Maklumat

1.4.19.6: Pemacu Perubahan Iklim Global - Biologi

1.4.19.6: Pemacu Perubahan Iklim Global - Biologi


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.

Hasil pembelajaran

  • Kenal pasti pemacu perubahan iklim global yang berbeza

Oleh kerana tidak mungkin kembali ke masa lalu untuk melihat dan mengukur iklim secara langsung, para saintis menggunakan bukti tidak langsung untuk menentukan pendorong, atau faktor, yang mungkin bertanggungjawab terhadap perubahan iklim. The Kitaran Milankovitch huraikan kesan perubahan kecil dalam orbit Bumi terhadap iklim Bumi. Dalam erti kata lain, seseorang boleh mengharapkan untuk melihat beberapa perubahan yang boleh diramal dalam iklim Bumi yang dikaitkan dengan perubahan dalam orbit Bumi sekurang-kurangnya setiap 19,000 tahun.

Perubahan dalam keamatan matahari adalah faktor semula jadi kedua yang bertanggungjawab terhadap perubahan iklim. Keamatan suria ialah jumlah tenaga suria atau tenaga yang dipancarkan matahari dalam jangka masa tertentu. Terdapat hubungan langsung antara keamatan suria dan suhu. Apabila intensiti solar meningkat (atau menurun), suhu Bumi meningkat (atau menurun). Perubahan intensiti suria telah diusulkan sebagai salah satu dari beberapa penjelasan yang mungkin untuk Zaman Es Kecil.

Akhirnya, letusan gunung berapi adalah pemacu semula jadi ketiga perubahan iklim. Letusan gunung berapi dapat bertahan beberapa hari, tetapi pepejal dan gas yang dilepaskan semasa letusan dapat mempengaruhi iklim selama beberapa tahun, menyebabkan perubahan iklim jangka pendek. Gas dan pepejal yang dilepaskan oleh letusan gunung berapi boleh merangkumi karbon dioksida, wap air, sulfur dioksida, hidrogen sulfida, hidrogen, dan karbon monoksida. Umumnya, letusan gunung berapi menyejukkan iklim. Ini berlaku pada tahun 1783 ketika gunung berapi di Iceland meletus dan menyebabkan pelepasan sulfurik oksida dalam jumlah besar. Ini membawa kepada penyejukan kesan jerebu, fenomena global yang berlaku apabila habuk, abu, atau zarah terampai yang lain menyekat cahaya matahari dan mencetuskan suhu global yang lebih rendah sebagai akibatnya; penyejukan kesan jerebu biasanya berlanjutan selama satu tahun atau lebih. Di Eropah dan Amerika Utara, penyejukan kesan jerebu menghasilkan beberapa suhu musim sejuk purata terendah dalam rekod pada tahun 1783 dan 1784.

Gas rumah hijau mungkin merupakan pemacu iklim yang paling ketara. Apabila tenaga haba dari matahari menyerang Bumi, gas yang dikenali sebagai gas rumah hijau memerangkap panas di atmosfera, begitu juga kaca kaca rumah hijau agar haba tidak terlepas. Gas rumah hijau yang menjejaskan Bumi termasuk karbon dioksida, metana, wap air, nitrus oksida, dan ozon. Kira-kira separuh daripada radiasi dari matahari melewati gas-gas ini di atmosfera dan menyerang Bumi. Sinaran ini diubah menjadi sinaran termal di permukaan Bumi, dan kemudian sebahagian tenaga itu dipancarkan kembali ke atmosfera. Gas rumah hijau, bagaimanapun, mencerminkan sebahagian besar tenaga haba kembali ke permukaan bumi. Lebih banyak gas rumah hijau terdapat di atmosfera, lebih banyak tenaga haba dipantulkan kembali ke permukaan Bumi. Gas rumah hijau menyerap dan mengeluarkan sinaran dan merupakan faktor penting dalam kesan rumah hijau: pemanasan Bumi kerana karbon dioksida dan gas rumah hijau lain di atmosfera.

Bukti menyokong hubungan antara kepekatan atmosfera karbon dioksida dan suhu: apabila karbon dioksida meningkat, suhu global meningkat. Sejak tahun 1950, kepekatan karbon dioksida atmosfera telah meningkat daripada kira-kira 280 ppm kepada 382 ppm pada tahun 2006. Pada tahun 2011, kepekatan karbon dioksida atmosfera ialah 392 ppm. Walau bagaimanapun, planet ini tidak akan dapat dihuni oleh bentuk kehidupan semasa sekiranya wap air tidak menghasilkan kesan pemanasan rumah hijau yang drastik.

