В то время как одно растение способно усваивать неорганический углекислый газ (CO2) из воздуха, вся экосистема, окружающая растение, включая воду, другие организмы и почвенные условия, влияет на эффективность обмена CO2 в экосистеме. Понять, как фотосинтез, распределение энергии и продуктивность различаются у растений в разных экосистемах, непросто. В лесной экосистеме более высокие деревья растут десятилетиями, поглощая всю доступную солнечную радиацию в пологе леса, лишая саженцы солнечного света, необходимого для увеличения их биомассы. Точно так же болотные травы адаптируются к изменениям уровня болота, которые влияют на количество затопления, испытываемого травами, и на энергию, которую растение выделяет на рост листьев или корней.

Чтобы лучше понять, как динамика экосистем может изменять продуктивность растений, ученые из Университета Южной Каролины и Университета Кристофера Ньюпорта изучили фотосинтез и дыхание, или расход энергии, одного вида болотной травы, Spartina alterniflora, которая растет в высоких или низких формах в зависимости от высоты болота и близости растений к воде приливного ручья. Результаты исследования опубликованы в журнале Ocean-Land-Atmosphere Research.

Профессор Университета Южной Каролины и первый автор исследовательской работы Джеймс Т. Моррис поясняет, что на солончаках восточной части Северной Америки обычно наблюдается пространственный градиент продуктивности доминирующей травы Spartina alterniflora. Трава самая высокая и самая продуктивная у краев приливных ручьев, в то время как внутренние участки болота покрыты низкой, менее продуктивной формой Spartina. Целью исследования было количественно оценить обмен CO2 между атмосферой и пологом травы и почвой, чтобы лучше понять, как сравниваются участки болот с высокой и низкой продуктивностью.

Важно отметить, что исследователи обеспечили равенство всех фотосинтетических параметров, или факторов, влияющих на эффективность фотосинтеза в растении, в исследовании, включая количество доступного солнечного света, температуру и вид растения. Ученые тщательно измерили рост травы, фотосинтез и дыхание, используя герметичные камеры окружающей среды, которые позволили команде измерить активность определенной области болотной экосистемы. В частности, измерения были собраны с высоких форм болотной травы, расположенных ближе к ручью на более низких высотах, и с низких форм растения, расположенных дальше от ручья на большей высоте.

Регулярно измеряя биомассу травы, поглощение CO2 для фотосинтеза и выброс CO2 при дыхании в течение года, команда смогла сравнить фиксацию углерода между высокими и низкими формами травы. В некоторых случаях травы с короткой и высокой формой демонстрировали схожие характеристики, например, демонстрировали самые высокие уровни дыхания полога, или расхода энергии над землей, в начале марта, когда постоянная биомасса обеих форм травы ниже. Общий фотосинтез, или общее количество CO2, потребляемого для фотосинтеза, для обеих форм растений также выходит на плато в середине лета.

Что еще более важно, короткая и высокая формы различались по своей продуктивности в течение одного года. Почвенное дыхание, или показатель количества CO2, выделяемого и потребляемого корнями растений, было выше у трав с коротким пологом по сравнению с высокими. Интересно, что удельная скорость фотосинтеза по весу листьев при общей биомассе полога была одинаковой как у коротких, так и у высоких трав, но исследование показало, что растения с коротким пологом росли меньше, чем высокие растения.

Поскольку рост полога трав с коротким пологом замедлялся раньше в течение вегетационного периода, чем у трав с высоким пологом, команда также обнаружила, что травы с высоким пологом улавливают больше атмосферного CO2 в течение года, чем травы с коротким пологом, которые росли дальше от ручья на больших высотах.

Моррис сообщает, что фотосинтетические параметры трав были эквивалентны, а различия в их продуктивности определялись различиями в распределении роста между листьями и корнями. Менее продуктивная короткая форма травы вкладывает больше энергии в рост корней. Второе важное открытие заключалось в том, что за один вегетационный период биомасса наиболее продуктивной формы травы расширяется, чтобы перехватить всю доступную солнечную энергию, подобно зрелому лесу.

Основываясь на своих результатах и результатах других исследователей, команда предполагает, что изменчивость чистой секвестрации углерода между различными солончаками связана с изменениями в относительной высоте болота, климате и возрасте болота.

Следующим шагом для исследовательской группы является устранение несоответствия в количестве измеренного углерода, который травы вкладывали в рост полога и корней, соответственно, которые должны быть примерно равны. Моррис заявляет, что обнаружено, что основная часть углеродного бюджета [растений] отсутствует [в измерениях]. Ученые не смогли сбалансировать общий рост растений с общим фотосинтезом. Следующим шагом будет определение источника недостающего углерода.