Этим летом Аляска пережила рекордно высокие температуры и разрушительные лесные пожары. Если такие события станут более частыми, как это повлияет на наши самые северные леса? Группа исследователей во главе с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) прогнозирует, что сочетание изменения климата и увеличения количества лесных пожаров приведет к вытеснению знаковых вечнозеленых хвойных деревьев Аляски в пользу широколиственных лиственных деревьев, которые сбрасывают их листья сезонно.
Используя хорошо проверенную модель экосистемы под названием ecosys, они предсказали, что к 2100 году относительное преобладание вечнозеленых хвойных деревьев (черной ели) снизится на 25%, а недревесных травянистых растений, таких как мох и лишайник, сократится. сократится на 66%, в то время как широколиственные деревья (осина) станут доминирующими, их распространенность увеличится почти вдвое. При таком значительном упадке этот сдвиг в растительности, скорее всего, отразится на всей экосистеме и климате.
«Расширение лиственных широколиственных лесов в более теплом климате может привести к нескольким экологическим и климатическим обратным связям, которые влияют на углеродный цикл северных экосистем», - сказал Зелалем Меконнен, научный сотрудник лаборатории Беркли, который был первым автором исследования..
Доклад «Расширение лиственных лесов в высоких широтах, вызванное взаимодействием между потеплением климата и пожарами», был опубликован сегодня в журнале Nature Plants. Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США в рамках проекта «Эксперимент экосистемы следующего поколения - Арктика», в нем участвовали соавторы из Калифорнийского университета в Ирвине, Университета Альберты и Исследовательского центра Вудс-Хоул. NGEE-Arctic стремится получить прогнозное понимание обратной связи арктической наземной экосистемы с климатом и является результатом сотрудничества ученых из Ок-Риджской национальной лаборатории, лаборатории Беркли, Лос-Аламосской национальной лаборатории, Брукхейвенской национальной лаборатории и Университета Аляски в Фэрбенксе.
«Мы прогнозируем, что лесная система останется чистым поглотителем углерода, то есть она будет поглощать больше углерода, чем выделять», - сказал соавтор Уильям Дж. Райли, старший научный сотрудник отдела наук о Земле и окружающей среде лаборатории Беркли.. «Но будет ли это в большей или меньшей степени поглотителем? Наше следующее исследование будет посвящено количественной оценке запасов углерода и поверхностной энергии. Это исследование было больше сосредоточено на ожидаемых изменениях типов растительности».
Изменения в типе лесного покрова повлияют на многие важные экосистемные процессы. Например, увеличение количества листопадных широколиственных деревьев, которые ежегодно теряют листья, в отличие от вечнозеленых, может привести к более быстрому микробному разложению и усилению транспирации (потеря влаги через листья); оба эти процесса вызывают усиление обратной связи с потеплением климата. С другой стороны, более высокая отражательная способность поверхности может иметь охлаждающий эффект, когда открыто больше снега из-за меньшего количества вечнозеленых деревьев; более того, лиственные деревья менее огнеопасны, чем вечнозеленые деревья. Исследователи предсказали умеренное влияние на чистые углеродные балансы и проанализируют это в дальнейшей работе.
Райли добавил, что исследование включало в себя множество шагов, чтобы подтвердить, что результаты ecosys были достоверными. «Мы оценили эффективность модели в сравнении со многими текущими наблюдениями за лесным покровом и измерениями круговорота углерода, а также с учетом долгосрочных изменений в условиях естественного изменения климата», - сказал он.
Комбинация огня и потепления климата может изменить леса через 40 лет
Изменение климата особенно сильно бьет по северным широтам из-за явления арктической амплификации, положительной обратной связи, которая заставляет температуру повышаться быстрее, чем в среднем по миру. В то время как средняя глобальная температура, по прогнозам, повысится примерно на 4 градуса по Цельсию к 2100 году по сценарию «обычного бизнеса», некоторые недавние исследования предсказывают гораздо больший рост для Арктики.
Масштабы, до которых увеличатся пожары, еще более неопределенны. Поэтому исследователи смоделировали четыре сценария, от нулевого увеличения площади выгорания до 150-процентного увеличения к 2100 году. Сценарии были взяты из опубликованных исследований, в которых учитывались такие факторы, как повышение температуры и увеличение количества ударов молнии.
Что известно о пожарах, так это их воздействие на лесную экосистему. «Пожары углубляют активный слой, то есть зону почвы, которая остается незамерзшей», - сказал Райли. «Это приводит к увеличению питательных веществ в почве, доступных для растений. Увеличение питательных веществ в почве благоприятствует лиственным растениям, и это одна из причин, по которой мы прогнозируем, что они будут так хорошо себя чувствовать в условиях потепления климата. В прежних климатических условиях наблюдался более высокий покров лиственных деревьев; палеоэкологические исследования за последние 10 000 лет предполагают, что леса Аляски претерпели аналогичные изменения в доминирующих породах деревьев».
Еще один фактор, отдающий предпочтение широколиственным лиственным деревьям перед вечнозелеными хвойными, заключается в том, что их листья разлагаются быстрее, что приводит к более быстрому круговороту углерода, который определяет доступные питательные вещества в экосистеме.«По мере того, как вы получаете более быстрый оборот, вы получаете больше лиственных растений», - сказал Райли. «Это самоусиливающийся механизм».
Хотя в предыдущих исследованиях изучалось, как изменение климата повлияет на бореальные леса, Райли сказал, что это было первое исследование, в котором рассматривались сложные взаимодействия между растениями, почвой и питательными веществами - как над землей, так и под землей - и то, как они развиваются с течением времени. «Это исследование представляет собой более подробное и механистическое объяснение этих процессов», - сказал он.
Другими факторами, которые благоприятствуют широколиственным лиственным деревьям в будущем более теплом климате, являются их большая способность к регенерации саженцев после пожара и их способность быстро расти и, таким образом, конкурировать за свет. «У растений разные стратегии выживания в разных условиях окружающей среды», - сказал Меконнен.
Исследование показало, что как изменение климата, так и усиление пожаров были необходимы, чтобы добиться доминирования широколиственных лиственных деревьев. По проверенным сценариям пожаров, где количество пожаров увеличилось, прогнозировалось, что этот сдвиг произойдет примерно в 2058 году. Если бы потепление происходило без усиления огня или наоборот, модель показала, что вечнозеленые хвойные деревья оставались доминирующим типом деревьев Аляски в течение 21-го века.
Другим компонентом леса, который будет затронут, является дикая природа. «Широколистные деревья имеют большой полог, который покрывает нижележащую растительность, потенциально уменьшая растительный покров. Эти растения, особенно мох, являются очень важным кормом для диких животных», - сказал Меконнен.
Более того, технику моделирования можно использовать для изучения того, как изменение климата и пожары повлияют на другие географические районы. «Наш подход к моделированию применим и к другим северным регионам, потому что фундаментальные механизмы, контролирующие эту динамику, везде одинаковы», - сказал Меконнен.