Hvordan vil klimaændringer påvirke kystsamfund? En undersøgelse af Virginias barriereøer

Uden for kysten af ​​Virginia's Eastern Shore er en kæde af ubeboede barriereøer, der hjælper med at beskytte fastlandskysten mod storme, der - takket være klimaændringer - stiger i både frekvens og intensitet.

Imidlertid, disse 23 øer, der strækker sig fra Assateague Island ved Maryland-grænsen til Fisherman Island nær Chesapeake Bay Bridge-Tunnel, er selv truet af klimaændringer og havniveaustigning.

Da gennemsnitstemperaturen stiger lidt, en buskeart - Morella cerifera (voksmyrte) - har spredt sig i en svimlende grad over mange af øerne. I fortiden, busken ville dø i ekstreme vintre. Nu vokser det året rundt, at skubbe græs ud, der bygger klitter, der er afgørende for at beskytte øerne.

"Denne busk har altid været her, det er en hjemmehørende art. Men det har lige taget overhånd, sagde Julie Zinnert, Ph.D., en adjunkt ved Institut for Biologi på College of Humanities and Sciences, på et nyligt besøg på Hog Island. "Hvis du ser over på denne måde, det er alt sammen busk. Det er en mur af busk, bare kæmpe krat. Og det er på grund af klimaforandringerne."

Eksplosionen af ​​Morella på Cobb Island førte til så meget erosion, at en nordpåske i foråret brød øen, hovedsageligt at dele det i to.

Satellitbilleder fra 1984 til 2016 viser, at 10 af øerne - Cedar, Cobb, Fisker, Svin, Metompkin, Myrte, Parramore, Skibsstim, Smith og Wreck-er skrumpet med 27 procent. I løbet af den periode, buskdække udvidet til omtrent 40 procent af landskabet.

På Parramore Island, et område, der engang vrimlede med træer, er nu en spøgelsesskov.

"Du kan bogstaveligt talt se træer, der er døde på stranden. Grunde, der plejede at være maritim skov, nu kan du se, og de er i havet. Du kan bogstaveligt talt se erosionen, " sagde Natasha Woods, Ph.D. en postdoktoral forsker ved VCU. "Folk, der ikke tror på, at der sker klimaforandringer, disse øer er et godt eksempel, du kunne vise dem for at bevise det modsatte."

Forståelse af økologi

Med Virginias barriereøer truet af klimaændringer og havniveaustigning, Coastal Plant Ecology Lab ved Virginia Commonwealth University udfører en række eksperimenter, der har til formål at udforske de økologiske og geomorfe processer, der påvirker deres modstandsdygtighed.

"Vores overordnede mål er at forstå samspillet mellem planteøkologi og fysiske processer som reaktion på et skiftende klima, sagde Zinnert, laboratoriets hovedefterforsker. "Det er vigtigt, fordi man længe har troet, at de fysiske processer strukturerer vegetationssamfund. Men vi viser, at det ikke er en envejsproces, men et samspil – systemets økologi er vigtig og skal overvejes, hvis vi skal virkelig forstå og komme med forudsigelser for fremtiden."

Laboratoriet er et af flere, der er en del af Virginia Coast Reserve Long-Term Ecological Research-projektet, som er finansieret af National Science Foundation, og som fokuserer på at forske i "mosaikken af ​​overgange og steady-state-systemer, der omfatter barriere-øen/lagune/fastlandslandskabet i den østlige kyst af Virginia."

Tilskuddet administreres gennem Department of Environmental Sciences ved University of Virginia, og omfatter forskere fra Boston University, University of North Carolina ved Chapel Hill, George Washington University, Virginia Tech, Virginia Institute of Marine Science, naturbeskyttelsen og VCU.

En model til at forudsige fremtiden

Et mål med VCU -teamets forskning er at udvikle en matematisk model, der vurderer ændringer på barriereøerne over korte perioder baseret på forskellige miljøforhold for at forudsige øernes tilstand langt ud i fremtiden.

Modellen, som udvikles i samarbejde med David M. Chan, Ph.D., lektor ved Institut for Matematik og Anvendt Matematik, udvider en eksisterende cellulær model af klit, strand- og vegetationsudvikling for at omfatte mere af øens dynamik, såsom interaktioner mellem flere vegetationsarter, saltholdighedseffekter, havniveaustigning og andre faktorer.

