• Plant Secondary Compounds in Soil and Their Role in Belowground Species Interactions.

    According to a new study published in the journal Trends in Ecology and Evolution, changes in the production of PSCs can lead to unforeseen consequences for soil structure and function and can disturb biological feedbacks on soil chemistry and biology, perhaps even on atmospheric chemistry and climate. Figure: © Trends in Ecology and Evolution, 2020.

    Secondary compounds (PSCs ) in plants (formed from primary metabolites in specific pathways) are major contributors to the chemical diversity of nature.. The distribution of PSCs is heterogeneous across the plant kingdom, and these compounds exhibit extensive variation both among and within species. Knowledge of the effect of PSCs on belowground interactions in the more diffuse community of species living outside the rhizosphere is sparse compared with what we know about how PSCs affect aboveground interactions.

    In a new study published in the journal Trends in Ecology and Evolution authors illustrate that PSCs from foliar tissue, root exudates, and leaf litter effectively influence such belowground plant–plant, plant–microorganism, and plant–soil invertebrate interactions.

    The study shows that soil is a theater of facilitation, symbiosis, and warfare deployed by plants and the various organisms living in it, and PSCs have a major role mediating many of these interactions. Plants and soil organisms have adapted to withstand, detoxify, or use the cocktail of PSCs originally meant to harm some of them. ”Therefore, understanding PSC-mediated relationships at the community scale and identifying the compounds involved in these interactions is important for better insight into the functioning of these systems and their evolution, especially in changing environments” said Dr. Bodil K. Ehlers from Aarhus University, Denmark

    According to the study climatic factors can induce PSC production and select for different plant chemical types. “Therefore, climate change can alter both quantitative and qualitative PSC production, and how these compounds move in the soil. This can change the soil chemical environment, with cascading effects on both the ecology and evolution of belowground species interactions and, ultimately, soil functioning” said Prof. Josep Penuelas from CREAF-CSIC Barcelona.

    “We encourage the creation of open, community-wide, curated, labeled, broad-spectrum PSC data sets across plant species and soils, because this would greatly increase the transfer of knowledge between scientists studying plants, microbes, and invertebrates in this biological belowground theatre” added Prof. Josep Penuelas from CREAF-CSIC Barcelona.

    .Reference: Ehlers, B.K., Berg, M.P., Staudt, M., Holmstrup, M., Glasius, M., Ellers, J., Tomiolo, S., Madsen, R.B., Slotsbo, S., Penuelas, J. 2020. Plant Secondary Compounds in Soil and Their Role in Belowground Species Interactions. Trends in Ecology & Evolution, doi: 10.1016/j.tree.2020.04.001.

    Towards a new generation of vegetation models

    Plants and vegetation play a critical role in supporting life on Earth, but there is still a lot of uncertainty in our understanding of how exactly they affect the global carbon cycle and ecosystem services. A new IIASA-led study explored the most important organizing principles that control vegetation behavior and how they can be used to improve vegetation models.

    We rely on the plants that make up our planet’s ecosystems to release oxygen into the atmosphere, absorb carbon dioxide (CO2), and provide habitat and food for wildlife and humans. These services are critical in the future management of climate change, especially in terms of CO2 uptake and release, but due to the many complex, interacting processes that affect the ability of vegetation to provide these services, they remain difficult to predict.

    In an IIASA-led perspective published in the journal Nature Plants, an international team of researchers endeavored to address this problem by exploring approaches to master this complexity and improve our ability to predict vegetation dynamics. They explored key organizing principles that govern these processes – specifically, natural selection; self-organization (controlling collective behavior among individuals); and entropy maximization (controlling the outcome of a large number of random processes). In general, an organizing principle determines or constrains how components of a system, such as different plants in an ecosystem or different organs of a plant, behave together. Mathematically, such a principle can be seen as an additional equation added to a system of equations, allowing one or more previously unknown variables in the system to be determined and thereby reducing the uncertainty of the solution.  

    A lot of research has gone into understanding and predicting how plant processes combine to determine the dynamics of vegetation on larger scales. To integrate process understanding from different disciplines, dynamic vegetation models (DVMs) have been developed that combine elements from plant biogeography, biogeochemistry, plant physiology, and forest ecology. DVMs have been widely used in many fields including the assessment of impacts of environmental change on plants and ecosystems; land management; and feedbacks from vegetation changes to regional and global climates. However, previous attempts to improve vegetation models have mainly focused on improving realism by including more processes and more data. This has not led to the expected success because each additional process comes with uncertain parameters, which has in turn caused an accumulation of uncertainty and therefore unreliable model predictions.

    “Despite the ever-increasing availability of data, and the fact that vegetation science, like many other scientific fields, is benefitting from increasing access to big data sets and new observation technologies, we also need to understand governing principles like evolution to make sense of the big data. Current models are not able to reliably predict long-term vegetation responses,” explains lead author Oskar Franklin, a researcher in the IIASA Ecosystems Services and Management Program.  

    “The study found that by representing the principles of evolution, self-organization, and entropy maximization in models, they could better predict complex plant behavior and resulting vegetation as an emerging result of environmental conditions” explains one of the members of the international team of researchers, Josep Penuelas from CREAF-CSIC Barcelona. [JP1] Although each of these principles had previously been used to explain a particular aspect of vegetation dynamics, their combined implications were not fully understood. This approach means that a lot of complex variation and behavior at different scales, from leaves to landscapes, can now be better predicted without additional understanding of underlying details or more measurements.

    The authors expect that apart from leading to better tools for understanding and managing the biosphere, the proposed “next-generation approach” may result in different trajectories of projected climate change that both policy and the general public would have to cope with.


