазване“, каза Шенк. „Наистина е хубаво да видите всички - от федералните агенции до Института за науките за живота на Фралин - да се съберат, за да видят такъв акцент върху истинското, устойчиво и по -задълбочено сътрудничество, което се простира и извън академичните среди.“

Опровержение: AAAS и EurekAlert! не носят отговорност за точността на съобщенията за новини, публикувани в EurekAlert! чрез допринасящи институции или за използване на каквато и да е информация чрез системата EurekAlert.


Резюме

Размерът на листата варира над 100 000 пъти при различните видове по света. Въпреки че растителните географи от 19-ти век отбелязват, че влажните тропици съдържат растения с изключително големи листа, градиентът на ширината на размера на листата не е добре количествено определен, нито ключовите климатични фактори не са убедително идентифицирани. Тук ние характеризираме световните модели по размер на листата. Едролистните видове преобладават във влажна, гореща, слънчева среда, дребнолистните видове характеризират гореща, слънчева среда само в сухи условия малки листа се срещат и във високи географски ширини и възвишения. Чрез моделиране на баланса на входящата и изходящата енергия на листата ние показваме, че дневните и нощните температурни разлики между листа и въздуха са ключови за географските градиенти в размера на листата. Тези знания могат да обогатят растителните модели от „следващо поколение“, в които температурата на листата и използването на водата по време на фотосинтезата играят ключова роля.

Температурата на листата е ключов контрол върху скоростта на метаболизма на растенията. Фотосинтетичното карбоксилиране се увеличава силно с температурата, но също така се увеличават и катаболните процеси като тъмно дишане и фотодишане (1). По този начин нетната скорост на фотосинтеза има тенденция да достига пик при междинни температури, като оптималната температура обикновено е по-висока при видовете от по-топлите региони (2, 3). Много високите или ниските температури могат да увредят ензимната функция, да нарушат мембраните и клетъчните процеси и ако са достатъчно екстремни, да причинят непоправимо увреждане на тъканите (1). Растенията показват различни адаптации за увеличаване на пропорцията от деня, в който листата могат да работят в почти оптимални температурни диапазони за фотосинтеза и за избягване на температурни крайности (4, 5). Висящите листа с отразяващи листни повърхности могат да избегнат високи обедни температури (6), например, докато подреждането на купчина балдахин при алпийските растения помага да се избегнат екстремни студове (7). Независимо от това, най-очевидната различна черта, която влияе на температурата на листата, е размерът на отделните листа.

В цялото растително царство листата варират от по -малко от 1 mm 2 до повече от 1 m 2 по площ (8). По-големите листа имат по-дебел граничен слой, който забавя чувствителния топлообмен с околния въздух, което означава, че — всички останали равни — развиват по-големи температурни разлики между листата и въздуха, отколкото тези на по-малките листа (9, 10). Всички листа се охлаждат чрез транспирационна загуба на вода, но това е особено критично за големите листа, които са изправени пред по -голям риск от потенциално сериозни топлинни щети при високи температури на въздуха и високо облъчване, особено когато почвената вода е ограничена (2). Тези принципи са от основно значение за добре познатите теории за оптимален размер на листата въз основа на дневните енергийни бюджети на листата (2, 9, 1114), които предсказват недостатъците на едролистните на по-горещи, по-сухи и места с висока радиация. В подкрепа на тези прогнози, много проучвания показват по-малки средни размери на листата на места с по-ниски средни годишни валежи (MAP) (1519) и по -високо облъчване (6, 20). Две скорошни широкомащабни проучвания на размера на листа спрямо средната годишна температура (MAT) (18, 19) са показали обратен модел от този, предвиден от тези съображения за дневен енергиен бюджет: средният размер на листата ясно се увеличава, а не намалява с MAT (21). Тези резултати представляват значително предизвикателство за възприетото разбиране, основано на „класическата“ теория на енергийния бюджет. В други проучвания едролистните видове са били показани като необичайни на студени места с висока надморска височина (7, 22). Вместо това този модел е в съответствие с контрола от нощния енергиен баланс – недооценено влияние – което показва значителен недостатък за големите листа в студените региони, те са по-податливи на увреждане от замръзване, тъй като по-дебел граничен слой забавя чувствителния топлообмен с почвата, въздуха, и околната растителност, която е необходима, за да компенсира загубите от дълги вълни на радиация към нощното небе (23, 24).

