Ocena wpływu ocieplenia i przesuszenia na efektywność fotosyntetyczną, produktywność, charakterystyki spektralne i morfologię roślinną torfowiska w warunkach in-situ kontrolowanego klimatycznego eksperymentu manipulacyjnego
Type
Project
Date Issued
2021
Author
Discipline
environmental engineering, mining and energy
biological sciences
Abstract (PL)
Postępująca na całym świcie degradacja torfowisk jest faktem i przyczynia się do emisji do atmosfery olbrzymich ilości zmagazynowanych w nich zasobów węgla, utraty bioróżnorodności i zmniejszeniem ilości zasobów wodnych. Jednocześnie, torfowiska są ekosystemami niezmiernie wrażliwymi na zmiany klimatu. Z tego względu, w 2017 roku w ramach projektu OPUS (NCN, UMO-2016/21/B/ST10/02271) zbudowano klimatyczne eksperymenty manipulacyjne na torfowisku Rzecińskim (52°45’N,16°18’E) w północnozachodniej Polsce. Projekt ten miał/ma na celu ocenę wpływu zmanipulowanych warunków klimatycznych (podniesionych temperatur i zredukowanych opadów) na funkcjonowanie ekosystemu torfowiska, ze szczególnym uwzględnieniem bilansu wymiany CO2, produkcji pierwotnej brutto (GPP, wskazującej na wydajność fotosyntetyczną ekosystemu), fluorescencję chlorofilu indukowaną promieniami słonecznymi
(SIF) i charakterystyki spektralne (R) powierzchni torfowiska. Spośród charakterystyk biofizycznych oceniana jest również zawartość chlorofilu w roślinach (Chl), powierzchnia liści roślin naczyniowych (LAI) i frakcja promieniowania PAR pochłoniętego w procesie fotosyntezy (fAPAR) – pomiary te są wykonywane po to aby ocenić wpływ manipulacji na strukturę szaty roślinnej i jej fizjologię. Wszystkie wyżej wymienione pomiary wykonywane są dla całej powierzchni szaty roślinnej (na poziomie „canopy”), a nie pojedynczych roślin, czy gatunków. Chociaż zwracano szczególną uwagę na to, aby zlokalizować stanowiska pomiarowe na homogenicznych (pod względem składu gatunkowego i LAI) płatach roślinności zauważyliśmy jednak, że wartości sygnałów mierzonych na poziomie „canopy” dla każdego stanowiska poddanego tym samym manipulacjom są bardzo zróżnicowane. Zakładamy, że przyczyną takiego stanu może być zróżnicowany, niejednorodny udział różnych gatunków roślin naczyniowych i mszaków w obrębie stanowisk zmanipulowanych oraz zróżnicowane reakcje fizjologiczne i morfologiczne poszczególnych gatunków roślin torfowiskowych na zmieniające się warunki środowiska. Obecnie, po dwóch latach pomiarów realizowanych na torfowisku podanym manipulacjom klimatycznym jesteśmy wstanie ocenić w jaki sposób ekosystemy te (na poziomie „canopy”) mogą zareagować na ocieplenie i przesuszenie w krótkiej skali czasowej, niemniej jednak obiekt ten jest dla nas nadal „czarną skrzynką” ponieważ nie jesteśmy wstanie zrozumieć istoty procesów regulujących funkcjonowanie tego ekosystemu i decydujących o obserwowanej przez nas wariancji
mierzonych sygnałów. Zrozumienie mechanizmów regulujących funkcjonowanie torfowisk w obecnych warunkach klimatycznych i po wprowadzeniu manipulacji jest niezbędne celem właściwego określenia reakcji tych ekosystemów na przyszłe warunki klimatyczne i jest podstawą jakichkolwiek symulacji wykonywanych w oparciu o modele typu process-based.