    Franklin O, Harrison S, Dewar R, Farrior C, Brännström A, Dieckmann U, Pietsch S, Falster D, ….Penuelas J,….et al. (2020). Organizing principles for vegetation dynamics. Nature Plants DOI: 10.1038/s41477-020-0655-x


    Researcher contact

    Oskar Franklin

    Research scholar

    Ecosystems Services and Management Program

    Tel: +43 2236 807 251


    Resource: Press Officer

    Ansa Heyl

    IIASA Press Office

    Tel: +43 2236 807 574

    Mob: +43 676 83 807 574


    About IIASA:

     [JP1]Això ho he tocat jo per adaptar-ho al nostre ambit d’actuació…jo no hi era a la nota original, com es lògic.

    Returning land to nature with high-yield farming

    The expansion of farmlands to meet the growing food demand of the world’s ever expanding population places a heavy burden on natural ecosystems. A new IIASA study however shows that about half the land currently needed to grow food crops could be spared if attainable crop yields were achieved globally and crops were grown where they are most productive.

    The land sparing debate, which was sparked around 2005 by conservation biologists, recognized that there is usually a limit to the extent to which farmland can be made ‘wildlife friendly’ without compromising yields, while most threatened species only profit from the sparing or restoration of their natural habitats. Interest in this topic recently gained new momentum through the Half Earth project, which aims to return half the area of land currently being used for other purposes to natural land cover to restrict biodiversity loss and address other impacts of land use such as greenhouse gas emissions.

    According to the authors of the study published in Nature Sustainability, the need for this type of strategy is urgent, given the increasing global demand for agricultural products. The study is the first to provide insight into the amount of cropland that would be required to fulfill present crop demands at high land use efficiency without exacerbating major agricultural impacts globally.

    “The main questions we wanted to address were how much cropland could be spared if attainable crop yields were achieved globally and crops were grown where they are most productive. In addition, we wanted to determine what the implications would be for other factors related to the agricultural sector, including fertilizer and irrigation water requirements, greenhouse gas emissions, carbon sequestration potential, and wildlife habitat available for threatened species,” explains study lead author Christian Folberth, a researcher in the IIASA Ecosystems Services and Management Program.

    The study results indicate that with high nutrient inputs and reallocation of crops on present cropland, only about half the present cropland would be required to produce the same amounts of major crops. The other half could then in principle be used to restore natural habitats or other landscape elements. The findings also show that land use is currently somewhat inefficient and not primarily due to the upper limits to crop yields as determined by climate in many parts of the world, rather, it is strongly subject to management decisions.

    It is difficult to say exactly how much biodiversity is impacted as a direct result of agricultural activities, but it is estimated to exceed safe boundaries, primarily due to habitat loss. In this regard, the researchers evaluated two scenarios: the first proposes maximum land sparing without constraints, except for the present cropland extent, while the second scenario puts forward targeted land sparing that abandons cropland in biodiversity hotspots and uniformly releases 20% of cropland globally. There were only marginal differences between the two scenarios in most aspects, except for wildlife habitat, which only increased significantly with targeted land sparing. This however still enabled reducing the cropland requirement by almost 40%.

    Furthermore, “we found that greenhouse gas emissions and irrigation water requirements are likely to decrease with a reduced area of cultivated land, while global fertilizer input requirements would remain unchanged. Spared cropland could also provide space for substantial carbon sequestration in restored natural vegetation. Yet, potentially adverse local impacts of intensive farming and land sparing such as nutrient pollution or loss of income in rural areas will need to be studied further” says Prof. Josep Penuelas from CREAF-CSIC Barcelona, co-author of the study and ERC-Synergy project co-lead.

    “The results of our study can help policymakers and the wider public to benchmark results of integrated land use scenarios. It also shows that cropland expansion is not inevitable and that there is significant potential for improving present land use efficiency. If the right policies are implemented, measures such as improved production technologies can be just as effective as demand-side measures like dietary changes,” says project co-lead and former IIASA Ecosystems Services and Management Program Director Michael Obersteiner. “However, in all cases such a process would need to be steered by policies to avoid unwanted outcomes.”


    Folberth C, Khabarov N, Balkovič J, Skalský R, Visconti P, Ciais P, Janssens I, Peñuelas J, Obersteiner M (2020). The global cropland sparing potential of high-yield farming. Nature Sustainability DOI: 10.1038/s41893-020-0505-x


    Researcher contact

    Christian Folberth

    Research Scholar

    Ecosystems Services and Management Program

    Tel: +43 2236 807 451


    Press Officer

    Ansa Heyl

    IIASA Press Office

    Tel: +43 2236 807 574

    Mob: +43 676 83 807 574


    About IIASA:

    Quines normes segueixen les plantes que viuen i creixen en els extrems?

    El CREAF participa en un estudi internacional a la tundra àrtica liderat per iDiV i descobreixen que les plantes de la tundra tenen una varietat de mecanismes molt més diversa del que es pensava anteriorment per fer front als climes freds. Igualment, comproven que en aquestes ambients extrems es mantenen les mateixes normes que en altres llocs del món: la mida de la planta i l’economia dels recursos expliquen la diversitat de la vida vegetal.

    Les flors de campana blanca del bruc àrtic són adaptacions a la vida als extrems freds del bioma de la tundra. (Imatge: Elise Gallois)

    Les flors de campana blanca del bruc àrtic són adaptacions a la vida als extrems freds del bioma de la tundra. (Imatge: Elise Gallois)

    Les plantes de la tundra àrtica usen una àmplia varietat d’estratègies per sobreviure a uns estius molt curts i a uns hiverns llargs i durs. Aquesta troballa, publicada a Nature Communication i liderat pel Centre Alemany per a la Investigació Integrativa de la Biodiversitat (iDiv), en col·laboració amb altres centres de recerca com el CREAF, indica que les plantes de la tundra tenen una varietat de mecanismes molt més diversa del que es pensava anteriorment per fer front a aquests climes freds. En un món que s’escalfa progressivament, aquestes plantes es beneficiaran el tenir una àmplia gamma de formes d’adaptar-se al clima canviant. A més l’estudi confirma que aquestes plantes que viuen en ambients extrems també es regeixen pels patrons generals que expliquen la biodiversitat de plantes sobre la terra: la mida i l’economia dels recursos .

