Forskere kaster lys over hurtige ændringer i arktiske og boreale økosystemer

Arktiske og boreale breddegrader opvarmes hurtigere end nogen anden region på Jorden. I tre nye undersøgelser rapporterer jordsystemforskere ved University of California, Irvine, hvordan økosystemerne i disse regioner ændrer sig.

I en undersøgelse offentliggjort i Global Change Biology , et team ledet af Earth system science Ph.D. kandidat Jinhyuk Kim fra laboratoriet af James Randerson, professor i jordsystemvidenskab, afslører, hvordan skovbrande øger antallet af fotosyntese i Canada og Alaska.

De oplever, at stigende naturbrande udsletter sortgranskove, der vokser relativt langsomt og bidrager til det organiske lag af de underliggende jorder. I mange områder flytter løvfældende buske og træer, som pil og asp, ind efter en brand. Disse planter har et meget højere stofskifte, hvilket betyder, at de kan etablere sig hurtigere end gran.

I 2023 oplevede Canada sin mest ødelæggende naturbrandsæson med over 46 millioner acres brændt. Forfatternes arbejde tyder på, at disse brande kan fremskynde ændringer i nordlige skove, der allerede er i gang på grund af klimaændringer.

"Vi ser højere niveauer af fotosyntese, der varer ved i årtier efter brand," sagde Kim. "I stedet for at den stedsegrønne nåleskov vender tilbage med det samme, ser vi i nogle regioner en langsigtet udskiftning af disse skove med hurtigere voksende arter."

Jo mere fotosyntese der er, jo mere kan planter fjerne kuldioxid fra atmosfæren. En antagelse er, at dette kan skabe et dræn for kuldioxid og hjælpe med at dæmpe den globale opvarmning.

"Men fordi du har forbrændt det kulstof, der er lagret i planterne og deres organiske jord, vil selv den stigning i fotosyntese, vi observerer, ikke nødvendigvis udmønte sig i mere kulstoflagring i det lange løb," sagde Kim. "De stigende tendenser inden for naturbrande har betydelige implikationer for skovens artssammensætning og økosystemfunktion, men påvirker sandsynligvis jordens kulstofdræn negativt. Det er derfor, det er vigtigt at studere, hvordan det skiftende landskab fra skovbrand og opvarmning påvirker forskellige aspekter af jordens kulstofkredsløb."

For at måle den skiftende hastighed af fotosyntese i de boreale planter brugte Kim og hans team data fra Orbiting Carbon Observatory 2-satellitter, der sporer planters fluorescens til brug som en proxy for fotosyntese.

"Det er en nyere måling, som vi har været i stand til at observere globalt," sagde Kim, der forklarede, at brug af fluorescensmålinger er en ny tilgang til måling af fotosyntese. "Vi har også denne lange landdækningstidsserie fra Landsat, og vi kan se på, hvordan brande ændrer landplantedækket, og så binde det til ændringer i det solinducerede fluorescenssignal. Vi oplever, at naturbrande ændrer landdækket, og vi kan se, at det er muligt at se på, hvordan brande ændrer landdækket. hvilket igen kan øge sæsonbestemtheden af ​​kulstofstrømme i store rumlige skalaer."

Kim tilføjede, at det er et tegn på ustabile økosystemer, hvor plantetyperne i regionen ændrer sig hurtigt.

I en anden undersøgelse fra et hold ledet af Earth system science Ph.D. kandidat Allison Welch, forskere beskriver, hvilken slags planter der udvider sig ind i den arktiske og alpine tundra.

"Med stigende temperaturer og naturbrandaktivitet ser vi øget vækst af større, løvfældende buske," sagde Welch, hvis hold undersøgte fem forskellige alpine tundrasteder til forskningen, som vises i Arctic, Antarctic and Alpine Research .

"Vi fandt øget buskvækst af en specifik art kaldet el," sagde Welch, der arbejder i laboratoriet hos Claudia Czimczik, professor i jordsystemvidenskab. "Og blot øget vegetationsproduktiviteten generelt på disse steder."

Welchs team rapporterede også et fald i tykkelsen af ​​det organiske lag - det øverste lag af jord, der er karakteriseret ved højt organisk kulstofindhold - på deres tundrasteder. Lavere organiske lag, forklarede Welch, betyder, at der er mindre isolering for den underliggende arktiske permafrost. Permafrost bærer store reserver af frosset organisk materiale, som, hvis det optøs, kan nedbrydes og frigive planetopvarmende gasser som kuldioxid til atmosfæren. "Hvis du har et sundt organisk lag, vil du sandsynligvis fremme permafroststabilitet," sagde Welch.

I den tredje undersøgelse, offentliggjort i Geophysical Research Letters , et team ledet af ph.d. kandidat Hui Wang, som arbejder i Institut for Jordsystemvidenskab sammen med prof. Alex Guenther, opnåede feltmålinger og kørte derefter computersimuleringer for at beskrive, hvordan, efterhånden som arktiske økosystemer oplever et opvarmende klima, eskalerer emissioner af molekylet isopren med hastigheder, der er langt højere end forventet.

"Denne ændring vil indirekte ændre klimaet," sagde Wang. Det skyldes, at isopren påvirker dannelsen af ​​ozon, aerosoler og niveauer af metan i luften. Aerosoler påvirker dannelsen af ​​skyer, som igen kan påvirke det lokale klima. Og planter, forklarede Wang, frigiver mere isopren, når vejret er varmere.

Ændringerne rapporteret i undersøgelserne peger mod arktisk-boreale økosystemer, der hurtigt ændrer sig som reaktion på skovbrande og opvarmning.

"Disse tre undersøgelser er eksempler på, hvordan Arktis ændrer sig hurtigere end tidligere forventet," sagde Czimczik, en medforfatter på Welchs papir. "Øget naturbrandaktivitet, via dens effekt på vegetationssammensætningen, har potentialet til at fremskynde optøning af permafrost ud over de hastigheder, vi forventede fra et ændret klima."

"Vi kan se, at miljøet er ustabilt, og at der er komplekse interaktioner fra ikke kun de skiftende plantesamfund, men de planters reaktioner på det hurtigt skiftende klima. Disse har konsekvenser for miljøet og det overordnede jordsystem, så det er noget vigtigt at vi skal forstå bedre," sagde Kim.

Flere oplysninger: Jinhyuk E. Kim et al., Wildfire-inducerede stigninger i fotosyntese i boreale skovøkosystemer i Nordamerika, Global Change Biology (2024). DOI:10.1111/gcb.17151

Allison M. Welch et al., Implikationer af ellebuskvækst for alpine tundrajordegenskaber i det indre Alaska, Arctic, Antarctic and Alpine Research (2023). DOI:10.1080/15230430.2023.2285334

Hui Wang et al., Arktiske hedebølger kunne i væsentlig grad påvirke isopren-emissionerne fra buske, Geofysiske forskningsbreve (2024). DOI:10.1029/2023GL107599

Journaloplysninger: Geofysiske forskningsbreve , Global Change Biology

Leveret af University of California, Irvine