Z tego względu zakładamy, że wariancja sygnałów mierzonych na poziomie „canopy” może być wytłumaczona udziałem różnych gatunków roślin na stanowiskach zmanipulowanych i ich specyficzną dla danego gatunku fizjologią oraz charakterystykami spektralnymi, które wnoszą cząstkowy wkład do sygnałów mierzonych na poziomie „canopy”. Biorąc powyższe pod uwagę, wnioskowany projekt ma na celu: 1) ocenę wpływu ocieplenia i zredukowanych opadów na charakterystyki biofizyczne i spektralne roślinności torfowiska poddanej manipulacjom (na poziomie szaty roślinnej, rośliny/gatunku i liścia)
(SIF) i charakterystyki spektralne (R) powierzchni torfowiska. Spośród charakterystyk biofizycznych oceniana jest również zawartość chlorofilu w roślinach (Chl), powierzchnia liści roślin naczyniowych (LAI) i frakcja promieniowania PAR pochłoniętego w procesie fotosyntezy (fAPAR) – pomiary te są wykonywane po to aby ocenić wpływ manipulacji na strukturę szaty roślinnej i jej fizjologię. Wszystkie wyżej wymienione pomiary wykonywane są dla całej powierzchni szaty roślinnej (na poziomie „canopy”), a nie pojedynczych roślin, czy gatunków. Chociaż zwracano szczególną uwagę na to, aby zlokalizować stanowiska pomiarowe na homogenicznych (pod względem składu gatunkowego i LAI) płatach roślinności zauważyliśmy jednak, że wartości sygnałów mierzonych na poziomie „canopy” dla każdego stanowiska poddanego tym samym manipulacjom są bardzo zróżnicowane. Zakładamy, że przyczyną takiego stanu może być zróżnicowany, niejednorodny udział różnych gatunków roślin naczyniowych i mszaków w obrębie stanowisk zmanipulowanych oraz zróżnicowane reakcje fizjologiczne i morfologiczne poszczególnych gatunków roślin torfowiskowych na zmieniające się warunki środowiska. Obecnie, po dwóch latach pomiarów realizowanych na torfowisku podanym manipulacjom klimatycznym jesteśmy wstanie ocenić w jaki sposób ekosystemy te (na poziomie „canopy”) mogą zareagować na ocieplenie i przesuszenie w krótkiej skali czasowej, niemniej jednak obiekt ten jest dla nas nadal „czarną skrzynką” ponieważ nie jesteśmy wstanie zrozumieć istoty procesów regulujących funkcjonowanie tego ekosystemu i decydujących o obserwowanej przez nas wariancji
mierzonych sygnałów. Zrozumienie mechanizmów regulujących funkcjonowanie torfowisk w obecnych warunkach klimatycznych i po wprowadzeniu manipulacji jest niezbędne celem właściwego określenia reakcji tych ekosystemów na przyszłe warunki klimatyczne i jest podstawą jakichkolwiek symulacji wykonywanych w oparciu o modele typu process-based.
Z tego względu zakładamy, że wariancja sygnałów mierzonych na poziomie „canopy” może być wytłumaczona udziałem różnych gatunków roślin na stanowiskach zmanipulowanych i ich specyficzną dla danego gatunku fizjologią oraz charakterystykami spektralnymi, które wnoszą cząstkowy wkład do sygnałów mierzonych na poziomie „canopy”. Biorąc powyższe pod uwagę, wnioskowany projekt ma na celu: 1) ocenę wpływu ocieplenia i zredukowanych opadów na charakterystyki biofizyczne i spektralne roślinności torfowiska poddanej manipulacjom (na poziomie szaty roślinnej, rośliny/gatunku i liścia)
2) ocenę udziału
różnych grup roślin (naczyniowych, mszaków) i poszczególnych gatunków roślin na GPP, SIF, R, fAPAR, i R mierzonych na poziomie „canopy”, celem lepszego zrozumienia funkcjonowania torfowisk w przyszłych warunkach klimatycznych. W niniejszym wniosku planujemy nowe eksperymenty z wykorzystaniem zaawansowanego urządzenia pozwalającego na pomiar efektywności fotosyntetycznej i emisji chlorofilu na poziomie liścia. W ten sposób zidentyfikowane będą wielkości sygnałów dla każdego gatunku roślin torfowiskowych występującego na stanowiskach zmanipulowanych. Aby osiągnąć cele projektu i właściwie zinterpretować mierzone sygnały teledetekcyjne i GPP, w projekcie wykorzystamy zmodyfikowane modele Radiative Transfer (RTM), w których uwzględnimy specyficzne biofizyczno-biochemiczno-morfologiczne charakterystyki roślin i udział poszczególnych grup i gatunków roślin w szacie roślinnej oraz ich wpływ na wartości mierzonych sygnałów. Chciałbym podkreślić, że badania planowane w projekcie nigdy dotychczas nie były wykonywane w tak szczegółowy i merytorycznie spójny sposób na żadnym torfowisku w skali całego globu. Proponowane badania podstawowe integrują różne techniki teledetekcyjne, mikrometeorologiczne i ekofizjologiczne, po to aby odpowiedzieć na fundamentalne pytanie naukowe – w jaki sposób każdy gatunek roślin torfowiskowych może się zaadoptować do zmian klimatu oraz czy możemy ocenić zmiany właściwości ekofizjologicznych szaty roślinnej torfowisk za pomocą mierzalnych proxies, i zrozumieć wzajemne relacje pomiędzy różnymi zmiennymi charakteryzującymi tą szatę i poszczególne gatunki roślin.