    Traducció al català de l’article divulgatiu escrit per Haydn Thomas l’investigador principal de l’article

    A l’extrem nord-oest del Canadà, més enllà de les muntanyes cobertes de glaceres, al llarg del delta del Mackenzie i a l’altre costat de la Mar Àrtic, un científic està ajupit sobre una petita branqueta de bruc àrtic. S’ha passat tot el dia buscant les típiques taques de flors blanques característiques de la tundra que s’eleven en petits cúmuls. Amb el calibrador i el bloc de notes, les mans ara entumides, pren algunes mesures finals abans d’afanyar-se a tornar a la calor de la seva cabana. Les flors es gronxen alegrement a la brisa, el bruc àrtic roman molt còmode a l’extrem fred de la vida a la Terra.

    La vida de les plantes àrtiques es troba als extrems del clima fred del planeta. (Imatge: Sandra Angers-Blondin)

    La vida de les plantes àrtiques es troba als extrems del clima fred del planeta. (Imatge: Sandra Angers-Blondin)

    Aquest científic, com era d’esperar, era jo. I les meves mans gairebé s’han recuperat. Per alguns pot ser sorprenent pensar que vaig passar la major part del meu temps en aquest entorn increïblement bell mirant el terra (escanejant periòdicament que no hi hagués ossos) i prenent mesures complexes de plantes àrtiques. No obstant això, les característiques de les plantes, poden dir-nos molt sobre les seves estratègies de vida i sobre com poden respondre a el canvi climàtic. A la tundra, que actualment s’està escalfant més del doble de ràpid que el planeta en el seu conjunt, poder vincular com l’augment de les temperatures modifica aquestes característiques (com ara l’alçada de les plantes) és extremadament valuós per comprendre com poden canviar els ecosistemes. Per descomptat, això només funciona si les plantes de tundra segueixen unes regles concretes.

    Per a nosaltres, les persones que fem ciència, la idea que les plantes segueixen regles generals a l’hora de desenvolupar-se o de fer certes funcions és extremadament atractiva. Cercar patrons simples que expliquin la gran diversitat de vida vegetal a la Terra és una tasca que està en marxa des de fa més d’un segle, i potser des de les exploracions de Humboldt fa més de 200 anys. A més, sabem que si els patrons que observem es poguessin relacionar amb els canvis en el medi ambient o amb la coexistència d’espècies, podem revolucionar la nostra comprensió de l’ecologia de les plantes, segons alguns, el “Sant Grial” de l’ecologia.

    Cottongrass es beneficia de l'escalfament del clima àrtic. (Imatge: Jeffrey Kerby / National Geographic Society)

    Cottongrass es beneficia de l’escalfament del clima àrtic. (Imatge: Jeffrey Kerby / National Geographic Society)

    Al 2016, un estudi dirigit per Sandra Díaz va donar un gran pas endavant. Els autors van descobrir que només dues dimensions: la mida de la planta (gran i llenyosa versus petita i no llenyosa) i l’economia dels recursos (adquisitiva versus conservadora) explicaven la majoria de les variacions de les plantes. En les seves paraules, “l’espectre global de la forma i funció de la planta és, en cert sentit, un pla galàctic dins el qual podem posar qualsevol planta, des del anís estrellat fins al gira-sol, en funció dels seus trets”.I què hi ha de les altres plantes de la tundra? Són una constel·lació molt unida, o una dispersió d’estrelles en tota la galàxia?

    Ara tornem al nostre bruc àrtic. Amb fulles duradores i perennes, de la meitat de la mida d’un gra d’arròs, una estructura llenyosa que abraça el sòl i llavors gairebé massa petites per veure a simple vista, aquest arbust nan segurament ha d’ocupar els llocs més gelats i distants dins d’aquest pla galàctic de què parlava Díaz. I què hi ha de les altres plantes de la tundra? Són una constel·lació molt unida, o una dispersió d’estrelles en tota la galàxia? Dins d’una petita habitació que intentava captar els últims centelleigs d’una tardor escocès, els cervells brunzien.

    La majoria de les dades de característiques de plantes del món s’obtenen de les regions temperades i dels tròpics. Hi ha molt poques dades disponibles de les plantes de la tundra. Això no seria un problema si volguéssim dibuixar patrons a tot el planeta en el seu conjunt, però volíem entendre les regles subjacents que s’amaguen en les condicions extremes en la tundra. Per això, la major barrera davant nostre radicava en les dades.

    Les plantes àrtiques tenen una varietat i formes sorprenentment àmplies. (Imatge: Sandra Angers-Blondin)

    Les plantes àrtiques tenen una varietat i formes sorprenentment àmplies. (Imatge: Sandra Angers-Blondin)

    Per solucionar-ho, vaig intensificar el poder de la col·laboració. Afortunadament, estava lluny de ser l’únic científic ajupit sobre una branqueta de bruc. Un equip de científics i científiques van ajudar-me a recopilar la informació que necessitàvem per comprendre la variació dels trets a la tundra. Amb l’ajuda de més de 100 contribuents, vam sumar més de 50,000 nous registres de característiques, i teníem les dades que necessitàvem per provar si les dues dimensions que afirmava Díaz en 2016 es mantenien igual a la tundra.Amb l’ajuda de més de 100 contribuents, vam sumar més de 50,000 nous registres de característiques de plantes.

