Используя хорошо протестированную модель экосистемы под названием ecosys, они предсказали, что к 2100 году относительное доминирование вечнозеленых хвойных деревьев (черная ель) сократится на 25%, а недревесных травянистых растений, таких как мох и лишайник, сократится на 66%. в то время как широколиственные лиственные деревья (осина) станут доминирующими, распространенность почти удвоится. При таком значительном сокращении этот сдвиг 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.
Документ «Расширение высокоширотных широколиственных лесов за счет взаимодействия между потеплением климата и пожарами» был опубликован сегодня в журнале Nature Plants.
Исследование финансировалось как часть Управления науки Министерства энергетики в рамках проекта Next-Generation Ecosystem Experiment – Arctic, и в нем участвовали соавторы из Калифорнийского университета в Ирвине, Университета Альберты и Исследовательского центра Вудс-Хоул. NGEE-Arctic стремится получить прогнозное понимание обратной связи наземной экосистемы Арктики с климатом и является результатом сотрудничества ученых из Национальной лаборатории Ок-Ридж, лаборатории Беркли, Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Национальной лаборатории Брукхейвена и Университета Аляски в Фэрбенксе.
«Мы прогнозируем, что лесная система останется чистым поглотителем углерода, что означает, что она будет поглощать больше углерода, чем выделяет», – сказал соавтор Уильям Дж. Райли, старший научный сотрудник отделения наук о Земле и окружающей среде лаборатории Беркли. "Но будет ли это более или менее раковиной?
Наше следующее исследование позволит количественно оценить баланс углерода и поверхностной энергии. В этом исследовании больше внимания уделялось тому, как ожидается изменение 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 растений, может привести к более быстрому микробному разложению и увеличению транспирации (потеря влаги через листья); оба эти процесса усиливают обратную связь с потеплением климата.
С другой стороны, более высокая отражательная способность поверхности может иметь охлаждающий эффект, когда на свет выходит больше снега из-за меньшего количества вечнозеленых деревьев; более того, лиственные деревья менее огнеопасны, чем вечнозеленые. Исследователи предсказали умеренное влияние на чистые углеродные бюджеты и проанализируют это в дальнейшей работе.
Райли добавила, что исследование включало много шагов, чтобы подтвердить, что результаты экосистемы действительны. «Мы оценили производительность модели на основе многих текущих наблюдений 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 за 40 лет
Изменение климата особенно сильно сказывается на северных широтах из-за явления усиления Арктики, положительной обратной связи, которая приводит к тому, что температура поднимается быстрее, чем в среднем в мире. В то время как средняя глобальная температура, по прогнозам, повысится примерно на 4 градуса по Цельсию к 2100 году по сценарию «обычного ведения дел», некоторые недавние исследования предсказывают гораздо большее повышение температуры в Арктике.
Степень увеличения числа пожаров еще более неопределенна. Таким образом, исследователи смоделировали четыре сценария: от нулевого увеличения площади ожога до увеличения на 150% к 2100 году.
Сценарии были взяты из опубликованных исследований, в которых учитывались такие факторы, как повышение температуры и увеличение количества ударов молний.
О пожарах известно то влияние, которое они оказывают на лесную экосистему. «Пожары углубляют активный слой, то есть зону почвы, которая остается незамерзшей», – сказал Райли. "Это приводит к увеличению количества питательных веществ в почве, доступных для растений. Увеличение содержания питательных веществ в почве благоприятствует лиственным растениям, что является одной из причин, по которой мы прогнозируем, что они так хорошо себя чувствуют в условиях потепления.
Более высокий покров лиственных деревьев произошел при прежнем климате; палеоэкологические исследования последних 10000 лет показывают, что леса Аляски претерпели аналогичные изменения в доминирующих древесных породах."
Еще один фактор, который отдает предпочтение широколиственным лиственным деревьям вечнозеленым хвойным деревьям, 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 было изучено, как изменение климата повлияет на бореальные леса, Райли сказал, что это первый анализ сложных взаимодействий между растениями, почвой и питательными веществами – как над, так и под землей – и их эволюции с течением времени. «Это исследование является более подробным и механистическим объяснением этих процессов», – сказал он.
Другими факторами, которые благоприятствуют широколиственным лиственным деревьям в будущем более теплом климате, являются их большая способность к восстановлению рассады 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 для доминирования широколиственных лиственных деревьев требовались как изменение климата, так и усиление пожаров. Во всех испытанных сценариях пожаров, в которых количество пожаров увеличилось, предполагалось, что этот сдвиг произойдет примерно в 2058 году.
Если потепление происходило без усиления пожара или наоборот, модель показала, что вечнозеленые хвойные деревья оставались доминирующим типом деревьев Аляски в 21 веке.
Еще один компонент леса, который будет затронут, – это дикая природа. "Широколиственные лиственные деревья имеют большой навес, который покрывает подстилающую растительность, потенциально уменьшая травянистый растительный покров. Эти растения, особенно мох, являются очень важным кормом для дикой природы », – сказал Меконнен.
Более того, метод моделирования можно использовать для изучения того, как изменение климата и пожары повлияют на другие географические районы. «Наш подход к моделированию применим к другим северным регионам, потому что фундаментальные механизмы, которые контролируют эту динамику, везде одинаковы», – сказал Меконнен.