Новая динамическая модель лучше описывает, как корни растений ищут ресурсы и адаптируются к их колебаниям

В природе растения сталкиваются с дефицитом воды и питательных веществ и конкуренцией за них. Корни активно "фуражируют" — ищут эти жизненно важные ресурсы. Однако традиционные компьютерные модели, используемые экологами, часто упрощённо представляли корневую систему как статичную, не учитывая её способность к активному поиску и адаптации.

Новый алгоритм для моделирования корней, разработанный Бет Древняк из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), проливает свет на эту адаптивную способность растений. Динамическая модель корней была внедрена в компонент ELM (Energy Exascale Earth System Land Model) более крупной модели земной системы E3SM.

Ключевые особенности новой модели:

• Динамичность: Модель позволяет имитировать реакцию роста растительности на изменения в доступности ресурсов.
• Комплексность: В отличие от предыдущих попыток, которые фокусировались либо на воде, либо на азоте, новая модель учитывает оба этих критически важных ресурса.
• Широкий охват: Модель исследует корни всей растительности в ELM (деревья, кустарники, травы, сельхозкультуры) в различных экосистемах и в разные сезоны.

Как работает адаптация в модели:

Распределение корней определяется водным стрессом (соотношением потребности растения в воде и её доступности).

• При высоком водном стрессе рост корней концентрируется в тех слоях почвы, где есть вода.
• При достатке воды рост корней фокусируется в зонах с доступным азотом.

Такое динамическое перераспределение влияет на поглощение воды растением, что, в свою очередь, воздействует на транспирацию, фотосинтез и продуктивность.

Проверка и результаты:

Оценка точности модели показала, что она достаточно хорошо воспроизводит вертикальное распределение корней и улучшает моделирование продуктивности растительности по сравнению со спутниковыми наблюдениями. Однако в некоторых регионах (Амазония, африканские тропики, южная Азия) в сухой сезон модель работает хуже, так как не полностью отражает способность растений использовать глубокие корни для добычи воды.

Значение и перспективы:

Модель уже внесла небольшие, но важные улучшения в ELM. В перспективе она позволит лучше моделировать реакцию корней на экстремальные события (например, засуху), что критически важно для понимания циклов углерода и воды.

"Главный урок этого исследования в том, что предстоит ещё много работы. Модель улучшена, потому что растительность теперь может реагировать на изменения среды, "фуражируя" за водой и азотом. Но исследование также выявило, что для полного описания реакции растительности необходима дальнейшая разработка других компонентов модели", — отмечает Бет Древняк.

Исследование "Simulating dynamic roots in the Energy Exascale Earth System Land Model" опубликовано 28 января в Journal of Advances in Modeling Earth Systems.