В това проучване нашата първа цел беше глобално количествено определяне на това как размерът на листата варира в зависимост от климата на обекта, което ни позволява да анализираме потенциално интерактивните ефекти от температурата, осветеността и влагата на обекта и да предоставим стабилни тестове на прогнози от класическите теории, базирани на оптималността. за размера на листата (2, 9, 1114). Втората ни цел беше да моделираме горната граница на жизнеспособните размери на листата във връзка с рисковете от охлаждане през нощта, както и от прегряване през деня. Комбинирайки анализ на голям набор от данни в световен мащаб с механистичен подход за прогнозиране на максималните размери на листата в зависимост от климата на площадката, ние се опитахме да обясним географския ширина на градината в размерите на листата, отбелязани за първи път от географите на растенията от 19-ти век (25, 26)-дългогодишна екологична загадка, чиято упоритост е предотвратила реалистичното вграждане на тази ключова черта в моделите на глобалната растителност и земната система.

Събрахме набор от данни за размера на листата за 7670 вида от 682 неселскостопански обекта по целия свят, като пробите бяха разпределени във всички растителни континенти, климатични зони, биоми и основни форми на растеж (фиг. S1 и S2). На всяко място данните за размера на листата бяха обобщени до единична средна стойност за вид, давайки 13 705 комбинации от видове и места. „Размер на листа“ тук се отнася до едностранно проектираната площ на единични листа, листовки (за видове с сложни листа) или аналози на листа (като филоди и кладоди) за иначе безлистни видове. Годишните данни и климатичните данни за всеки обект са получени от публикации на източници или от глобални набори от данни за климата. Размерът на листата варира между видовете с повече от пет порядъка. Средно дърветата имат по-големи листа от храсти, билки или треви (фиг. S2), но може да се наблюдават много значителни вариации във всяка форма на растеж. Имаше и силни таксономични модели, например семейства като Dipterocarpaceae и Magnoliaceae се характеризираха с много едролистни видове, докато много дребнолистни видове бяха открити в Cupressaceae, Ericaceae и Fabaceae.

Размерът на листата беше средно по -голям в екваториалните райони и по -малък към полюсите. Квадратична регресия, съответстваща на географската ширина, обяснява 28% от глобалните вариации (фиг. 1А), с почти идентични тенденции при еднолистните и сложнолистните видове (фиг. S3). Подобна или дори по -висока обяснителна сила се наблюдава в големите кладове (фиг. S4). Общите климатични показатели, свързани с географската ширина, обясняват по -малки, но все пак значителни пропорции на вариацията на размера на листата (фиг. 1 и таблица S2): MAP (фиг. 1В) и MAT обясняват съответно 22 и 15% от глобалната вариация (по -големи листа при по -влажни или по-топли места). Други променливи, свързани с влажността на обекта, обясняват по-малко вариации от MAP [като индекс на влага (MI), съотношението на годишните валежи към потенциалната евапотранспирация, коефициент на детерминация (R 2) = 0,12 (Фиг. 1С)]. За температурата на площадката най -силните връзки с размера на листата, всички положителни по знак, бяха с климатични променливи, изразени на базата на вегетационен период [средна температура на вегетационния период, R 2 = 0,21 (фиг. 1D) средна температура на най-студения месец през вегетационния сезон, R 2 = 0,24]. Размерът на листата е статистически свързан с осветеността, но с малка обяснителна сила (R 2 & lt 0,01, P = 0,002) (фиг. 1Е). Като цяло връзките между размера на листата и отделните променливи на климата са по -тесни при дървесни, отколкото при недървесни видове и, сред дървесните таксони, по -тесни при вечнозелени, отколкото при широколистни видове (таблици S3 и S4).