Para saintis melihat corak dalam data dan cuba menjelaskan perbezaan atau penyimpangan dari corak ini. Data karbon dioksida atmosfera memperlihatkan corak sejarah karbon dioksida meningkat dan menurun, berpusing antara rendah 180 ppm dan tinggi 300 ppm. Para saintis telah membuat kesimpulan bahawa mengambil masa sekitar 50,000 tahun untuk tahap karbon dioksida atmosfera meningkat dari kepekatan minimum yang rendah ke kepekatan maksimum yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, mulai baru-baru ini, kepekatan karbon dioksida atmosfera telah meningkat melebihi had sejarah 300 ppm. Peningkatan semasa dalam karbon dioksida atmosfera telah berlaku dengan sangat cepat-dalam masa beratus-ratus tahun dan bukannya beribu-ribu tahun. Apakah sebab perbezaan kadar perubahan dan jumlah peningkatan karbon dioksida? Faktor utama yang mesti diiktiraf apabila membandingkan data sejarah dan data semasa ialah kehadiran masyarakat manusia moden; tidak ada pendorong perubahan iklim yang lain yang menghasilkan perubahan pada tahap karbon dioksida atmosfera pada kadar ini atau sebesar ini.

Aktiviti manusia membebaskan karbon dioksida dan metana, dua daripada gas rumah hijau yang paling penting, ke atmosfera dalam beberapa cara. Mekanisme utama yang membebaskan karbon dioksida ialah pembakaran bahan api fosil, seperti petrol, arang batu, dan gas asli (Rajah 1).

Penebangan hutan, pembuatan simen, pertanian haiwan, pembukaan lahan, dan pembakaran hutan adalah aktiviti manusia lain yang melepaskan karbon dioksida. Metana (CH4) dihasilkan apabila bakteria memecah bahan organik dalam keadaan anaerobik. Keadaan anaerobik boleh berlaku apabila bahan organik terperangkap di bawah air (seperti dalam sawah) atau dalam usus herbivor. Metana juga dapat dilepaskan dari medan gas asli dan penguraian yang berlaku di tapak pelupusan sampah. Sumber metana lain adalah pencairan klatrat.

Clathrates ialah ketulan ais beku dan metana yang terdapat di dasar lautan. Apabila air menjadi panas, ketulan ais ini mencair dan metana dibebaskan. Apabila suhu air lautan meningkat, laju pencairan clathrat meningkat, melepaskan lebih banyak metana. Ini membawa kepada peningkatan paras metana di atmosfera, yang mempercepatkan lagi kadar pemanasan global. Ini adalah contoh gelung maklum balas positif yang membawa kepada kadar peningkatan suhu global yang pantas.


Tindak balas terbaru terhadap perubahan iklim menunjukkan pendorong kepupusan dan kelangsungan hidup spesies

Tanggapan spesies terhadap perubahan iklim sangat penting. Di sini, kami menangani perubahan iklim yang berkaitan dengan kepunahan penduduk baru-baru ini, menggunakan data dari 538 spesies tumbuhan dan haiwan yang diedarkan di seluruh dunia. Anehnya, kepupusan berlaku di laman web dengan perubahan yang lebih kecil pada suhu tahunan rata-rata tetapi peningkatan yang lebih besar pada suhu tahunan terpanas. Kami juga menilai sama ada spesies dapat bertahan dari perubahan iklim dengan penyebaran, mengalihkan ruang untuk mentolerir keadaan yang lebih panas, atau kedua-duanya. Memandangkan penyebaran sahaja, kebanyakan spesies ini (~ 57-70%) mungkin menghadapi kepupusan. Walau bagaimanapun, pergeseran niche berpotensi mengurangkan ini hanya kepada 30% atau kurang. Secara keseluruhan, keputusan kami menunjukkan kepentingan suhu maksimum untuk menyebabkan kepupusan spesies dan anjakan niche untuk membolehkan kelangsungan hidup mereka.


Lebih Api

Bayangkan melawat taman untuk mencari pemandangan kegemaran anda yang dikaburkan oleh asap atau seluruh kawasan ditutup untuk keselamatan awam. Bayangkan bergelut untuk bernafas atau terpaksa mengosongkan tapak perkhemahan anda pada tengah malam. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, banyak pengunjung Glacier telah mengalami semua perkara ini. Para saintis menganggarkan bahawa perubahan iklim telah menggandakan jumlah ekar yang dibakar di kebakaran hutan AS barat sejak tahun 1980-an. Kecenderungan ini, termasuk peningkatan ukuran, frekuensi, dan keparahan kebakaran hutan, diharapkan akan berlanjutan.


Melindungi spesies semasa bergerak

Ketika suhu dan permukaan laut meningkat akibat perubahan iklim, flora dan fauna berpindah ke tanah baru dan tidak diketahui untuk bertahan hidup. Sebilangan spesies haiwan harus bergerak lebih jauh ke utara untuk tetap sejuk, sementara pokok dan tanaman harus meningkatkan keluasan penyebaran benihnya untuk memastikan kejayaan generasi akan datang.

