Water beperkt vaker de fotosynthese tijdens de piek van het groeiseizoen

We hebben hier al vaker geschreven over hoe klimaatverandering en andere menselijke activiteiten plantengroei beïnvloeden. Planten kunnen sneller gaan groeien, omdat ze de CO₂ en de stikstofverbindingen die wij uitstoten kunnen gebruiken als voedingsstoffen. Maar dat effect kan deels teniet worden gedaan door andere factoren, zoals veranderende neerslagpatronen, extreme hitte of natuurbranden. En natuurlijk zijn er directe menselijke ingrepen, zoals ontbossing, irrigatie en bemesting van landbouwgrond, of uitputting van de bodem.

Er zijn verschillende manieren om zulke effecten te onderzoeken. Laboratoriumonderzoek kan iets zeggen over het effect van één enkele factor op specifieke plantensoorten, of misschien over de interactie tussen een beperkt aantal effecten. Zulke experimenten leveren kennis op over de mechanismes die een rol spelen in individuele planten, maar zijn niet zomaar te vertalen naar complexe ecosystemen. Omdat de interacties tussen een groot aantal soorten daar mede bepalen wat er gebeurt. Maar ecosystemen lenen zich weer niet goed voor experimenten, al is er zo hier en daar wel iets mogelijk. Veel kennis moet vooral komen door zo goed mogelijk in de gaten te houden wat er gebeurt op onze planeet, terwijl wij bezig zijn met de uitvoering van ons ‘grootschalig geofysisch experiment’.

Satellieten helpen om een beeld te krijgen van wereldwijde veranderingen in plantengroei. Vorige maand verscheen een artikel van een groep Chinese wetenschappers die satellietmetingen weer op een net wat andere manier gebruiken dan eerdere onderzoeken die ik heb gezien. Het levert geen grote nieuwe inzichten op, maar vanwege de (in elk geval voor mij) nieuwe invalshoek vind ik het toch interessant genoeg om er iets over te schrijven.

De onderzoekers kijken naar wanneer de piek in het groeiseizoen plaatsvindt, en hoe het moment van die piek in de loop van de tijd is veranderd. Het moment van die piek zegt iets over wat de beperkende factor is voor fotosynthese en dus voor plantengroei: beschikbaarheid van water, temperatuur of zonlicht. De onderzoekers hebben gekeken naar de groeipiek op het noordelijk halfrond, boven de dertig graden noorderbreedte. Dit is het gebied waar, meer dan in de tropen, duidelijk waarneembare seizoensvariaties zichtbaar zijn. Het onderzoek kijkt alleen naar gebieden waar geen directe invloed van mensen te verwachten is, door bijvoorbeeld irrigatie of bemesting.

Beschikbaarheid van water piekt vroeg in het seizoen. Naarmate de temperatuur in het voorjaar stijgt, neemt de verdamping toe. Dit weegt meestal zwaarder dan seizoensvariaties in de hoeveelheid neerslag, die er zo hier en daar natuurlijk ook zijn. Als beschikbaarheid van water beperkend is voor plantengroei, zal de groeipiek dus ook vroeg in het seizoen vallen, voor de zonnewende. Valt de groeipiek na de zonnewende, dan wijst dat op temperatuur als belangrijkste beperkende factor. De temperatuur piekt immers ook ergens in de zomer, omdat het aardoppervlak ook na de langste dag nog een tijd lang genoeg zonlicht ontvangt om verder op te warmen. Valt de groeipiek samen met de maximale zoninstraling (rekening houdend met de daglengte en met seizoensvariaties in bewolking), dan is de hoeveelheid zonlicht de beperkende factor voor fotosynthese. (Je zou misschien kunnen denken dat het verband tussen timing van de groeipiek en de beperkende factor een natte-vinger-schatting is,maar volgens de onderzoekers is er nogal wat informatie die dat verband bevestigt.)

Om eventuele misverstanden te voorkomen: het gaat hier over de klimatologische omstandigheden, waar ecosystemen zich op hebben ingesteld. Een vroege groeipiek betekent dus niet dat een gebied te droog is, of een late piek dat het te koud is voor de natuur ter plaatse. Die natuur heeft zich evolutionair aangepast aan de klimatologische situatie.