(А) Видовете се кодират като простолистни (сини кръгове) или сложнолистни (оранжеви квадратчета, за които „размерът на листата се отнася до този на листовките). Плътна монтирана линия (квадратична регресия, всички видове), logLS = 1,37 + 0,006 Lat - 0,0004 Lat 2 R 2 = 0.28, P & lt 0,0001. Показано на фиг. S3, A и B са еквивалентни графики, с наклони, монтирани отделно към прости и сложнолистни видове, и когато се счита, че размерът на листата на сложните листа е този на целия лист, а не на този на листовките. (Б) Средногодишни валежи (logLS = 1,02 logMAP – 2,18 R 2 = 0.22, P & lt 0,0001). (° С) Годишно равновесно MI (logLS = 0,70 logMI + 1,00 R 2 = 0.12, P & lt 0,0001). (д) Средна температура през вегетационния период (logLS = 0,07 Tgs – 0.28 R 2 = 0.21, P & lt 0,0001). (Е) Годишна дневна радиация (logLS = 0,002 RAD + 0,54 R 2 = 0.002, P = 0,002). В (А) до (Е), наклонените наклони бяха оценени чрез използване на линейни смесени модели (място и видове, третирани като случайни ефекти) допълнителни подробности за връзките размер на листата и климата са дадени в таблица S2. В (A) до (E), проба н = 13 641 комбинации от видове и пунктирани линии показват 5-ти и 95-и квантилен регресионен припадък. Допълнителен анализ чрез използване на квантилна регресия е представен на фиг. S7.

Комбинациите от климатични променливи обясняват най-много вариации в размера на листата. Температура на обекта [най -вече средната температура през най -топлия месец (TWM)], излъчването и влагата (MAP или MI) показват силни интерактивни ефекти, като най-добре пасващите повърхности са усукани равнини (фиг. 2 и фиг. S5). На най -сухите места (MAP & lt

0,5), размерът на листата слабо намалява с TWM, докато в по-влажните места размерът на листата се увеличава с TWM (R 2 = 0,34) (Фиг. 2). Това свързване с температурата на мястото беше все по-стръмно и стегнато при по-висока MAP (фиг. S6A). По същия начин размерът на листата не е свързан с MAP на по -студени места (TWM в диапазона от 0° до 15°C), но е положително свързан с MAP в по-топлите места и все повече, колкото по-висока е TWM (фиг. S6C). Качествено сходни модели със сходна обяснителна сила бяха открити при заместване на облъчване с TWM в тези анализи (фиг. S5 и S6, B и D) или MI за MAP (R 2 = 0,33): Листата бяха по -малки в по -сухи места само в топлите райони, по -малки в по -горещи или по -високи места на облъчване само в сухи райони и по -малки в по -студени места, особено при по -влажни условия. Тоест, всяко от отделните прогнози от предишната теория за енергийния баланс на листата беше подкрепено при специфични условия, но нито едно не беше универсално вярно.

Като се има предвид размерът на листата (LS) като функция от средната температура на най -топлия месец (TWM) и средногодишните валежи (MAP), най-подходящата повърхност, оценена чрез множествена регресия на смесен модел, е усукана равнина с формата logLS =-0,27 TWM – 1,32 logMAP + 0,10 TWM × logMAP + 4.01 (всички параметри P = 0.001 R 2 = 0.34 н = 13 641 комбинации от видове и места). Подобни резултати бяха открити при анализи, включващи облъчване, а не TWMили годишен индекс на влага (MI), а не валежи (фиг. S5 и S6).

Нашите емпирични анализи показват, че горните граници на размера на листата показват изразени тенденции както по отношение на географската ширина (наклони на квантилна регресия на фиг. 1A и фиг. S4), така и на климата (фиг. S6, от A до D квантилни регресии на фиг. 1, B до D и фиг. S5 и таблица S2). За да разгледаме по-задълбочено този въпрос за горната граница, ние разработихме прост, но стабилен подход към моделирането на енергийния баланс както за дневните, така и за нощните температурни разлики между листата и въздуха (фиг. S8). Теория на енергийния баланс (2, 4) предвижда, че нетната радиация на листната повърхност в стационарно състояние трябва да бъде равна на сумата от разумни и латентни топлообмени с околния въздух, като първият е пропорционален на температурната разлика лист-въздух (ΔT), последният до скоростта на транспирация. Въз основа на тази теория, ние приложихме общо изчисление, за да предвидим горните граници на размера на листата през деня, за всяко проучвано място. Предполагахме, че растенията не могат да се транспирират по-бързо от максималната скорост, позволена от нетния радиационен баланс на листата и температурата на въздуха, и че скоростта на транспирация прогресивно намалява, тъй като наличността на влага в почвата намалява. Използвайки добре установената връзка между проводимостта на граничния слой на листа (gб) и размер (4, 9), след това можем да извлечем за всеки даден набор от климатични условия максималния размер на листата, който поддържа температурата на листата под определена горна граница през цялата година.