Dan sama seperti mereka menyesuaikan diri dengan perubahan, idea kami tentang cara kami berjaya melibatkan diri dalam pemuliharaan perlu juga.

Dengan geran daripada program Dynamics of Integrated Socio-Environmental Systems Yayasan Sains Kebangsaan, pasukan penyelidik antara disiplin dari Virginia Tech University of Tennessee, Knoxville dan University of Southern California membantu agensi pemuliharaan dan pihak berkepentingan lain merentasi sempadan negeri dan tempatan untuk memikirkan semula pendekatan perlindungan biodiversiti untuk era baharu perubahan iklim ini.

"Usaha pemuliharaan secara tradisinya sering dilakukan berdasarkan gagasan ini bahawa spesies ada di tempat-tempat tertentu dan bukan di tempat lain," kata Todd Schenk, seorang profesor bersekutu dalam Program Urusan dan Perancangan Sekolah Hal Ehwal Awam dan Antarabangsa di Virginia Tech. "Ia telah menjadi jelas bahawa itu tidak benar lagi, jika ia pernah berlaku. Kami mencapai tahap di mana perubahan iklim dan pemacu perubahan global lain mengubah ekosistem pada kadar yang pantas."

Memandangkan kita semakin melihat kesan perubahan iklim terhadap ekosistem, pengurus, penyelidik, perancang alam sekitar dan pihak berkepentingan lain bertanya soalan: Bagaimanakah kita menangani penghijrahan keseluruhan ekosistem apabila usaha pemuliharaan kita tertumpu terutamanya pada tempat tertentu dan dikekang oleh sempadan politik?

Dengan projek ini, pasukan penyelidik akan melihat salah satu kawasan paling beragam secara biologi di dunia beriklim sederhana: Pergunungan Appalachian tengah dan selatan. Wilayah ini akan berfungsi sebagai lanskap kes ujian untuk pengembangan visi pemuliharaan yang lebih dinamik.

Dalam 48 yang lebih rendah, ekosistem Appalachian terkenal dengan keanekaragaman hayati yang luar biasa. Meliputi kawasan seluas 737.000 batu persegi dan rumah bagi puluhan ribu spesies, ekosistem gunung ini telah memainkan, dan akan terus memainkan peranan penting dalam memungkinkan pergerakan spesies seiring perubahan iklim.

Pergunungan Appalachian merentasi 13 negeri. Dengan mengambil kira semua agensi persekutuan, agensi negeri, puak, dan organisasi bukan untung yang mempunyai tanggungjawab untuk melindungi mereka, kawasan Pegunungan Appalachian adalah contoh utama dari cabaran pengurusan yang akan muncul ketika spesies menghadapi ancaman baru yang semakin meningkat.

Schenk berkata bahawa terdapat satu isu yang patut diberi perhatian: garis negara kita. Dahulu, sempadan negara digambar secara besar-besaran tanpa mempertimbangkan ciri ekologi tertentu.

"Sempadan kami jarang dibuat berdasarkan ekosistem, seperti lembangan sungai atau kawasan tadahan air, untuk bermula," kata Schenk. "Jika ada, kami telah melakukan sebaliknya. Banyak negeri mempunyai sungai yang menjadi sempadan. Sudah tentu, kami tidak melukis sempadan politik yang menyumbang kepada ekologi wilayah. Kami menariknya atas sebab lain."

Bagi mereka yang bertanggungjawab terhadap dasar, perancangan, dan pengurusan alam sekitar, batasan buatan ini menjadi semakin bermasalah. Perubahan persekitaran pasti akan melintasi batas-batas ini, yang memerlukan koordinasi yang signifikan melintasi batas-batas tersebut.

"Banyak yang kita lakukan sebagai masyarakat untuk melindungi spesies akhirnya terkait dengan geografi tetap," kata Paul Armsworth, seorang ahli ekologi di University of Tennessee, Knoxville, dan penyelidik utama projek tersebut. "Kami melindungi tempat-tempat istimewa di landskap dalam rizab alam semula jadi atau meminta agensi negeri untuk mengetuai dalam melindungi spesies yang terdapat dalam sempadan mereka. Tetapi, kami akan memerlukan pendekatan yang lebih fleksibel dan dinamik jika kami ingin terus melindungi spesies apabila perubahan iklim semakin pantas. . "

Para penyelidik percaya pemikiran kolektif semacam ini memerlukan perubahan budaya dan institusi dalam agensi pengurusan sumber semula jadi dan NGO pemuliharaan, dan mempermudah perubahan tersebut memerlukan masa.

Dengan bantuan kecerdasan buatan, pasukan akan dapat mengukur perubahan ini dari semasa ke semasa dan memberi amaran kepada agensi negeri dan persekutuan untuk merancang dengan sewajarnya.

