地球系统模型对于研究我们星球上发生的复杂过程至关重要，包括大气与生物圈之间的相互作用。这些模型帮助研究人员和政策制定者理解气候变化等问题。然而，为了提高模拟的准确性，通常需要收集大量数据，有时需要花费艰苦的努力来汇编数百万数据点。
研究人员，包括康涅狄格大学自然资源与环境系的助理教授詹姆斯·奈顿、爱丁堡大学的巴勃罗·桑切斯-马丁内斯，以及加州大学圣巴巴拉分校的李安德·安德雷格，开发了一种技术，避免了在超过55,000种树木物种上进行数据收集，从而使我们更清晰地理解植物如何影响全球水流。他们的研究成果已发表在《自然科学数据》上。
植物在地球系统中发挥着至关重要的作用——它们吸收二氧化碳并为其他生物（包括人类）提供氧气。根据奈顿的说法，植物促进水的运动，估计有60%的降水通过一种称为蒸腾作用的过程返回到大气中。植物中水的广泛运动是复杂的，目前在地球系统模型（ESMs）中以简化的方式表示，其中一个地区的所有植物被视为一个称为植物功能类型（PFT）的单一实体。
奈顿解释说：“使用PFT是因为我们对单个植物物种的了解有限。创建一个大陆的详细植被地图并为每个物种指定具体值过于复杂，因此将其归类为共同的PFT更方便。”
PFT的挑战在于，不同植物物种表现在水文特征上独特——本质上是水在植物内部的处理方式。这种过度简化可能会妨碍模型准确预测未来条件。科学家们尝试通过开发类似TRY植物特征数据库来解决这一问题，该数据库汇编了特征信息。然而，奈顿强调，尽管已有数世纪的植物研究，只有大约5,000到15,000种植物物种的特征得到了全面记录。
“全球大约有60,000到70,000种树木物种，这意味着在过去200年中，我们对大约5%到10%的知识。如果我们保持这个速度，那么了解所有必要植物可能还需要再花2,000年。到那时，气候变化的影响将已经出现，这是不可接受的。我们不能仅仅依靠野外研究人员在缓慢的速度下收集数据；虽然田野研究是有价值的，但结果的产出速度不会足够快，”他强调道。
针对这一问题，奈顿和他的团队开始寻找更快的解决方案，分析现有的特征数据，如树高、根深和植物内部的水流速率。然后，他们进行了系统发育分析，评估相关物种在进化历史中保留的特征。
奈顿解释说：“我们根据进化中关键生存特征应被保留的想法，检查了近亲物种之间的特征相似性，而不是随机分布。例如，如果深根对某种植物的生存至关重要，那么近亲物种可能会共享这一特性，其根结构在其科或属中相似。”
研究团队将这种分析应用于所有特征，发现系统发育树中存在显著的一致性，表明近亲物种共享相似的特征值。
“然后我们创建了一个植物物种的系统发育图，详细描述它们之间的关系，”他说。
凭借这些有关相关物种的信息，奈顿解释说他们可以在无需广泛现场测量的情况下估算特征数据。
“使用各种机器学习技术，我们构建了一个包含全球55,000种树木物种关键特征值的综合数据库，”他补充道。“对于需要详细植被数据的全球建模，这作为一个优秀的起点。不再需要仅仅依靠‘每个大陆一个植物物种’的通用模型；研究人员可以探索更复杂的方法，看看不同物种的表现。”
奈顿承认这一努力是一个初步步骤，但这是一个重要的第一步。随着通过田野研究收集的额外数据，这可以进一步细化和增强其插值数据的准确性。
这项研究是一个更大项目的一部分，从一个更局部的规模的概念验证研究开始。最初阶段确认了推断水文特征的可行性，奈顿指出，下一步的目标是将这些推断值与在康奈尔森林和美国其他地区收集的数据进行比较。
奈顿提到，全国有十个地点进行了大量数据收集，这些数据将用作测试案例。硕士生卡罗琳·斯坦顿（Caroline Stanton）正在为每个地点开发生态系统模型，校准高分辨率模型以估算特征，并与两年来收集的数据进行比较。他们将分析这些估计的植物特征对模型质量的影响与来自每个地点的观察数据的比较。
最终，研究人员希望将他们的方法扩展到全球的森林地区，研究驱动植物特征变化的因素。理解这些变化可以提高模型的准确性，同时提供不同特征分布背后的机制的洞察。
奈顿表示，他和他的团队希望气候模型研究者能发现他们的工作具有价值，他们渴望为深入理解地球系统及植物在其中的关键作用作出贡献。
“植物在多大程度上调节我们的环境，令人惊讶，”他总结道。