"Modeller er vigtige værktøjer for forskere, da mange eksperimenter er umulige at udføre, " sagde Chan. "I dette tilfælde, vi vil gerne forudsige barriereøernes fremtid, som vi planlægger at gøre baseret på simuleringer af disse abstrakte modeller. Fordi samspillet mellem landskabet og økologiske samfund er meget kompliceret, det kan være muligt at påvirke langsigtede ændringer gennem bedre forståelse af disse interaktioner på tværs af hele øen."

Modellen vil være nyttig for kystsamfund rundt om i verden, hvoraf mange kæmper med vanskelige spørgsmål relateret til, hvordan man tilpasser sig stigende havniveau og klimaændringer.

"Det vil skabe bevidsthed til offentligheden og uddannelse om værdien af ​​kystvegetation og hvordan naturlige processer strukturerer kystsamfund, og hvordan disse vil ændre sig med havniveaustigninger og storme, " sagde Zinnert. "Jeg sammenligner dette med vores bevidsthed nu om vådområder og moser, og hvilken beskyttelse de tilbyder efter orkanen Katrina."

For eksempel, hun sagde, modellen kunne give værdifuld hjælp til samfund ved at forudsige ting som oversvømmelser, og hvordan det kan være anderledes givet den type vegetation, der er til stede.

"Grundtanken er, at denne model kan anvendes overalt, langs enhver kystlinje, " sagde Zinnert. "[Med tidligere modeller], der har været mindre vægt på systemets økologi. Men vores forskning viser, at økologi er virkelig vigtig for vores forståelse."

Ultimativt, Zinnert sagde, holdets forskning nærer spørgsmålet:Kan vi forudsige, hvordan kystlinjen vil ændre sig?

"Først, vi starter med barriereøerne, men jeg tror også, det kan skalere op til en naturlig kystlinje, " sagde hun. "Kan vi komme med forudsigelser om, hvordan [øer og kystlinjer] vil se ud om 20 år, 50 år, 100 år givet klimaopvarmning, givet forstyrrende aktivitet, givet havniveaustigningen?"

67 procent af en ø forsvundet

Hele sommeren, VCU-forskerne har taget en 30-minutters sejltur fra den østlige kyst til barriereøerne for at udføre eksperimenter. På en nylig tur, holdet – som omfattede to kandidatstuderende og en bachelorgrad i miljøstudier – besøgte Hog Island for at tage vandprøver, kontrollere status for eksperimenter, der involverer vækst af klitbyggende græs, og mere.

Spencer Bissett, Ph.D., en VCU biologiinstruktør, brugte en jordsløjfe til at grave huller ned til vandspejlet og pumpede derefter prøver ud.

"Vi vil tage dem tilbage til laboratoriet, og så vil de blive testet for kulstofindhold, "sagde han." Vi forsøger at finde ud af, hvor det faste kulstof, der kommer ind i systemet gennem planterne, hvor går det hen? Bliver det afsondret i jorden og kommer derefter ud i en stor rapning, når øen vælter? Bliver det bare genåndet af mikrober og vendt tilbage til atmosfæren? Flyder det så ud i grundvandet og går ud i havet? Bliver du i vandspejlet? "

I nærheden, et andet eksperiment testede væksten af ​​græsser i forskellige dybder for at se, om der er et punkt, hvor de er afgørende for væksten af ​​den busk, der breder sig over øen.

"I vores system, vi ved, at busken til sidst tager over, men for nøjagtigt at fange det og være i stand til at modellere det, vi skal vide:Hvornår overtager den præcis? "sagde Zinnert." Og er græsserne faktisk afgørende for væksten af ​​den busk? Vi tror, ​​de er, fordi vi ser det, men [dette eksperiment] tester faktisk for at vide det. "

Det eksperiment, hun sagde, er afgørende for at forstå de komplekse økologiske processer, der er involveret i øens skift fra et græs- til buskdomineret system.

"En af de ting, vi har bidraget med indtil videre, er, at vi har vist, at det ikke er en lineær progression. Det er en brat forandring, der opstår, og den er irreversibel, "Sagde Zinnert." Vi har nogle parceller, hvor vi faktisk skærer buskene ud. Vi ser på, hvad der kommer tilbage, efter at vi har fjernet buskene, og det er ikke det samme system. Så det er en irreversibel ændring i systemet. Og det er noget, der bliver bemærket verden over, især med buske, men også med andre arter."

Ingen steder er den irreversible forandring mere tydelig end Cobb Island, hun sagde.

"Cobb havde denne udvidelse af buske, og så ser man bare, at det eroderer over tid, " sagde hun. "Når man ser på Cobb Islands landmasse fra 1984 til 2016, noget i retning af 67 procent af det er bare væk. Det er utroligt. Og det tilskriver vi udvidelsen af ​​busken."