"Jika semua yang kita lakukan adalah bertindak balas terhadap perubahan apabila ia berlaku, maka komuniti pemuliharaan akan sentiasa berada dalam mod krisis, tetapi kita boleh mendahului permainan," kata Bistra Dilkina, co-PI sains komputer pasukan dari Universiti California Selatan. "Sekiranya kita menggunakan pendekatan komputasi moden, kita dapat meramalkan bagaimana spesies akan bertindak balas terhadap perubahan iklim dan di mana dan kapan perubahan ekologi akan berlaku di lanskap. Melakukannya akan membolehkan kita meneroka jenis kolaborasi tadbir urus baru yang diperlukan bersedia apabila perubahan itu tiba."

Untuk meneroka isu ini dengan lebih lanjut, pasukan itu merancang untuk melibatkan pegawai agensi secara langsung dan orang lain yang bertanggungjawab untuk menyepadukan perubahan iklim ke dalam Pelan Tindakan Hidupan Liar Negeri (SWAP). Dengan setiap negara mematuhi rancangannya sendiri, koordinasi untuk mengatasi masalah jahat, seperti perubahan iklim, akan menjadi sulit. Penyelarasan sangat mustahak.

"Tidak ada integrasi yang ketat melintasi batas negara," kata Schenk. "Orang-orang yang membuat rancangan ini mempunyai tanggungjawab kepada negeri dan negeri mereka sahaja. Mereka tidak akan tiba-tiba mula membuat rancangan untuk negeri-negeri lain. Oleh itu, persoalan utama adalah 'bagaimana kita berkoordinasi, sambil menyedari bahawa batas-batas politik itu tidak pergi? '"

Pasukan itu juga sedang mencari ilmu daripada mereka yang telah menjaga tanah lama sebelum orang Eropah tiba. Berbagai suku Orang Asli menduduki pegunungan Appalachian tengah dan selatan, dan pasukan akan belajar dari mereka, sambil membantu mereka meningkatkan pendekatan pengurusan mereka dalam menghadapi perubahan iklim.

"Mereka adalah rakan kongsi kritikal dalam projek ini memandangkan hubungan jangka panjang dan pengawasan mereka dengan tanah itu," kata Schenk.

Dengan gabungan pelbagai jenis kepakaran penyelidikan dan pakar dari pelbagai organisasi, pasukan yakin projek baru ini benar-benar dapat memberi perbezaan kepada pemuliharaan masa depan di wilayah Appalachian dan seterusnya.

"Pada teras mereka, masalah alam sekitar seperti perubahan iklim benar-benar masalah manusia, " kata William A. Hopkins, profesor hidupan liar di Kolej Sumber Asli dan Alam Sekitar dan pengarah eksekutif bersekutu Institut Sains Hayat Fralin. "Kita mesti menangani dimensi manusia bagi isu-isu kompleks ini jika kita mempunyai sebarang harapan untuk akhirnya menghentikan atau membalikkan kesannya terhadap alam sekitar dan masyarakat. Kerjasama antara ahli ekologi, saintis sosial dan saintis komputer mengenai projek yang dibiayai NSF ini menunjukkan jenis pendekatan inovatif yang diperlukan untuk menyelesaikan cabaran ini. "

Fralin Life Sciences Institute mengambil langkah berani untuk memupuk dan menyokong kolaborasi dan kemitraan strategik yang serupa dengan kolej dan institusi lain di Virginia Tech.

"Kami baru-baru ini bekerjasama dengan fakulti dengan kepakaran yang pelbagai dari lima kolej di Steger Hall untuk mengatasi masalah yang berkaitan dengan perubahan persekitaran yang pesat. Dengan koordinasi dengan Institut untuk Masyarakat, Budaya, dan Alam Sekitar, kami dapat membawa Todd Schenk," tambah Hopkins .

Schenk menekankan bahawa program NSF Dynamics of Integrated Socio-Environmental Systems merupakan peluang yang jarang dan menarik bagi para penyelidik. Bukan hanya penyelidik di seluruh disiplin akan bekerjasama, tetapi mereka yang berada di dalam dan di luar akademik juga akan bekerjasama.

"Program ini akan mengintegrasikan bidang sosial dan alam sekitar, yang sangat penting untuk isu seperti pemuliharaan yang berkesan," kata Schenk. "Sungguh menarik untuk melihat semua orang - daripada agensi persekutuan hingga Institut Sains Hayat Fralin - berkumpul untuk melihat penekanan sedemikian diberikan pada kerjasama tulen, berterusan dan lebih mendalam yang menjangkaui bidang akademik yang lalu."

Penafian: AAAS dan EurekAlert! tidak bertanggungjawab untuk ketepatan siaran berita yang disiarkan ke EurekAlert! dengan institusi penyumbang atau untuk penggunaan sebarang maklumat melalui sistem EurekAlert.