Разгледахме и енергийния баланс на листата през нощта, когато нетната радиация е отрицателна и степента, до която това се компенсира чрез разумен топлообмен, определя ΔT (23, 24). За това изчисление на максималния очакван размер на листата, ние посочихме по-ниска температурна граница, под която се очаква активните листа да претърпят сериозни щети. Ние разгледахме само температурите, които се срещат по време на топлинния вегетационен период, на базата на това, че листата в най-студената част на годината в студено-зимен климат ще бъдат окаляни или студено втвърдени и спящи. Въз основа на тези две ограничения - прилагане на горната граница на температурата на листата от 50 ° C (27, 28) и долна температурна граница от –5°C (29) - изведохме две прогнози за максимален жизнеспособен размер на листата за всеки от 682 сайта в нашия набор от данни. От тези данни ние изведохме общи прогнози за географските ширини на максималния размер на листата и ги сравнихме с наблюдаваните данни (фиг. 3 и фиг. S9 до S12).

Теоретичните ограничения за максималния размер на листата бяха моделирани за всяко от 682-те места в нашия глобален набор от данни, въз основа както на риска от прегряване през деня, така и на риска от нощно охлаждане. Резултатите са илюстрирани с обекти, групирани по годишен индекс на влага (MI). (А) Аридни места (MI <0,5). (Б) Междинни места с аридност (0.5 & lt MI & lt 1.5). (° С) Мокри места (MI & gt 1.5). Средните тенденции чрез изхода на модела са посочени в червено (прегряване през деня) и синьо (нощно охлаждане). Наблюдаваните размери на листата са показани в сиво, като средната и 5 -та/95 -та квантилна квадратична регресия са показани в черно (съответно плътни и пунктирани линии). Изчисленията, направени чрез използване на алтернативни стойности на ключови параметри, доведоха до леки измествания нагоре или надолу на ограничителните функции, без да се променя общата им форма (фиг. S9 до S12).

В сухи места (MI <0,5) (Фиг. 3А), горната граница на размера на листата е почти универсално в съответствие с прогнозните дневни ограничения (Фиг. 3, червена пунктирана линия), тъй като бързото изтичане е невъзможно, когато водоснабдяването е ограничено и голямо листата са в неблагоприятно положение при достигане на увреждащо високи температури. В междинните MI места (фиг. 3В) дневните ограничения изглеждат по-ограничаващи между тях

20 ° S и 20 ° N, но нощните ограничения доминират извън тази зона. На мокри места (MI & gt 1.5) (Фиг. 3С) дневните ограничения се прогнозират като незначителни, тъй като обикновено има достатъчно вода за ефективно транспирационно охлаждане, като нощните ограничения доминират на всички географски ширини.

Тези резултати могат да бъдат обобщени под формата на глобални карти, показващи географски тенденции в максималния размер на листата (фиг. 4) и неговите детерминанти (фиг. S13). Доказано е, че максималните жизнеспособни размери на листата са особено малки както в топлите пустини, така и в студените региони с висока надморска височина (като Тибет и Андите), но поради различни причини, свързани съответно с дневните и нощните ограничения. Стръмни градиенти с предвиден максимален размер на листата могат да бъдат намерени например, когато сухите субтропици преминават във влажни тропици. При много топъл (ден и нощ), вечно влажен климат, може да няма ефективно термично ограничение за размера на листата (фиг. S4, наситен син нюанс и S13, „неограничена“ категория). In these situations, it is likely that other limits to leaf size come into play, such as the biomechanics of support (6) or whole-plant hydraulic architecture (30). We estimate that these situations represent 4.3% of global land area, whereas nighttime constraints provide the dominant control for 51%, daytime constraints 38%, and night and day constraints colimit leaf sizes for 6.7% of land (fig. S13).

Each grid cell is color coded according to the smaller of the two predictions for maximum leaf size (daytime or nighttime) (fig. S13), made by using the same procedure as the site-specific modeling. Areas coded the deepest shade of blue are those where there may be no effective thermal constraint on maximum leaf size because sufficient water is generally available for effective transpirational cooling, and warm nighttime air temperatures prevent leaves from suffering radiative frost damage.

