蒙大拿州立大學(xué)教授對北大平原和北洛磯山脈的植物化學(xué)研究已發(fā)表在《全球變化生物學(xué)》上，這是一本著名的期刊，致力于探索生物過程與環(huán)境變化之間的聯(lián)系。

密歇根州立大學(xué)農(nóng)學(xué)院土地資源與環(huán)境科學(xué)系副教授杰克·布魯克希爾(Jack Brookshire)將來自北大平原和北落基山脈周圍300多個地點的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和植物樣本進行了合并，以研究綠化趨勢，該指標(biāo)代表通過光合作用提高植物生產(chǎn)力。該項目于2016年開始，得到了美國國家科學(xué)基金會EPSCoR資金和蒙大拿州農(nóng)業(yè)實驗站的研究撥款的支持。

布魯克郡說：“使用遙感的研究表明，過去幾十年來，地球的大部分陸地表面都變得越來越綠化，這主要是由于大氣中二氧化碳的增加。”“但是，也有證據(jù)表明植物的氮含量正在下降。還沒有人將對植物綠化趨勢的分析與植物化學(xué)變化相結(jié)合。”

布魯克希爾與合作者曾在美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和愛達荷州立大學(xué)的大學(xué)以及研究生和本科生在密歇根州立大學(xué)研究是否區(qū)域氣候變化或增加大氣中碳的二氧化碳是的原因增加的跨過蒙大拿綠化和更廣闊的北部大平原。布魯克希爾說，雖然提高生產(chǎn)率似乎是一種好處，但問題是這些增長的可持續(xù)性以及增加的綠化是否會改變植物本身的化學(xué)組成。

這項工作首先從名為MODIS的NASA程序中篩選了近二十年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該程序每1-2天從地球整個表面收集一次數(shù)據(jù)。Brookshire小組分析了歸一化植被差異指數(shù)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可測量植物反射的光量。在過去的20年中，他們注意到北大平原和北落基山脈的綠化顯著增加，但北大平原的差異更加明顯。

布魯克郡說：“我們認(rèn)為，綠化增幅最大的地區(qū)是最溫暖和最干燥的地方，因為它們在應(yīng)對二氧化碳和氣候變化方面的邊際收益最大。”“此外，在過去的幾十年中，許多大平原北部地區(qū)的降雨量都有所增加，我們發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明這是綠化趨勢的主要驅(qū)動力。”

但是，盡管綠化趨勢隨地理位置而變化，但布魯克郡想了解植物本身在兩個區(qū)域內(nèi)的生理變化是否一致。如果是這樣，最可能的原因?qū)⑹谴髿庵卸趸嫉脑黾?。Brookshire說，二氧化碳的增加在全球范圍內(nèi)，不會在區(qū)域內(nèi)波動。

為了測試植物內(nèi)部發(fā)生的物理變化，布魯克希爾求助于MSU植物標(biāo)本室，該植物標(biāo)本室收集了全州超過100年的數(shù)千種植物樣品。

布魯克郡說：“植物標(biāo)本室確實是本地植物的寶庫。”“我們?yōu)樯鷳B(tài)系統(tǒng)選擇了四個代表性物種，三個草和一個鼠尾草，然后非常仔細(xì)地采樣了葉子的一小部分，以進行化學(xué)和同位素分析。”

在測試了植物標(biāo)本室的樣本后，布魯克郡的團隊返回了歷史植物樣本的某些地點，并收集了當(dāng)代樣本，以比較多達100年后同一植物物種內(nèi)部的化學(xué)平衡。

通過分析歷史和現(xiàn)代植物樣品中碳和氮的化學(xué)和同位素比，布魯克郡發(fā)現(xiàn)最近樣品中的氮含量降低而碳含量升高。他們還發(fā)現(xiàn)，自1970年代以來，這些植物的水分利用效率(每單位水吸收二氧化碳的比例)提高了30%以上。這些測量結(jié)果證實了他的假設(shè)，即植物會隨著時間的推移適應(yīng)地球大氣的變化。

他說：“從根本上說，植物需要二氧化碳，水，陽光和養(yǎng)分，尤其是氮，才能光合作用和生長。”“當(dāng)其中一種杠桿增加時，其他杠桿必須進行調(diào)整。這些生態(tài)系統(tǒng)中的植物已經(jīng)通過維持葉片內(nèi)部與外部之間的恒定比率來適應(yīng)二氧化碳的增加。”

布魯克郡說，植物化學(xué)的長期變化可能會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。最終將限制綠化，特別是在氮植物賴以生存的地方。

他說：“植物不能無限地提高水或氮的利用效率。”“這些發(fā)現(xiàn)對于下一代生態(tài)系統(tǒng)模型的開發(fā)非常重要，因為植物可能必須調(diào)整營養(yǎng)素獲取策略。”

不斷變化的植物成分也會影響吃這些植物的生物。隨著二氧化碳增加，植物糖增加，氮減少，蛋白質(zhì)含量減少，這可能導(dǎo)致食草動物的飲食受到影響，甚至導(dǎo)致北大平原和北落基山脈生長的人類食用作物的營養(yǎng)發(fā)生變化。

布魯克希爾說：“目前，氣候變化，草地生產(chǎn)力的提高和植物組織質(zhì)量的下降如何影響整個北大平原的生態(tài)系統(tǒng)存在很大的不確定性。”“了解它們在下一世紀(jì)及以后的時間里將如何繼續(xù)變化是困難而又重要的。”