    En resum, la resposta és que les plantes de la tundra s’agrupen i ocupen un rang sorprenentment ampli de trets globals. Tot i que es troben en un extrem de la vida vegetal a la Terra, tenen estratègies notablement variades per capturar recursos i fer front a les condicions climàtiques extremes i a les estacions de creixement increïblement curtes de la tundra. Potser encara més sorprenent, les regles globals es mantenen extremadament bé en la tundra: les mateixes dues dimensions expliquen la majoria de la variació de característiques.

    On ens deixa això? El nostre estudi suggereix que les relacions entre les característiques de les plantes i els canvis ambientals van més enllà de les dades globals i es compleixen també en cada bioma. Així, des de l’altíssim arbre de la sequoia fins al petit bruc àrtic, semblen sotmetre les mateixes relacions on la mida de la planta i l’economia dels recursos expliquen la majoria de les variacions de la vida vegetal a la Terra. El Sant Grial de l’ecologia vegetal pot estar a l’abast.El nostre estudi suggereix que les relacions entre les característiques de les plantes i els canvis ambientals van més enllà de les dades globals i es compleixen també en cada bioma.

    Press release source:

    Article original:

    Thomas, H.J.D., Bjorkman, A.D., Myers-Smith, I.H., Elmendorf, S.C., Kattge, J., Diaz, S., Vellend, M., Blok, D., Cornelissen, J.H.C., Forbes, B.C., Henry, G.H.R., Hollister, R.D., Normand, S., Prevéy, J.S., Rixen, C., Schaepman-Strub, G., Wilmking, M., Wipf, S., Cornwell, W.K., Beck, P.S.A., Georges, D., Goetz, S.J., Guay, K.C., Rüger, N., Soudzilovskaia, N.A., Spasojevic, M.J., Alatalo, J.M., Alexander, H.D., Anadon-Rosell, A., Angers-Blondin, S., te Beest, M., Berner, L.T., Bjork, R.G., Buchwal, A., Buras, A., Carbognani, M., Christie, K.S., Collier, L.S., Cooper, E.J., Elberling, B., Eskelinen, A., Frei, E.R., Grau, O., Grogan, P., Hallinger, M., Heijmans, M.M.P.D., Hermanutz, L., Hudson, J.M.G., Johnstone, J.F., Hülber, K., Iturrate-Garcia, M., Iversen, C.M., Jaroszynska, F., Kaarlejarvi, E., Kulonen, A., Lamarque, L.J., Lantz, T., Lévesque, E., Little, C.J., Michelsen, A., Milbau, A., Nabe-Nielsen, J., Nielsen, S.S., Ninot, J.M., Oberbauer, S.F., Olofsson, J., Onipchenko, V.G., Petraglia, A., Rumpf, S.B., Shetti, R., Speed, J.D.M., Suding, K.N., Tape, K.D., Tomaselli, M., Trant, A.J., Treier, U.A., Tremblay, M., Venn, S.E., Vowles, T., Weijers, S., Wookey, P.A., Zamin, T.J., Bahn, M., Blonder, B., van Bodegom, P.M., Bond-Lamberty, B., Campetella, G., Cerabolini, B.E.L., Chapin, F.S. III, Craine, J.M., Dainese, M., Green, W.A., Jansen, S., Kleyer, M., Manning, P., Niinemets, Ü., Onoda, Y., Ozinga, W.A., Peñuelas, J., Poschlod, P., Reich, P.B., Sandel, B., Schamp, B.S., Sheremetiev, S.N., de Vries, F.T. (2020). Global plant trait relationships extend to the climatic extremes of the tundra biome. Nature Communications 11, 1351. DOI: 10.1038/s41467-020-15014-4

    Plant life on the edge

    RIn the far north-west of Canada, beyond the glacier-capped mountains, out along the Mackenzie delta and across the Arctic Sea, a scientist is crouched over a tiny sprig of Arctic heather. He has spent all day on the lookout for the patch of characteristic white flowers, rising just a few centimetres above the tundra. With caliper and notepad, hands now numb, he takes a few final measurements before hurrying back to the warmth of his cabin. The Arctic heather remains, flowers bobbing merrily in the breeze, quite at home at the cold edge of life on Earth.

    The white bell flowers of the Arctic heather. Photo credit Elise Gallois

    That scientist, unsurprisingly, was me. And my hands have almost recovered. It can come as a bit of a surprise to some that I spent the majority of my time in this breathtakingly beautiful environment staring at the ground (with periodic scans for bears) taking intricate measurements of Arctic plants. However, the characteristics of plants, known as plant traits, can tell us a huge amount about their life strategies and how they might respond to climate change. In the tundra, which is currently warming more than twice as fast as the planet as a whole, being able to link rising temperatures to traits such as plant height is extremely valuable in understanding how whole ecosystems might change. Of course, that only works if tundra plants follow the rules.

    The idea that plants follow general rules relating to their form and function is extremely appealing. The search for simple patterns underpinning the vast diversity of plant life on Earth has been on the go for at least a century, and perhaps as far back as Humboldt’s explorations over 200 years ago . What is more, if patterns in plant traits could be linked to environment or to species co-existence, we could see a revolution in our understanding of plant ecology – the “holy grail” of ecology according to some.

    Measuring the characteristics of plants, known as plant traits, can help us understand how they might respond to climate change. Photo credit Team Shrub

     In 2016, a study led by Sandra Díaz provided a major step forward. The authors found that just two dimensions – plant size (large and woody vs small and non woody) and resource economics (acquisitive vs conservative) – explained the majority of variation in six fundamental plant traits across global plant species. In their words, “the global spectrum of plant form and function is thus, in a sense, a galactic plane within which we can position any plant—from star anise to sunflower—based on its traits.”