Our model is based on a first-order empirical approximation to transpiration that can be derived in terms of boundary-layer theory (31, 32). It is likely to be more accurate for canopy species. All else being equal, lower energy inputs in shaded situations may allow for larger leaf sizes than predicted (6, 1113, 33), whereas shallow-rooted species with restricted access to water might have smaller leaf sizes than predicted (34). More explicit modeling of leaf-level energy balance is possible. However, consideration of, for example, vertical gradients of leaf size would also entail modeling of within-canopy humidity and wind speeds, which is a more complex task.

What are the selective advantages that favor large leaves under conditions when they are physiologically possible? This is not well understood, but two prospective explanations seem most promising. First, by deploying a given leaf mass as fewer, larger leaves, the associated twig costs tend to be lower (13, 35), even if within-leaf structural costs are higher (36). All else being equal, this should lead to a growth advantage (37). Second, the wider leaf-to-air temperature differences possible for larger leaves may allow them to more quickly heat up to favorable temperatures for photosynthesis during cool mornings, leading to substantially higher photosynthetic returns (5). In addition, under sufficiently hot and high-irradiance conditions, wider leaf-to-air temperature differences may allow larger leaves to operate at temperatures substantially lower than that of the surrounding air (and more favorable for photosynthesis), provided sufficient soil water is available to support the necessary transpiration (9, 38, 39).

A wide range of leaf sizes exists at any given climate or latitude (Fig. 1). Leaf size is coordinated with many other features of plant architecture, canopy display, and plant hydraulics (6, 7, 13, 30, 35, 40), apparently leading to many equally viable leaf size strategies for a given climate. Additional factors are known to influence leaf size most notably, low-nutrient soils are characterized by smaller-leaved species (6, 17), smaller-leaved species seemingly suffer less herbivory (41), and as already noted, larger leaves may be favored under deep shade (6, 1113, 33). Nonetheless, it appears that climate provides the dominant control on the global geographic limits to leaf size, acting both through daytime and nighttime constraints. The nighttime constraint on leaf size in seasonally cold climates has featured in literature on alpine regions and on frost risks in agriculture (23, 24), but its generality has not previously been noted.

Our analyses have moved beyond consideration of bivariate leaf size–climate relationships (6, 7, 1522), and in doing so, they show simple, interpretable patterns that had not emerged from previous analyses of more limited sets of observations. By pairing broad-scale data synthesis with a simple and robust approach to leaf energy balance modeling, we have shown that the key to understanding geographical limits to leaf size is the leaf-to-air temperature difference, which reflects the balance of energy inputs and outputs. This approach provides a quantitative explanation for the latitudinal gradient in leaf size, one of the oldest observations in ecology (25, 26), for which no general theory existed previously. This knowledge has the potential to enrich “next-generation” vegetation models, in which leaf temperature and water use during photosynthesis play key roles, and to constrain predictions from species distribution models in relation to climate change. It will aid reconstruction of paleoclimate from leaf macrofossils (15, 16, 19, 21), an enterprise that also dates back more than a century (42) but which, until now, has relied entirely on empirical relationships between leaf traits and climate.


Demand Climate Action

Научете повече

1. Speak up!

What’s the single biggest way you can make an impact on global climate change? “Talk to your friends and family, and make sure your representatives are making good decisions,” Haq says. By voicing your concerns—via social media or, better yet, directly to your elected officials—you send a message that you care about the warming world. Encourage Congress to enact new laws that limit carbon emissions and require polluters to pay for the emissions they produce. “The main reason elected officials do anything difficult is because their constituents make them,” Haq says. You can help protect public lands, stop offshore drilling, and more here.

2. Power your home with renewable energy.

Choose a utility company that generates at least half its power from wind or solar and has been certified by Green-e Energy, an organization that vets renewable energy options. If that isn’t possible for you, take a look at your electric bill many utilities now list other ways to support renewable sources on their monthly statements and websites.