Abstrak

Saiz daun berbeza-beza melebihi 100,000 kali ganda antara spesies di seluruh dunia. Walaupun ahli geografi tumbuhan abad ke-19 menyatakan bahawa kawasan tropika basah mempunyai tanaman dengan daun yang sangat besar, kecerunan ukuran latitudinal ukuran daun belum dapat dihitung dengan baik dan pemacu iklim utama tidak dapat dikenal pasti. Di sini, kami mencirikan corak seluruh dunia dalam saiz daun. Spesies berdaun besar mendominasi dalam persekitaran basah, panas, cerah spesies berdaun kecil melambangkan persekitaran panas dan cerah hanya dalam keadaan gersang daun kecil juga ditemui di latitud dan ketinggian yang tinggi. Dengan memodelkan keseimbangan input dan output tenaga daun, kami menunjukkan bahawa perbezaan suhu daun-ke-udara siang dan malam adalah kunci kepada kecerunan geografi dalam ukuran daun. Pengetahuan ini dapat memperkaya model vegetasi "generasi seterusnya" di mana suhu daun dan penggunaan air semasa fotosintesis memainkan peranan penting.

Suhu daun adalah kawalan utama terhadap kadar metabolisme tumbuhan. Karboksilasi fotosintetik meningkat dengan kuat dengan suhu, tetapi begitu juga proses katabolik seperti respirasi gelap dan fotorespirasi (1). Oleh itu, kadar fotosintetik bersih cenderung memuncak pada suhu pertengahan, dengan suhu optimum biasanya lebih tinggi pada spesies dari kawasan yang lebih panas (2, 3). Suhu yang sangat tinggi atau rendah boleh menjejaskan fungsi enzim, mengganggu membran dan proses selular, dan jika cukup melampau, menyebabkan kerosakan tisu yang tidak boleh diperbaiki (1). Tumbuhan menunjukkan pelbagai penyesuaian untuk meningkatkan bahagian hari daun dapat beroperasi dalam jarak suhu yang hampir optimum untuk fotosintesis dan untuk mengelakkan suhu yang melampau (4, 5). Daun berjumbai dengan permukaan daun pemantul boleh mengelakkan suhu tengah hari yang tinggi (6misalnya, sedangkan susunan kanopi yang bergumpal di tanaman alpine membantu mengelakkan sejuk yang melampau (7). Walau bagaimanapun, sifat yang berbeza-beza yang paling ketara yang mempengaruhi suhu daun ialah saiz daun individu.

Di seluruh kerajaan tumbuhan, daun berbeza dari kurang daripada 1 mm 2 hingga lebih daripada 1 m 2 dalam kawasan (8). Daun yang lebih besar mempunyai lapisan batas yang lebih tebal yang memperlambat pertukaran haba yang masuk akal dengan udara di sekitarnya, yang bermaksud bahawa — semuanya sama — mereka mengembangkan perbezaan suhu daun ke udara yang lebih besar daripada daun yang lebih kecil (9, 10). Semua daun disejukkan oleh kehilangan air transpirasi, tetapi ini sangat penting untuk daun besar, yang menghadapi risiko kerosakan haba yang berpotensi lebih besar pada suhu udara tinggi dan penyinaran tinggi, terutama ketika air tanah membatasi (2). Prinsip-prinsip ini penting bagi teori terkenal untuk ukuran daun yang optimum berdasarkan anggaran tenaga daun siang (2, 9, 1114), yang meramalkan keburukan berdaun besar di tapak yang lebih panas, kering dan bercahaya tinggi. Untuk menyokong ramalan ini, banyak kajian menunjukkan ukuran daun rata-rata yang lebih kecil di lokasi dengan purata hujan tahunan (MAP) yang lebih rendah (1519dan penyinaran yang lebih tinggi (6, 20). Walau bagaimanapun, dua tinjauan berskala luas baru-baru ini mengenai saiz daun berbanding suhu tahunan purata (MAT) (18, 19) telah menunjukkan corak yang bertentangan dengan yang diramalkan daripada pertimbangan belanjawan tenaga siang hari ini: min saiz daun jelas meningkat dan bukannya berkurangan dengan MAT (21). Keputusan ini menimbulkan cabaran besar kepada pemahaman yang diterima berdasarkan teori belanjawan tenaga "klasik". Dalam kajian lain, spesies berdaun besar terbukti tidak biasa di kawasan sejuk dan bertingkat tinggi (7, 22). Corak ini sebaliknya bersesuaian dengan kawalan oleh keseimbangan tenaga waktu malam—pengaruh yang kurang dihargai—yang menunjukkan kelemahan yang besar untuk daun besar di kawasan sejuk mereka lebih terdedah kepada kerosakan fros kerana lapisan sempadan yang lebih tebal melambatkan pertukaran haba yang wajar dengan tanah, udara, dan tumbuh-tumbuhan di sekeliling, yang diperlukan untuk mengimbangi kehilangan sinaran gelombang panjang ke langit malam (23, 24).