     Now let’s return to our Arctic heather. With hardy evergreen leaves half the size of a grain of rice, a ground-hugging woody structure, and seeds almost too small to see, this dwarf shrub must surely occupy the most icy and distant of outposts within this galactic plane. And what about other tundra plants? Are they a close-knit constellation, or a scattering of stars throughout the galaxy? Inside a small room attempting to catch the last glimmers of a Scottish autumn, brains were whirring.

    Arctic plant life on the edge. Photo credit Sandra Angers-Blondin

    The greatest barrier before us lay in the data. The majority of the world’s plant trait data is collected from temperate regions and the tropics. Very little data was available for tundra plants. That might be appropriate to draw out patterns across the planet as a whole, but we wanted to understand if apparently underlying rules applied within the whole, in the extreme conditions in the tundra. 

    Step up the power of collaboration. Thankfully, I was far from the only scientist crouched over a sprig of heather. The “Tundra Trait Team”, led by Dr. Anne Bjorkman and Dr. Isla Myers-Smith and funded by the iDiv German Centre for Integrative Biodiversity Research and the Natural Environment Research Council of the UK, had been compiling just the information we needed to understand trait variation in the tundra. With help from well over 100 contributors, together adding over 50,000 new trait records, we now had the data we needed to test whether the two dimensions that framed the global spectrum of plant form and function held up in the tundra.

    Cottongrass is benefiting from the warming Arctic climate. Photo credit Jeffrey Kerby, National Geographic Society

    The answer in short, is that tundra plants occupy half of global trait space. The slightly longer answer is that although tundra plants do cluster together, they occupy a surprisingly wide range of global trait space. Although they are at the small end of plant life on Earth (as you might have expected), they still have remarkably varied strategies for capturing resources and coping with the extreme climatic conditions and incredibly short growing seasons of the tundra biome. Perhaps even more surprisingly, global rules hold up extremely well in the tundra: the same two dimensions explain the majority of trait variation.

     For an even longer answer, you’ll have to read the paper: Global plant trait relationships extend to the climatic extremes of the tundra biome, out now in Nature.

    Global plant trait relationships apply even at the cold extremes of life on Earth. Photo credit Sandra Angers-Blondin

    Where does this leave us? Our study suggests that trait relationships are not simply emergent properties from global plant trait data, but say something fundamental about the rules that underpin evolution, community assembly, and ecosystem response to environmental change. So from the towering redwood tree to the tiny Arctic heather, global plant trait relationships really do seem to apply across the broad spectrum of plant life on Earth. The holy grail of plant ecology may indeed be within reach.

    Author: Haydin Thomas. Researcher, University of Edinburgh


    Aquaculture has a sustainability problem

    The increasing importance of aquaculture in fish production contributes to the shortage of the critical resource phosphorus and thereby endangers food security in the long term if no counter measures are taken. This is shown by a study just published in Nature Communications of a group of Imbalance-P researchers.

    Phosphorus is an essential element for all forms of life on Earth. The rapid rise of human demand for food has quadrupled phosphorus inputs in form of fertilizers into the biosphere since the pre-industrial time. Due to the rapid exploitation of the finite phosphorus sources and inefficient use of P,  future food security is at risk. As a consequence, the European Union has included phosphorus into the list of 20 critical raw materials which for which supply security is at risk and economic importance is high in 2014. Regulations for phosphorus fertilizer use in agricultural production has lead to improvements in the use of phosphorus, but it’s use in fishery and aquaculture has not been considered yet. This should change, as a new study shows that fish production consumes substantial amounts of phosphorus at a very low efficiency: Globally, only roughly a quarter of the phosphorus that is used to raise fish is being harvest, while the remaining is being lost potentially causing harm in nearby ecosystems (e.g. biodiversity losses). “The phosphorus that enters rivers and ocean is lost as it is difficult to be recovered. Therefore, these losses must be minimized to ensure phosphorus is available for future generations.” says co-author Prof. Josep Penuelas, from CSIC-CREAF.

    Finfish, crustaceans and mollusks (hereafter generalized as fish) are becoming more and more important as a protein source in the human diet: in 2013, 17% of all animal protein consumed by mankind originated from fishery and aquaculture. Whereas captured fish satisfy their phosphorus need from naturally occurring food source (e.g. other fish, plankton), aquaculture relies on phosphorus addition in form of fish food or fertilizer to enhance plant growth (for herbivory fish) to grow fish. As the share of fish originating from aquaculture is increasing, from less than 5% in the 1950s to roughly 50% in the 2010s, the originally landwards flow of phosphorus by fishery has reversed to loss of phosphorus from land in the form of fertilizer and feed additives. On average, about 80% of the added phosphorus in aquacultures is not being harvested, which poses a sustainability issue if no measures are taken to reduce this fraction.  “We estimated that harvested fraction of added phosphorus in aquaculture has to more than double by the year 2050 to allow a phosphorus sustainable fish production”, says Dr. Jordi Sardans, from CSIC-CREAF.

    “Phosphorus is a non-renewable yet limited and vital nutrient for crops. We should start to think about how to recycle and reuse phosphorus in fish consumption to grow more crops, while minimise phosphorus we put into water especially for aquaculture” says Dr. Yuanyuan Huang, the leader of the study.

    Huang, Y., Ciais, P., Goll, D.S. et al. The shift of phosphorus transfers in global fisheries and aquaculture. Nat Commun11, 355 (2020) doi:10.1038/s41467-019-14242-7

    Link to the paper: https://www.nature.com/articles/s41467-019-14242-7

    Greener springs are causing hotter, drier summers

    For the first time, two phenomena that occur in different seasons are connected: the high temperatures advance and extend springs, so that the vegetation grows more intensely and absorbs more moisture from the soil. The consequence is much drier and warmer summers.