3. Weatherize, weatherize, weatherize.

“Building heating and cooling are among the biggest uses of energy,” Haq says. Indeed, heating and air-conditioning account for almost half of home energy use. You can make your space more energy efficient by sealing drafts and ensuring it’s adequately insulated. You can also claim federal tax credits for many energy-efficiency home improvements.

4. Invest in energy-efficient appliances.

Since they were first implemented nationally in 1987, efficiency standards for dozens of appliances and products have kept 2.3 billion tons of carbon dioxide out of the air. That’s about the same amount as the annual carbon pollution coughed up by nearly 440 million cars. “Energy efficiency is the lowest-cost way to reduce emissions,” Haq says. When shopping for refrigerators, washing machines, and other appliances, look for the Energy Star label. It will tell you which are the most efficient.

5. Reduce water waste.

Saving water reduces carbon pollution, too. That's because it takes a lot of energy to pump, heat, and treat your water. So take shorter showers, turn off the tap while brushing your teeth, and switch to WaterSense-labeled fixtures and appliances. The EPA estimates that if just one out of every 100 American homes were retrofitted with water-efficient fixtures, about 100 million kilowatt-hours of electricity per year would be saved—avoiding 80,000 tons of global warming pollution.

6. Actually eat the food you buy—and make less of it meat.

Approximately 10 percent of U.S. energy use goes into growing, processing, packaging, and shipping food—about 40 percent of which just winds up in the landfill. “If you’re wasting less food, you’re likely cutting down on energy consumption,” Haq says. And since livestock products are among the most resource-intensive to produce, eating meat-free meals can make a big difference, too.

7. Buy better bulbs.

LED lightbulbs use up to 80 percent less energy than conventional incandescents. They’re also cheaper in the long run: A 10-watt LED that replaces your traditional 60-watt bulb will save you $125 over the lightbulb’s life.

8. Pull the plug(s).

Taken together, the outlets in your home are likely powering about 65 different devices—an average load for a home in the U.S. Audio and video devices, cordless vacuums and power tools, and other electronics use energy even when they're not charging. This "idle load" across all U.S. households adds up to the output of 50 large power plants in the U.S. So don't leave fully charged devices plugged into your home's outlets, unplug rarely used devices or plug them into power strips and timers, and adjust your computers and monitors to automatically power down to the lowest power mode when not in use.

9. Drive a fuel-efficient vehicle.

Gas-smart cars, such as hybrids and fully electric vehicles, save fuel and money. And once all cars and light trucks meet 2025’s clean car standards, which means averaging 54.5 miles per gallon, they’ll be a mainstay. For good reason: Relative to a national fleet of vehicles that averaged only 28.3 miles per gallon in 2011, Americans will spend $80 billion less at the pump each year and cut their automotive emissions by half. Before you buy a new set of wheels, compare fuel-economy performance here.

10. Maintain your ride.

If all Americans kept their tires properly inflated, we could save 1.2 billion gallons of gas each year. A simple tune-up can boost miles per gallon anywhere from 4 percent to 40 percent, and a new air filter can get you a 10 percent boost.

11. Rethink planes, trains, and automobiles.

Choosing to live in walkable smart-growth cities and towns with quality public transportation leads to less driving, less money spent on fuel, and less pollution in the air. Less frequent flying can make a big difference, too. “Air transport is a major source of climate pollution,” Haq says. “If you can take a train instead, do that.”

12. Shrink your carbon profile.

You can offset the carbon you produce by purchasing carbon offsets, which represent clean power that you can add to the nation’s energy grid in place of power from fossil fuels. But not all carbon offset companies are alike. Do your homework to find the best supplier.


Climate Change and Extremes

See Changes in Heat Waves, Cold Waves, Floods, and Droughts in the United States for more information on these extremes and scientists&rsquo collective state of knowledge.

See Analyses of Maximum Precipitation Estimates: Impacts of a Wetter Future for more information on a recent report about rising atmospheric concentrations of greenhouse gases and their effects on extreme precipitation events.

See NOAA&rsquos Atlantic Hurricanes, Climate Variability, and Global Warming Fact Sheetfor a summary and assessment on the relationship between Atlantic hurricanes and climate change.

See the Special Report on Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation to learn more about policies to avoid, prepare for, respond to, and recover from the risks of extreme events.


Гледай видеото: #40 Магдалена Малеева за климатичните промени, екоактивизма и тениса (Декември 2022).