Kaiyu Guan (a sinistra) e Chongya Jiang di CABBI sperano di sfruttare il loro prodotto SLOPE GPP all'avanguardia non solo per il progresso della scienza agraria, ma per il benessere dell'umanità. Utilizzando accurato, dati satellitari tempestivi per misurare l'assunzione di CO2 delle colture, il team di ricerca può misurare la salute e la produttività complessive degli ecosistemi bioenergetici. Credito:Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI)
Come molti di noi hanno imparato a scuola, le piante utilizzano la luce solare per sintetizzare l'anidride carbonica (CO 2 ) e acqua in carboidrati in un processo chiamato fotosintesi. Ma le "fabbriche" della natura non ci forniscono solo cibo, ma generano anche informazioni su come gli ecosistemi reagiranno a un clima che cambia e a un'atmosfera ricca di carbonio.
A causa della loro capacità di creare prodotti di valore da composti organici come la CO 2 , le piante sono conosciute come "produttori primari". Produzione primaria lorda (GPP), che quantifica il tasso di CO 2 fissazione nelle piante attraverso la fotosintesi, è una metrica chiave per monitorare la salute e le prestazioni di qualsiasi ecosistema vegetale.
Un team di ricerca con il Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha sviluppato un prodotto per misurare con precisione il GPP:il prodotto SatelLite Only Photosintency Estimation Gross Primary Production (SLOPE GPP) a un passo temporale giornaliero e risoluzione spaziale su scala di campo.
Il team ha sfruttato il supercomputer Blue Waters, ospitato presso l'U of I National Center for Supercomputing Applications (NCSA), nella loro ricerca. Il loro articolo è stato pubblicato in Dati scientifici del sistema terrestre nel febbraio 2021.
"Quantificazione della velocità con cui gli impianti di una determinata area elaborano la CO 2 è fondamentale per una comprensione globale del ciclo del carbonio, gestione del territorio terrestre, e la salute dell'acqua e del suolo, soprattutto date le condizioni irregolari di un pianeta in via di riscaldamento, " disse Kaiyu Guan, capo progetto e professore NCSA Blue Waters.
"La misurazione della fotosintesi è particolarmente pertinente agli ecosistemi agricoli, dove la produttività delle piante e i livelli di biomassa sono direttamente legati alla resa delle colture e quindi alla sicurezza alimentare. La nostra ricerca si applica direttamente non solo al servizio ecosistemico, ma anche benessere sociale, " disse Chongya Jiang, un ricercatore sul progetto.
Di particolare interesse è la rilevanza del monitoraggio GPP per gli ecosistemi agricoli bioenergetici, dove le "fabbriche" delle colture sono progettate appositamente per produrre biocarburanti rinnovabili. Quantificare la CO 2 la fissazione in questi ambienti è strumentale per ottimizzare le prestazioni sul campo e contribuire alla bioeconomia globale. Scienziati CABBI, come il ricercatore sul tema della sostenibilità Andy VanLoocke, suggeriscono che questi nuovi dati critici possono essere utilizzati per limitare le simulazioni dei modelli per i potenziali di resa delle colture bioenergetiche.
La tecnologia utilizzata in questo esperimento è all'avanguardia. Come suggerisce il nome, è puramente derivato da dati satellitari, e quindi completamente basato sull'osservazione anziché affidarsi a complessi, metodi di modellazione incerti.
Un esempio di tecnologia basata sull'osservazione è la fluorescenza della clorofilla indotta dal sole (SIF), un debole segnale luminoso emesso dalle piante che è stato utilizzato come nuovo proxy per GPP. Ispirato dalle loro osservazioni a terra di anni di SIF, Il gruppo di Guan ha sviluppato un metodo ancora più avanzato per migliorare la stima del GPP:l'integrazione di un nuovo indice di vegetazione chiamato "riflettenza nel vicino infrarosso della vegetazione" (SANIRv) con radiazione fotosinteticamente attiva (PAR).
SLOPE si basa su questa nuova integrazione. SANIRv rappresenta l'efficienza della radiazione solare utilizzata dalla vegetazione, e PAR rappresenta la radiazione solare che le piante possono effettivamente utilizzare per la fotosintesi. Entrambe le metriche sono derivate da osservazioni satellitari.
Attraverso un'analisi di 49 siti AmeriFlux, i ricercatori hanno scoperto che PAR e SANIRv possono essere sfruttati per stimare con precisione il GPP. Infatti, il prodotto SLOPE GPP può spiegare l'85% delle variazioni spaziali e temporali del GPP acquisito dai siti analizzati:un risultato positivo, e le migliori prestazioni mai ottenute confrontate con questi dati standard. Poiché sia SANIRv che PAR sono "solo satellite, " questo è un risultato che i ricercatori hanno cercato a lungo, ma che solo ora viene implementato in un prodotto GPP operativo.
I processi esistenti per quantificare il GPP sono inefficienti per tre ragioni fondamentali:precisione spaziale (basata su immagini), precisione temporale (basata sul tempo), e latenza (ritardo nella disponibilità dei dati). Il prodotto SLOPE GPP creato dal team di Guan utilizza immagini satellitari due volte più nitide rispetto alla maggior parte degli studi su larga scala (misurazione a 250 metri rispetto al tipico> 500 metri) e recupera i dati su un ciclo giornaliero, otto volte più fine della norma. Ma ancora più importante, questo nuovo prodotto ha una latenza compresa tra uno e tre giorni, considerando che i set di dati esistenti sono in ritardo di mesi o addirittura anni. Finalmente, la maggior parte dei prodotti GPP impiegati oggi sono basati sull'analisi, piuttosto che sull'osservazione, le metriche che usano per calcolare il GPP (ad es. umidità del suolo, temperatura, ecc.) sono derivati da algoritmi piuttosto che da condizioni del mondo reale raccolte dalle osservazioni satellitari.
"Fotosintesi, o GPP, è la base per quantificare il bilancio del carbonio a livello di campo. Senza informazioni GPP accurate, quantificare altre variabili legate al carbonio, come la variazione annuale del carbonio nel suolo, è molto meno affidabile, " Ha detto Guan. "Il supercomputer Blue Waters ha reso possibile il nostro calcolo di peta-byte. Useremo questi nuovi dati GPP per migliorare significativamente la nostra capacità di quantificare la contabilità del bilancio del carbonio agricolo, e servirà come input primario per limitare la modellizzazione del cambiamento del carbonio organico nel suolo per ogni campo che richiede la quantificazione del carbonio nel suolo. Oltre ai dati SLOPE GPP, metodi simili ci consentono di generare dati GPP a 10 metri e una risoluzione giornaliera per consentire anche una gestione agricola di precisione del sottocampo".