    With climate change-induced warming bringing spring forward and extending the season’s duration, plants’ growth period is beginning earlier and lasting longer too. Green foliage is therefore taking more and more water from the ground, and the evaporation of that water intensifies moisture loss. The main consequences are longer, hotter, dryer summers and more frequent heatwaves in much of the Northern Hemisphere. Despite the two phenomena taking place in different seasons of the year, a study entitled Summer soil drying exacerbated by earlier spring greening of northern vegetation, published in the journal Science Advances, has shown that they are connected.

    The study was led by Xu Lian from Peking University (China), and involved Josep Peñuelas, a CSIC researcher based at CREAF (Spain), as well as researchers from AustraliaBelgiumFranceGermany, the UK and the USA.

    Primaveres més verdes provoquen estius més secs i calorosos

    Analysing satellite and climate simulation data on the entire Northern Hemisphere between 1982 and 2011 enabled the scientists to link increased greening in spring with reduced soil moisture in summer, a finding that climate simulation computer models support. “The influence of early greening on soil dryness is more complex than we thought”, says Xu Lian. “This phenomenon causes water to be lost very rapidly by transmitting it into the atmosphere in large quantities”, he continues. “The water lost is then returned in the form of precipitation over the Earth though. We’ve shown that this mechanism mitigates water losses caused by greening; if it didn’t, the drying of the planet’s surface would be much more severe.”

    According to Josep Peñuelas, the study highlights “a positive reaction that often goes unnoticed: an increase in greenhouse gas concentrations and the warming it entails are causing a shift in plant phenology towards earlier leafing, which is reducing soil moisture in summer and compounding the extreme summer temperatures for which global warming is directly responsible”.

    A change in climate pattern

    The effect of the situation in question is not uniform throughout the Northern Hemisphere. For example, central Siberia and certain European croplands are benefiting from a higher-than-usual rate of precipitation thanks to the evaporation of water to their west. The conclusion is that the evaporated water is taken over the Urals by air masses blown from west to east and then falls as rain on the aforementioned locations.

    Greener springs are causing hotter, drier summers

    Image: Lluís Comas

    One of climate research’s main challenges is to explain what is behind the extreme situations we are experiencing nowadays, such as the recent droughts in northern latitudes. The interseasonal processes the study deals with “could be a factor in current extremes and can be expected to place additional pressure on soil moisture in the summer and terrestrial ecosystems as the climate changes”, remarks Chris Huntingford from the UK Centre for Ecology and Hydrology.

    Among its numerous consequences, soil drying can raise local near-surface air temperatures and trigger and worsen heatwaves. On the basis of climate simulations, the study calculates that soil drying due to spring starting earlier could increase the number of extremely hot summer days by one per decade and push the maximum temperature up by 0.07°C per decade. Although these changes may seem relatively minor, the severity of the heatwaves likely to occur in four or five decades will underline just how significant they are.

    Reference: Lian, X., Piao, S., Li, L.Z.X., Li, Y., Huntingford, C., Ciais, P., Cescatti, A., Janssens, I.A., Peñuelas, J., Buermann, W., Chen, A., Li, X., Myneni, R.B., Wang, X., Wang, Y., Yang, Y., Zeng, Z., Zhang, Y., McVicar, T.R. 2020. Summer soil drying exacerbated by earlier spring greening of northern vegetation. Science Advances 6 : eaax0255

    Source: http://blog.creaf.cat/en/noticies/greener-springs-cause-hotter-drier-summers/

    Les primaveres més verdes estan provocant estius més secs i calorosos

    Per primera vegada es connecten dos fenòmens que passen en estacions de l’any diferents: les altes temperatures avancen i allarguen la primavera, per tant la vegetació creix més intensament i absorbeix més humitat del sòl. La conseqüència és estius més secs i calorosos.

    L’augment de temperatures que comporta el canvi climàtic fa avançar i allargar la primavera i, per tant, la vegetació comença a créixer abans i durant un període més llarg. Això provoca que les fulles verdes dels arbres extrauen cada vegada més aigua del sòl, que en evaporar-se accentua la pèrdua d’humitat. La principal conseqüència són estius més secs, llargs i calorosos, així com onades de calor més freqüents a gran part de l’hemisferi Nord. Si bé els dos fenòmens tenen lloc en estacions de l’any diferents, l’estudi Summer soil drying exacerbated by earlier spring greening of northern vegetation publicat a la revista científica Science Advances ha posat de manifest que estan connectats.

    La recent investigació està dirigida pel professor Xu Lian de la Universitat de Pequín (Xina) i hi ha intervingut el professor Josep Peñuelas, investigador del CSIC al CREAF, juntament amb investigadors d’AlemanyaAustràliaBèlgica, els Estats UnitsFrança i el Regne Unit.

    Primaveres més verdes provoquen estius més secs i calorosos

    L’anàlisi de dades obtingudes per satèl·lit i amb simulacions climàtiques a tot l’hemisferi Nord des de 1982 fins a 2011 han permès vincular l’augment de la verdor de la primavera amb la disminució de la humitat del sòl a l’estiu. A més, es confirma que aquesta connexió pot ser replicada mitjançant models informàtics dissenyats per simular el sistema climàtic. En paraules del professor Xu Lian, autor principal de la recerca, “la influència de la verdor primerenca en la sequedat del sòl és més complexa del que es pensava. Aquest fenomen causa pèrdues d’aigua molt ràpides al transmetre’n una gran quantitat a l’atmosfera. Ara bé, l’aigua perduda es recupera com a precipitació posterior sobre la Terra. Hem demostrat que aquest mecanisme alleuja les pèrdues d’aigua que es produeixen amb el reverdiment, en cas contrari l’assecament de la superfície terrestre seria molt pitjor”.

