Первое появление ярко-зеленых листьев предвещает начало весны, подталкивая насекомых, птиц и других животных к вихрю действий. Но новое исследование показывает, что урбанизация меняет этот сезонный сигнал разными способами: города с холодным климатом вызывают более ранний весенний рост растений, а города с теплым климатом задерживают его.
«Это было не то, чего мы ожидали», - сказал Дайцзян Ли, ведущий автор исследования и научный сотрудник Флоридского музея естественной истории и факультета экологии и охраны дикой природы Флоридского университета.«Мы знаем, что растениям нужен сигнал, заметное изменение температуры, чтобы образовались листья. Возможно, в более теплых регионах этот сигнал стирается».
Исследование также показало, что эффект городского острова тепла, явление, при котором города теплее, чем их окрестности, является не единственным виновником сдвига, предполагая, что другие аспекты урбанизации, такие как загрязнение, изменения влажности и сток удобрений, также могут влиять на сезонный характер растений.
Изменения в сроках появления весенних листьев и цветов могут вызвать каскад эффектов, угрожающих благополучию видов, нарушающих сельское хозяйство и потенциально вызывающих более продолжительные или более тяжелые сезоны аллергии, сказал Роберт Гуральник, старший автор исследования и куратор информатика в Музее Флориды.
«Сезонность растений и животных - это то, где мы, вероятно, увидим первые последствия крупномасштабного изменения климата», - сказал Гуральник. «Часто это самые немедленные и заметные реакции на изменения окружающей среды, и они могут быть канарейками в угольной шахте для смен, которые распространяются по всей экосистеме."
Растения чрезвычайно чувствительны к изменениям температуры и количества осадков, которые могут быть вызваны изменением климата и микроклимата городов. По словам Гуральник, по мере того, как тонкий часовой механизм растений нарушается, ритмы «хищник-жертва» и «опылитель-растение» теряют синхронизацию.
Исследователи проанализировали миллионы наблюдений за 136 видами растений в США и Европе, чтобы изучить, как региональная температура и местная плотность населения - показатель урбанизации - влияют на то, когда растения прорастают листьями и цветут.
Их результаты показали сложную историю: по отдельности более высокие температуры и более высокая плотность населения стимулировали более раннюю весну. Повышение температуры на 3,6 градуса по Фаренгейту увеличило производство листьев и цветов растениями примерно на пять и шесть дней соответственно. Четырехкратное увеличение плотности населения увеличило сроки цветения и образования листьев примерно на три дня.
Но команда обнаружила, что, когда эти два фактора работают вместе, местная температура оказывает огромное влияние.
В холодных регионах - районах со средней температурой с ноября по май около 18 градусов - растения дали листья и цветы примерно на 20 дней раньше в местах с населением около 26 000 человек на квадратную милю по сравнению с такими же холодными дикими землями..
Когда средняя температура в районе с ноября по май подскочила до 68, листья и цветы появились на четыре и шесть дней позже, соответственно, в местах с населением около 26 000 человек на квадратную милю по сравнению с такой же благоухающей дикой местностью..
В Нью-Йорке, например, растения, вероятно, прорастают листья примерно на 9,5 дней раньше и цветут на восемь дней раньше, чем в необитаемых регионах с такой же температурой. Напротив, в Джексонвилле, скорее всего, производство листьев будет отложено примерно на один день, а цветков - примерно на полдня, причем в Хьюстоне листья появятся на два дня позже, а цветы - на день позже..
Даже после учета городских островов тепла, модели команды показали, что города значительно влияют на весенний рост растений.
«Происходят не только другие вещи, но они на самом деле очень важны», - сказал соавтор исследования Брайан Стаки, научный сотрудник Музея Флориды.
Гуральник добавил, что «одна из опасностей использования городов в качестве моделей для прогнозирования того, как будет выглядеть более теплый мир в условиях изменения климата, заключается в том, что речь не всегда идет только о потеплении».
Команда также обнаружила, что реакция растений на изменения температуры и урбанизацию различается в зависимости от вида. Наиболее чувствительными растениями, как правило, были низкорослые растения с широкими тонкими листьями, такие как древесная лилия Trillium grandiflorum. Растения с ранним цветением или периодом распускания листьев, такие как вирджиния весенняя красавица, Claytonia virginica, также пострадали больше, чем растения, которые всходят и цветут позже, такие как кизил ползучий, Cornus canadensis..
Исследователи отметили, что близкородственные растения обычно производят листья и цветы в одинаковые сроки, но это сходство было стерто урбанизацией и изменениями региональной температуры.
"Это усложняет прогнозирование будущего", - сказал Ли.
Многие предыдущие исследования указывали на эффект городского острова тепла как на главного виновника сдвигов в сезонных структурах растений. Но эти исследования часто полагались на данные дистанционного зондирования, которые фиксируют только то, что происходит в растительном покрове, или местные наблюдения за несколькими видами, которые не показывают широкомасштабные закономерности сезонных изменений, сказал Гуральник..
«У них не было данных на уровне видов, чтобы разобраться, что происходит с разными видами на земле», - сказал он. «Вопрос в том, можем ли мы посмотреть, что происходит у всех на заднем дворе одновременно. Настоящая сила этого исследования в том, что мы действительно можем это сделать».
Команда использовала для анализа три программы мониторинга континентального уровня: Национальную фенологическую сеть и Национальную сеть экологических обсерваторий, базирующихся в США, и Европейскую сеть фенологии растений. Была только одна загвоздка: программы, которые содержат более 22 миллионов точек данных, по сути, говорят на разных языках. В то время как сеть мониторинга США использует определенный набор терминов для записи того, есть ли у растения цветы, плоды и т. д., европейская сеть использует числовую шкалу.
Вот тут-то и появляется Stucky. Stucky специализируется на согласовании массивных наборов несовместимых данных. Он разработал средство для распутывания данных, систему, которая использовала автоматические рассуждения для объединения наборов данных и представления информации в унифицированном виде.
«Когда у вас есть крупномасштабные наборы данных, вы можете начать рассматривать градиенты, а не бинарные», - сказал Стаки.
Одной из ключевых областей для будущих исследований является изучение того, как пригороды и пригороды - районы, расположенные недалеко от городских пригородов, - влияют на сезонный рост растений. Хотя воздействие может быть наиболее сильным в сильно урбанизированных районах, пригороды и пригороды могут искажать время наступления весны, и на эти районы уже приходится значительная часть территории США. С., сказал Ли.
«Эффекты, вероятно, будут наиболее важными, потому что они охватывают большую часть суши», - сказал он. «В США не так много по-настоящему урбанизированных земель».
Анализ этих эффектов в тропиках, где влажность и осадки могут быть более важными факторами, также может рассказать другую историю, чем это исследование, которое было сосредоточено на умеренных и субтропических регионах, сказал Гуральник.
Растения могут быть не единственными организмами, затронутыми сезонными сдвигами, добавил он.
"Времена года - такая большая часть нашей жизни. Мы определяем наш мир вокруг сезонных вещей. Когда эти ритмы нарушаются, возможно, это оказывает какое-то влияние на наше самочувствие. Эти ритмы - это то, что мы считаем нормальным мир работает."