Dalam kajian ini, tujuan pertama kami adalah pengukuran skala global tentang bagaimana ukuran daun berbeza dengan iklim tapak, yang memungkinkan kami menganalisis kemungkinan kesan interaktif suhu tapak, penyinaran, dan kelembapan dan untuk memberikan ujian ramalan yang kuat dari teori berdasarkan optimum klasik untuk saiz daun (2, 9, 1114). Objektif kedua kami adalah untuk memodelkan had atas ukuran daun yang layak berkaitan dengan risiko penyejukan malam dan pemanasan berlebihan pada waktu siang. Dengan menggabungkan analisis kumpulan data besar di seluruh dunia dengan pendekatan mekanistik untuk meramalkan ukuran daun maksimum sebagai fungsi dari iklim tapak, kami berusaha untuk menjelaskan kecerunan latitud dalam ukuran daun yang pertama kali diperhatikan oleh ahli geografi tumbuhan abad ke-19 (25, 26) - teka-teki ekologi yang telah lama wujud, yang kegigihannya telah menghalang penyebaran sifat penting ini dalam model vegetasi global dan sistem bumi.

Kami mengumpulkan set data saiz daun untuk 7670 spesies daripada 682 tapak bukan pertanian di seluruh dunia, dengan pensampelan tersebar di semua benua tumbuh-tumbuhan, zon iklim, biom dan bentuk pertumbuhan utama (rajah S1 dan S2). Di setiap lokasi, data ukuran daun digabungkan menjadi satu nilai rata-rata per spesies, menghasilkan 13,705 kombinasi spesies-lokasi. "Saiz daun" di sini merujuk kepada kawasan unjuran satu sisi bagi daun tunggal, risalah (untuk spesies berdaun majmuk), atau analog daun (seperti phyllodes dan cladodes) untuk spesies tanpa daun. Data iklim tahunan dan musim tumbuh untuk setiap laman web berasal dari penerbitan sumber atau dari kumpulan data iklim global. Saiz daun berbeza-beza antara spesies dengan lebih daripada lima urutan magnitud. Secara purata, pokok mempunyai daun yang lebih besar daripada pokok renek, herba atau rumput (rajah S2), tetapi variasi yang sangat ketara boleh diperhatikan dalam setiap bentuk pertumbuhan. Terdapat juga corak taksonomi yang kuat misalnya, keluarga seperti Dipterocarpaceae dan Magnoliaceae ditandai oleh banyak spesies berdaun besar, sedangkan banyak spesies berdaun kecil ditemukan di Cupressaceae, Ericaceae, dan Fabaceae.

Ukuran daun rata-rata lebih besar di kawasan khatulistiwa dan lebih kecil ke arah kutub. Regresi kuadratik yang sesuai dengan garis lintang menjelaskan 28% variasi global (Gambar 1A), dengan trend hampir serupa pada spesies berdaun sederhana dan berdaun majmuk (rajah S3). Kuasa penerangan yang serupa atau lebih tinggi diperhatikan dalam klad utama (rajah S4). Metrik iklim biasa yang berkaitan dengan garis lintang dijelaskan lebih kecil tetapi masih besar bagi variasi ukuran daun (Rajah 1 dan jadual S2): PETA (Gambar 1B) dan MAT menjelaskan 22 dan 15% variasi global, masing-masing (daun yang lebih besar lebih basah atau laman web yang lebih panas). Pembolehubah lain yang berkaitan dengan kelembapan tapak menjelaskan variasi yang kurang daripada MAP [seperti indeks lembapan (MI), nisbah kerpasan tahunan kepada potensi sejatan, pekali penentuan (R 2 ) = 0.12 (Rajah 1C)]. Untuk suhu tapak, hubungan paling kuat dengan saiz daun, semuanya dalam tanda positif, adalah dengan pembolehubah iklim yang dinyatakan pada asas musim tumbuh [min suhu musim tumbuh, R 2 = 0.21 (Gambar 1D) suhu purata bulan terdingin selama musim tumbuh, R 2 = 0.24]. Saiz daun secara statistik dikaitkan dengan penyinaran, tetapi dengan sedikit kuasa penjelasan (R 2 & 0.01, P = 0.002) (Gamb. 1E). Secara umum, hubungan antara ukuran daun dan pemboleh ubah iklim individu lebih ketat di kayu daripada spesies bukan kayu dan, di antara taksa berkayu, lebih ketat di malar hijau daripada di spesies gugur (jadual S3 dan S4).