    Per al professor Josep Peñuelas, l’estudi “revela una reacció positiva que sovint passa inadvertida: un augment de les concentracions de gasos d’efecte hivernacle i l’escalfament associat causen una fenologia de la vegetació més primerenca que redueix la humitat del sòl a l’estiu i que, alhora, s’afegeix als extrems de calor estiuencs causats directament per l’escalfament global”.

    Un canvi de patró climàtic

    Ara bé, aquest efecte no es manté homogeni en tot l’hemisferi Nord. Per exemple, la Sibèria central i alguns terrenys de conreu d’Europa es beneficien d’un índex de precipitacions major de l’habitual, justament gràcies a l’evaporació en d’altres punts ubicats al seu Oest. La conclusió és que les masses d’aire que circulen d’Oest a Est passen els Monts Urals i precipiten l’aigua evaporada en aquestes zones.

    Primaveres més verdes provoquen estius més secs i calorosos

    Foto: Lluís Comas

    Un dels principals reptes de la investigació climàtica és explicar què impulsa les situacions extremes actuals, com ara les recents sequeres de la latitud nord. Els processos interestacionals que apunta l’estudi “poden explicar en part els extrems actuals i es pot esperar que exerceixin una pressió addicional sobre la humitat del sòl a l’estiu i els ecosistemes terrestres a mesura que el clima canvia “, apunta el professor Chris Huntingford, del UK Centre for Ecology & Hidrology.

    L’assecament del sòl pot tenir nombroses conseqüències, com ara elevar la temperatura de l’aire local prop de la superfície terrestre i desencadenar onades de calor o fer-les més severes. A partir de simulacions climàtiques, la investigació estima que la sequedat de la Terra a causa de l’avançament de la primavera pot allargar els estius extremadament calorosos de l’ordre d’un dia per dècada i augmentar la temperatura 0,07 °C també cada 10 anys. Si bé d’entrada semblen magnituds petites, en 4 o 5 dècades les onades de calor previstes poden ser tan fortes, que aquests petits increments passarien a ser molt rellevants.

    Reference: Lian, X., Piao, S., Li, L.Z.X., Li, Y., Huntingford, C., Ciais, P., Cescatti, A., Janssens, I.A., Peñuelas, J., Buermann, W., Chen, A., Li, X., Myneni, R.B., Wang, X., Wang, Y., Yang, Y., Zeng, Z., Zhang, Y., McVicar, T.R. 2020. Summer soil drying exacerbated by earlier spring greening of northern vegetation. Science Advances 6 : eaax0255

    Source: http://blog.creaf.cat/noticies/primaveres-mes-verdes-provoquen-estius-secs-calorosos/

    Les arrels de les plantes silvestres segreguen compostos que ens estalviarien pesticides i fertilitzants

    Un treball d’investigadores del CSIC i del CREAF destaquen que les plantes silvestres són més fèrtils i resistents a les plagues que les varietats de cultius tradicionals gràcies a que segreguen exsudats (substàncies que alliberen les arrels) que les ajuden a captar més nutrients i a defensar-se dels bacteris i fongs patògens del sòl. 

    L’escarabat Diabrotica virgifera virgifera menjant blat de moro.

    Des dels anys 70, les Nacions Unides parlen de la seguretat alimentària —proporcionar suficient menjar a tots els humans arreu del món— i del repte que suposa. Una de les peces que ajudaria a assolir-la seria millorar l’agricultura, fent-la alhora més productiva i respectuosa amb el medi ambient.

    Avui, 5 de desembre, Dia Mundial dels Sòls un estudi publicat a la revista Trends in Plants Science posa les arrels de les plantes en el punt de mira. El motiu és que l’ecòloga del CREAF Catherine Preece i el professor del CSIC al CREAF Josep Peñuelas apunten a que els exsudats de les arrels de les varietat silvestres podrien millorar la fertilitat del sòl i fer els conreus més resistents a les plagues, ja que segreguen major quantitat d’aquests compostos característics comparat amb les varietats que utilitzem per al conreu. Aquests exsudats que alliberen les arrels passen a formar part del món subterrani de la planta: la rizosfera.

    “Entre els compostos exsudats es troben sucres, àcids orgànics i altres metabòlits, que poden fer de repel·lents contra els patògens o atraure bacteris beneficiosos, com són els bacteris fixadors de nitrogen que ajuden a les lleguminoses a créixer. Altres milloren la disponibilitat d’alguns nutrients com el fòsfor” explica la Dra. Preece. 

    “Entre els compostos exsudats es troben sucres, àcids orgànics i altres metabòlits, que poden fer de repel·lents contra els patògens o atraure bacteris beneficiosos, com són els bacteris fixadors de nitrogen que ajuden a les lleguminoses a créixer. Altres milloren la disponibilitat d’alguns nutrients com el fòsfor” explica la Dra. Preece. En el cas de les varietats que utilitzem per cultivar, “després d’anys de selecció artificial, els exsudats han perdut algunes d’aquestes propietats que les plantes silvestres sí que conserven” afegeix.

    “Si a través d’encreuaments o tècniques genètiques podem fer que les varietats actuals recuperin la capacitat de sintetitzar alguns exsudats als camps de conreu, milloraríem la productivitat i estalviaríem fertilitzants i pesticides”, remarca Josep Peñuelas. Fins ara, s’havien utilitzat algunes característiques genètiques de les plantes silvestres per millorar-ne la productivitat o augmentar-ne la fertilitat, especialment en gira-sols, blat i patata. En canvi, pocs programes, per no dir cap, han incorporat característiques associades a l’exsudació de les arrels, un punt clau que ens aproparia més a la seguretat alimentària.