różnych grup roślin (naczyniowych, mszaków) i poszczególnych gatunków roślin na GPP, SIF, R, fAPAR, i R mierzonych na poziomie „canopy”, celem lepszego zrozumienia funkcjonowania torfowisk w przyszłych warunkach klimatycznych. W niniejszym wniosku planujemy nowe eksperymenty z wykorzystaniem zaawansowanego urządzenia pozwalającego na pomiar efektywności fotosyntetycznej i emisji chlorofilu na poziomie liścia. W ten sposób zidentyfikowane będą wielkości sygnałów dla każdego gatunku roślin torfowiskowych występującego na stanowiskach zmanipulowanych. Aby osiągnąć cele projektu i właściwie zinterpretować mierzone sygnały teledetekcyjne i GPP, w projekcie wykorzystamy zmodyfikowane modele Radiative Transfer (RTM), w których uwzględnimy specyficzne biofizyczno-biochemiczno-morfologiczne charakterystyki roślin i udział poszczególnych grup i gatunków roślin w szacie roślinnej oraz ich wpływ na wartości mierzonych sygnałów. Chciałbym podkreślić, że badania planowane w projekcie nigdy dotychczas nie były wykonywane w tak szczegółowy i merytorycznie spójny sposób na żadnym torfowisku w skali całego globu. Proponowane badania podstawowe integrują różne techniki teledetekcyjne, mikrometeorologiczne i ekofizjologiczne, po to aby odpowiedzieć na fundamentalne pytanie naukowe – w jaki sposób każdy gatunek roślin torfowiskowych może się zaadoptować do zmian klimatu oraz czy możemy ocenić zmiany właściwości ekofizjologicznych szaty roślinnej torfowisk za pomocą mierzalnych proxies, i zrozumieć wzajemne relacje pomiędzy różnymi zmiennymi charakteryzującymi tą szatę i poszczególne gatunki roślin.
Abstract (EN)
In recent time it has been reported that peatlands are getting degraded worldwide, resulting in the release of their stored carbon, losing their value for biodiversity conservation, and decreasing water resource management capacity at an alarming rate. At the same time, peatlands are highly vulnerable ecosystems with respect to climate change. This is why the climate manipulation experiments on peatland have been started in March 2017 within the FLUOGPP (UMO-2016/21/B/ST10/02271) project financed by National Science Centre of Poland (NCN) at Rzecin peatland (52°45’N,16°18’E) in North-West Poland. This grant is funded to observe the response of a fen peatland ecosystem on manipulated conditions (increased temperature and reduced precipitation) in order to evaluate the behavior of peatland in the near future climate conditions. The project is focused mainly on the assessment of the climate manipulation experiment on the canopy scale rates of photosynthesis (expressed as Gross Primary Productivity, GPP), Sun-Induced Fluorescence (SIF) and spectral reflectances (R). Other biophysical parameters of the canopies like chlorophyll content (Chl), Leaf Area Index (LAI), and the fraction of radiation absorbed by plant canopy in photosynthesis (fAPAR) were/are also measured in order to assess the direct impact of manipulations on vegetation structure and its physiology. Although homogenous patches of peatland were selected for the experiment, the canopy level responses of each single plots exposed for the same manipulation was/is different. We hypothesized that different contribution of vegetation species within the plot and their different response to manipulation can be the reason behind the different response of plots, as in a heterogenous peatland, all components of the plant kingdom exist together (i.e. thallophytes, bryophytes, pteridophytes, gymnosperms, and angiosperms), and are significantly different than each other. The experiment performed on naturally heterogenous peatland surface led us to the point where we know how peatland may react on manipulation in the short term at the canopy level, but it is still like a “black box” as we do not understand the processes behind, which regulates the variation to the overall signals. We do realize that these details are missing in our knowledge and are crucial in order to simulate future changes of this water-logged ecosystems through any process-based models. Therefore, we hypothesized that the variation in the signals could be interpreted in details when we will know the contribution of different plant species and their species-specific physiological and reflectance signatures contribution to the overall canopy level signals. Considering the above, the main objectives of the proposal are: 1) to evaluate the effect of warming and reduced precipitation on the biophysical and spectral characteristics of peatland vegetation exposed to climate manipulation in situ (at canopy/plant/leaf levels) 2) to evaluate the contribution of different groups of plants (vascular, bryophytes, pteridophytes) and individual plant species on GPP, SIF, fAPAR, and R estimated at the canopy level by remote sensing (RS) approaches, for the purpose to study a heterogeneous ecosystem. In the proposed proposal, new experiments are planned, where an extended measurement will be performed with additional instrument (acquire through this project). It is not sufficient to identify the response of each plant species, but we need to apply Radiative Transfer Models (RTMs) to achieve our objective to understand the changing behavior of peatland with climate change. Only through the RTMs, which will consider specific leaf biophysical-biochemical characteristic of plants and the contribution of different plants in the canopy, we can understand the overall canopy RS signals. The RTMs inversion is also needed to make RS data sufficient to understand the biophysical-biochemical characteristic of different RS signal contributing plant species. The planned work if will be successful, will change the current view of peatland scientist around the world. I would like to emphasize here, that these type of measurements has never been performed in so detail and in so comprehensive way at any peatland worldwide. The basic research planned in the proposal combined different RS, micrometeorological and ecophysiological techniques in order to answer for basic, fundamental research questions – how each individual plant species may adopt and change through climate change in the near future and if we can estimate the changes of ecophysiological parameters of peatland canopies through different proxies by understanding the relationships between different plant/canopy levels variables.