(A) Spesies dikodekan sebagai daun sederhana (lingkaran biru) atau daun majmuk (kotak oren yang mana "ukuran daun" merujuk pada daun). Garis dipasang padat (regresi kuadratik, semua spesies), logLS = 1.37 + 0.006 Lat - 0.0004 Lat 2 R 2 = 0.28, P < 0.0001. Ditunjukkan dalam rajah. S3, A dan B, adalah graf yang setara, dengan cerun dipasang secara berasingan kepada spesies berdaun ringkas dan majmuk, dan apabila menganggap saiz daun daun majmuk adalah saiz keseluruhan daun dan bukannya risalah. (B) Purata pemendakan tahunan (logLS = 1.02 logMAP - 2.18 R 2 = 0.22, P & lt 0.0001). (C) Keseimbangan tahunan MI (logLS = 0.70 logMI + 1.00 R 2 = 0.12, P & lt 0.0001). (D) Purata suhu semasa musim tumbuh (logLS = 0.07 Tgs – 0.28 R 2 = 0.21, P & lt 0.0001). (E) Sinaran harian tahunan (logLS = 0,002 RAD + 0,54 R 2 = 0.002, P = 0.002). Dalam (A) hingga (E), cerun yang dipasang dianggarkan dengan menggunakan model campuran linear (tapak dan spesies dianggap sebagai kesan rawak) butiran lanjut tentang hubungan saiz daun-iklim diberikan dalam jadual S2. Di (A) hingga (E), contohkan n = 13.641 kombinasi spesies-lokasi dan garis putus-putus menunjukkan regresi kuantil ke-5 dan ke-95. Analisis lanjut dengan menggunakan regresi kuantil dibentangkan dalam rajah. S7.

Gabungan pembolehubah iklim menjelaskan paling banyak variasi dalam saiz daun. Suhu tapak [paling ketara, suhu purata pada bulan terhangat (TWM)], sinaran dan lembapan (MAP atau MI) menunjukkan kesan interaktif yang kuat, dengan permukaan yang paling sesuai ialah satah berpintal (Rajah 2 dan rajah S5). Di laman web paling kering (PETA & lt

0.5), saiz daun menurun dengan rendah TWM, sedangkan di kawasan yang lebih basah, ukuran daun meningkat dengan TWM (R 2 = 0.34) (Gamb. 2). Gandingan ini dengan suhu tapak semakin curam dan ketat pada PET yang lebih tinggi (rajah S6A). Begitu juga, saiz daun tidak berkaitan dengan MAP di tapak yang lebih sejuk (TWM dalam julat dari 0° hingga 15°C) tetapi berkaitan secara positif dengan MAP di tapak yang lebih panas, dan semakin tinggi semakin tinggi TWM (rajah S6C). Corak kualitatif yang serupa dengan kekuatan penjelasan yang serupa dijumpai ketika menggantikan ketidakpatuhan TWM dalam analisis ini (rajah S5 dan S6, B dan D), atau MI untuk MAP (R 2 = 0.33): Daun lebih kecil di tempat kering hanya di kawasan hangat, lebih kecil di lokasi penyinaran yang lebih panas atau lebih tinggi hanya di kawasan kering, dan lebih kecil di tempat yang lebih sejuk, terutama dalam keadaan basah. Artinya, setiap ramalan individu dari teori keseimbangan tenaga daun sebelumnya disokong dalam keadaan tertentu, tetapi tidak ada yang benar secara universal.

Mempertimbangkan saiz daun (LS) sebagai fungsi purata suhu bulan paling panas (TWM) dan purata hujan tahunan (MAP), permukaan paling sesuai yang dianggarkan oleh regresi model campuran berbilang ialah satah berpintal dengan bentuk logLS = – 0.27 TWM – 1.32 logMAP + 0.10 TWM × logMAP + 4.01 (semua parameter P = 0.001 R 2 = 0.34 n = 13,641 gabungan spesies-tapak). Hasil yang serupa dijumpai dalam analisis yang melibatkan ketiadaan dan bukannya TWM, atau indeks kelembapan tahunan (MI) daripada pemendakan (rajah S5 dan S6).

Analisis empirikal kami menunjukkan bahawa had atas saiz daun menunjukkan arah aliran yang ketara kedua-duanya dengan latitud (cerun regresi kuantil dalam Rajah 1A dan rajah S4) dan iklim (rajah S6, regresi kuantil A hingga D dalam Rajah 1, B hingga D , dan rajah S5 dan jadual S2). Untuk meneroka isu had atas ini dengan lebih mendalam, kami membangunkan pendekatan yang mudah tetapi mantap untuk pemodelan keseimbangan tenaga untuk kedua-dua perbezaan suhu daun-ke-udara siang dan malam (rajah S8). Teori keseimbangan tenaga (2, 4) meramalkan bahawa sinaran bersih pada permukaan daun dalam keadaan mantap mestilah sama dengan jumlah pertukaran haba yang sensitif dan terpendam dengan udara sekeliling, yang pertama adalah berkadar dengan perbezaan suhu daun-ke-udara (ΔT), yang terakhir kepada kadar transpirasi. Berdasarkan teori ini, kami menggunakan pengiraan generik untuk meramalkan batas atas ukuran daun pada waktu siang, untuk setiap lokasi kajian. Kami menganggap bahawa tumbuhan tidak dapat terjadi lebih cepat daripada pada tingkat maksimum yang diizinkan oleh keseimbangan radiasi bersih daun dan suhu udara, dan bahawa kadar transpirasi semakin berkurang apabila ketersediaan kelembapan tanah menurun. Menggunakan hubungan yang baik antara konduktansi lapisan batas daun (gb) dan saiz (4, 9, kita kemudian dapat memperoleh untuk set keadaan iklim tertentu ukuran daun maksimum yang menjaga suhu daun di bawah batas atas yang ditentukan sepanjang tahun.