    Les plantes salvatges són amargues però resistents als depredadors

    La revisió duta a terme per l’equip del CREAF defensa que els exsudats poden millorar la resistència a les plagues. I és que els conreus actuals tendeixen a tenir menys resistència als atacs d’herbívors que els seus ancestres salvatges, degut a que la selecció directa els ha fet perdre propietats que protegeixen la planta però són poc desitjables per al consum humà, com són el gust amarg, la toxicitat, la duresa o pilositat.

    Camp de blat de moro. Photo by Allef Vinicius on Unsplash

    Un cas interessant és el del blat de moro, que sovint és devorat per la larva de l’escarabat Diabrotica virgifera virgifera. L’antecessor de les panotxes actuals, la teosinte (Zea mays subs. parviglumis), i les varietats europees produeixen i emeten unes substàncies anomenades sesquiterpens a les arrels, que atrauen a un nematode que s’alimenta de la larva de l’escarabat. En canvi, les varietats americanes, que són les que més consumim, han deixat de sintetitzar-les. Si reincorporessin la capacitat d’alliberar aquest compost, es milloraria enormement la productivitat i reduiria l’ús de pesticides.

    D’altra banda, els sistemes d’agricultura intensiva contemporanis utilitzen uns nivells molt alts de fertilitzants per contrarestar els dèficits en nitrogen, fòsfor o altres nutrients del sòl necessaris per la planta. Diversos estudis han trobat que les espècies salvatges aprofiten millor els nutrients del sòl, perquè entre les substàncies que segreguen per les arrels s’hi troben enzims especialitzats en mobilitzar minerals o en captar ferro, un element que sovint és escàs. A més, els exsudats de les arrels tenen també un rol important en promoure les interaccions positives amb microorganismes, com per exemple per iniciar una col·laboració amb fongs i donar lloc a les anomenades micorrizes. L’estudi més gran realitzat per a aquest àmbit es va fer amb 27 espècies de cultius i els seus parents salvatges, i conclou que els camps tractats es beneficien de les micorrizes només quan hi ha limitació de fòsfor, a diferència dels ancestres salvatges que en treuen profit sempre, indistintament de la disponibilitat.


    Article de referència:

    Catherine Preece and Josep Peñuelas (2019). A Return to the Wild: Root Exudates and Food Security. Trends in Plant Science. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2019.09.010

    Font: http://blog.creaf.cat/noticies/les-arrels-de-les-plantes-silvestres-segreguen-compostos-que-ens-estalviarien-pesticides-fertilitzants/

    Los bosques retienen el carbono cada vez durante menos tiempo

    La mayor concentración de CO2 y los aumentos de temperatura y las sequías aceleran la mortalidad vegetal

    Los tiempos de permanencia del carbono en la vegetación se están acortando por factores como el calentamiento y las sequías./ PIXABAY

    Una investigación internacional con participación de científicos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha confirmado que los bosques retienen carbono cada vez durante menos tiempo. Las conclusiones, publicadas en el último número de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), se han obtenido tras analizar datos de entre los años 1955 y 2018 de 695 bosques de tres zonas climáticas: tropical, templada y fría, y compararlos con modelos de simulación ESM (Earth System Model).

    Los bosques juegan un papel esencial en la retención de carbono. ¿Pero durante cuánto tiempo pueden retenerlo? En las proyecciones de escenarios de cambio climático se tiene en cuenta la capacidad de la vegetación para secuestrar dióxido de carbono (CO2), pero una vez el CO2 (y con él, el carbono) ha quedado retenido, es una incógnita durante cuánto tiempo puede permanecer ahí antes de volver al medio ambiente (a causa de la muerte y descomposición de las plantas).

    Los resultados revelan que el aumento de CO2 atmosférico está inversamente relacionado con estos tiempos de residencia del carbono, que, por tanto, se reducen a medida que el CO2 atmosférico sigue aumentando.  En tres décadas, ese tiempo de residencia del carbono en la vegetación se ha reducido a razón de entre un 0,2% y un 0,3% anual.

    Josep Peñuelasinvestigador del CSIC en el Centro de Investigación Ecológica y Aplicaciones Forestales (CREAF), y coautor del trabajo, explica: “Los tiempos de permanencia del carbono en la vegetación se están acortando por factores como el calentamiento y las sequías. La temperatura aumenta el metabolismo de los organismos, así como el aumento de precipitaciones en algunas zonas, pero las sequías hacen que la mortalidad aumente y, por tanto, que el tiempo de residencia disminuya. En general, hay un incremento de la mortalidad de los árboles en todas las zonas climáticas estudiadas”.

    La disminución en los tiempos de residencia de carbono en los bosques es “significativa”, destaca Peñuelas, “porque supone una disminución de hasta el 9% en tres décadas”.  Los resultados sugieren que los sumideros de carbono se van a ver limitados probablemente por un descenso en la capacidad de retención de los bosques. 

    Los tiempos de permanencia del carbono en la vegetación se están acortando por factores como el calentamiento y las sequías./ PIXABAY

    Material de descarga

    Referencia científica: 
    Kailiang Yu, William K. Smith, Anna T. Trugman, Richard Condit, Stephen P. Hubbell, Jordi Sardans, Changhui Peng, Kai Zhu, Josep Peñuelas, Maxime Cailleret, Tom Levanic, Arthur Gessler, Marcus Schaub, Marco Ferretti, and William R. L. Anderegga. Pervasive decreases in living vegetation carbon turnover time across forest climate zones. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.1821387116
    CSIC Comunicación


    Loading RSS Feed
    Loading RSS Feed
    Loading RSS Feed