Een late groeipiek blijkt vooral op te treden in koude noordelijke of hooggelegen gebieden. Er zal niet overal sprake zijn van een direct verband tussen temperatuur en plantengroei, maar sneeuwbedekking en een bevroren bodem zullen ook een rol spelen als beperkende factor. Maar er zal ook een direct effect van de temperatuur zijn. Fotosynthese is immers een chemisch proces, en chemische processen verlopen nu eenmaal sneller als het warmer is. Voor de biochemie zit daar dan wel weer een andere kant aan, bijvoorbeeld omdat er bij hogere temperaturen ook makkelijker iets kapot kan gaan in de grote, complexe moleculen die nu eenmaal nodig zijn voor het leven.

Voor ruim 30 procent van het onderzochte gebied bepaalt de beschikbaarheid van water het moment waarop de plantengroei piekt. Dit geldt vooral voor ecosystemen in gematigde klimaatzones en voor de noordelijke bossen in Noord-Amerika.

De satellietdata die de onderzoekers hebben bekeken beslaan een periode die vrij kort is voor klimatologisch onderzoek (20 jaar: 2001 – 2020), maar toch zijn er wel wat trends zichtbaar. Ze bevestigen dat planten in die periode sneller zijn gaan groeien en dus meer CO₂ opnemen. Die toename is groter in de temperatuurgelimiteerde dan in de watergelimiteerde regio’s.

De timing van de groeipiek is verschoven in de periode van 20 jaar waarvoor er satellietdata beschikbaar zijn. Maar die verschuiving is niet overal hetzelfde. In temperatuurbeperkte regio’s vindt de piek vroeger in het jaar plaats. De verschuiving is klein, ongeveer 1 dag per 10 jaar, maar wel statistisch significant. Dat wijst erop dat beschikbaarheid van water hier in toenemende mate een beperkende factor kan worden voor plantengroei. En daarmee van het vermogen van vegetatie om een deel van het door ons uitgestote CO₂ op te nemen. In waterbeperkte regio’s ligt de piek juist wat later in het seizoen, maar deze trend is niet statistisch significant.

De verwachting is dat de regio’s waar water de beperkende factor is voor piekgroei zich de komende tijd uit zullen breiden, door de verdere opwarming van het klimaat. Bij een gematigd emissiescenario (SSP2-4.5) loopt het volgens klimaatmodellen op van de huidige 31% van het onderzochte gebied naar 40% in 2100. Bij het meest pessimistische scenario (SSP5-8.5) is dat 53% in 2100.

Het onderzoek bevestigt nog eens dat de natuur geen onbeperkte opnamecapaciteit heeft voor CO₂. Gaan we door met uitstoten, dan zal er dus in de loop van de tijd een steeds groter deel lange tijd in de atmosfeer blijven.

Tenslotte nog een detail over hoe de groeisnelheid wordt bepaald in dit onderzoek, voor wetenschapsnerds zoals ik. Het onderzoek maakt gebruikt van ‘solar-induced chlorophyll fluorescence’. Fluorescentie dus, licht dat door planten wordt uitgezonden. Planten blijken licht te geven – ik wist het ook niet – maar dat kunnen we niet zien omdat ze dat alleen overdag doen, wanneer ze nog veel meer licht ontvangen. Bladgroen absorbeert zonlicht, maar een plant kan niet altijd alle geabsorbeerde energie gebruiken voor fotosynthese. Het bladgroen moet die ongebruikte energie weer kwijt, en doet dat onder meer door een deel ervan weer als licht uit te zenden, in een specifiek golfengtegebied (650 – 800 nanometer; rood licht op en net over het randje van wat wij waar kunnen nemen). Analyse van die golflengtes in satellietmetingen van licht dat vanaf het aardoppervlak komt, geeft dus informatie over hoeveel van het geabsorbeerde licht op een bepaald moment niet wordt gebruikt voor fotosynthese. Hoe meer energie planten op die manier ‘weggooien’ hoe minder ze groeien, omdat er blijkbaar andere voorwaarden voor groei niet beschikbaar zijn.