Kami juga mempertimbangkan keseimbangan tenaga daun pada waktu malam, ketika radiasi bersih negatif dan sejauh mana ini dikompensasi oleh pertukaran haba yang masuk akal menentukan ΔT (23, 24). Untuk pengiraan jangkaan saiz daun maksimum ini, kami menetapkan had suhu yang lebih rendah di bawah yang mana daun aktif dijangka mengalami kerosakan yang serius. Kami menganggap hanya suhu yang dihadapi semasa musim pertumbuhan terma, atas dasar daun pada bahagian paling sejuk tahun dalam iklim musim sejuk-sejuk akan gugur atau mengeras dan tidak aktif. Berdasarkan dua kekangan ini—menggunakan had suhu atas daun 50°C (27, 28, dan had suhu yang lebih rendah –5 ° C (29)—kami memperoleh dua ramalan saiz daun berdaya maju maksimum untuk setiap satu daripada 682 tapak dalam set data kami. Daripada data ini, kami memperoleh ramalan umum untuk arah aliran latitudin dalam saiz daun maksimum dan membandingkannya dengan data yang diperhatikan (Rajah 3 dan rajah S9 hingga S12).

Kekangan teori mengenai ukuran daun maksimum dimodelkan untuk setiap 682 laman web dalam kumpulan data global kami, berdasarkan risiko pemanasan siang hari dan risiko pendinginan malam. Hasil digambarkan dengan laman web yang dikelompokkan berdasarkan indeks kelembapan tahunan (MI). (A) Laman web yang kering (MI & lt 0.5). (B) Laman web aridate pertengahan (0.5 & lt MI & lt 1.5). (C) Laman web basah (MI & gt 1.5). Aliran median melalui output model ditunjukkan dalam warna merah (panas siang hari) dan biru (sejuk malam). Ukuran daun yang diperhatikan ditunjukkan dalam warna kelabu, dengan regresi kuadratik kuantitinya yang ke-5 dan ke-95 ditunjukkan dalam warna hitam (masing-masing garis pepejal dan putus-putus). Pengiraan yang dibuat dengan menggunakan nilai alternatif bagi parameter utama menghasilkan anjakan sedikit ke atas atau ke bawah bagi fungsi kekangan, tanpa mengubah bentuk amnya (rajah S9 hingga S12).

Di lokasi gersang (MI & lt 0.5) (Gbr. 3A), batas atas ukuran daun hampir sejagat dengan anggaran kendala siang hari (Gambar. 3, garis putus-putus merah) kerana transpirasi cepat tidak mungkin dilakukan ketika bekalan air terhad, dan besar daun kurang bernasib baik dengan mencapai suhu tinggi yang merosakkan. Di tapak MI perantaraan (Rajah 3B), kekangan siang hari kelihatan lebih mengehadkan antara

20 ° S dan 20 ° N, tetapi kekangan waktu malam mendominasi di luar zon ini. Di tempat basah (MI & gt 1.5) (Gbr. 3C), batasan waktu siang diprediksi tidak penting kerana air yang mencukupi umumnya tersedia untuk penyejukan transpirasi yang berkesan, dengan batasan waktu malam mendominasi di semua garis lintang.

Hasil ini dapat digeneralisasikan dalam bentuk peta global yang menunjukkan tren geografi dalam ukuran daun maksimum (Gbr. 4) dan penentu (rajah S13). Saiz daun maksima yang berdaya maju ditunjukkan sebagai kecil terutamanya di padang pasir yang hangat dan di kawasan dataran tinggi yang sejuk (seperti Tibet dan Andes), tetapi atas sebab yang berbeza yang berkaitan dengan kekangan siang dan malam, masing-masing. Gradien curam dari ukuran daun maksimum yang dijangkakan dapat dijumpai, misalnya, di mana subtropik gersang beralih ke kawasan tropika basah. Pada iklim yang sangat panas (siang dan malam), sentiasa basah, mungkin tidak ada kekangan terma yang berkesan pada ukuran daun (rajah S4, warna biru tua, dan S13, kategori "tidak terhad"). 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

Ketahui Lebih Lanjut

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.


Tonton video: (Disember 2022).