Почему уменьшение снежного покрова может указывать на больший ущерб окружающей среде

Изменение климата часто вызывает в воображении образы жары, засухи и ураганов. Но согласно последней Национальной климатической оценке США, опубликованной 23 ноября 2018 года, зимы на северо-востоке в последние годы прогревались в три раза быстрее, чем летом. Эти изменения также оказывают существенное влияние.

Исторически, более 50 процентов северного полушария имели снежный покров зимой. Теперь более высокие температуры уменьшают глубину и продолжительность зимнего снежного покрова. Многие люди предполагают, что зима является спящим временем для организмов в холодном климате, но десятилетия исследований показывают, что зимние климатические условия - особенно снежный покров - являются важными регуляторами здоровья лесных экосистем и организмов, которые в них живут.

В частности, наша работа за последнее десятилетие показывает, что уменьшение снежного покрова может ухудшить здоровье деревьев и снизить способность лесов фильтровать воздух и воду. Наше последнее исследование показало, что продолжающееся зимнее потепление может значительно уменьшить снежный покров на северо-востоке США, вызывая значительное сокращение роста деревьев и накопления углерода в лесах.

Снег как одеяло

Мы изучаем северные лиственные леса, в которых преобладают сахарный клен, желтая береза ​​и американские буковые деревья, и занимающие 85 000 квадратных миль, от Миннесоты и юго-центральной части Канады на восток до Канадских приморских провинций и северо-восточных Соединенных Штатов. Эти леса славятся своими яркими цветами осени. Они приносят доход за счет привлечения туристов, туристов, охотников и туристов, а также поддерживают производство древесины и кленового сиропа. Они также предоставляют важные экологические услуги, такие как хранение углерода и поддержание качества воды и воздуха.

Когда зима вторгается в этот регион, а температура часто опускается ниже нуля, каждому виду необходима изоляция, чтобы справиться с ситуацией. Корни деревьев и почвенные организмы, такие как насекомые, полагаются на глубокий снежный покров для защиты от холода - буквальное снежное одеяло. Даже при минусовых температурах, если снег достаточно глубокий, почвы могут оставаться незамерзшими.

Шесть десятилетий исследований экспериментального леса Хаббард-Брук в Нью-Гемпшире - одного из самых продолжительных исследований в мире - показывают, что снежный покров зимой уменьшается. Исследования, проведенные другими учеными, показывают, что если эта тенденция сохранится, это увеличит вероятность циклов замерзания-оттаивания почвы, что пагубно скажется на здоровье лесов.

Почему северным лесам нужен снег

Более 10 лет мы манипулировали зимним снежным покровом в Хаббард Брук, чтобы изучить влияние прогнозируемого изменения климата на северные лиственные леса. В начале зимы после каждого снегопада мы выходим на улицу, чтобы убрать снег с наших экспериментальных участков. Затем мы анализируем, как потеря этого изоляционного слоя влияет на деревья и почву.

Мы обнаружили, что на участках, где мы убираем снег, мороз проникает в почву на глубину более одного фута или более, в то время как он редко распространяется на глубину более двух дюймов на близлежащие контрольные участки с неизменным снежным покровом. И так же, как циклы замерзания-оттаивания создают выбоины на городских улицах, замерзание почвы стирает и убивает корни деревьев и наносит ущерб тем, кто выживает.

Это повреждение корня вызывает каскад экологических реакций. Мертвые корни разлагаются и стимулируют потери углекислого газа из почвы. Деревья поглощают меньше питательных веществ из почвы, накапливают в своих листьях токсичный алюминий и производят меньше побегов. Азот, ключевое питательное вещество, может вымываться из почвы. Сообщества почвенных насекомых становятся менее многочисленными и разнообразными.

Снижение снежного покрова влияет на рост деревьев

В нашей последней статье наши климатические и гидрологические модели показывают, что площадь лесов в северо-восточной части Соединенных Штатов, которая получает изолирующий снежный покров в середине зимы, может сократиться на 95 процентов к 2100 году. Сегодня 33 000 квадратных миль лесов в северной части Нью-Йорка и Нового В Англии, как правило, зимой есть снежный покров на несколько месяцев. К 2100 году эта территория может уменьшиться до участка площадью менее 2000 квадратных миль - примерно на одну пятую размера Вермонта.

Это снижение, несомненно, нанесет ущерб лыжной и снегоходной отраслям и подвергнет северо-восточные дороги большему количеству циклов замерзания-оттаивания. Это также существенно повлияет на рост деревьев.

Чтобы оценить взаимосвязь между снежным покровом и ростом деревьев, мы использовали специальное полое сверло, называемое инкрементным сверлом, для удаления древесных сердечников размером с солому из нескольких стеблей сахарного клена. Каждое из этих деревьев переживало либо естественный зимний снежный покров, либо пять лет подряд, в течение которых мы удаляли ранний зимний снежный покров. Когда мы отшлифовали ядра и просмотрели их под микроскопом, они обнаружили годичные кольца роста, которые мы могли бы использовать, чтобы понять, как каждое дерево реагирует на окружающую среду.

Только в течение первых двух лет наш анализ показал 40-процентное снижение роста сахарного клена на участках без снежного покрова. Темпы роста оставались сниженными на 40–55 процентов в течение следующих трех лет. В отличие от этого, на наших эталонных участках, где корни заснеженных деревьев в середине зимы не наблюдались, снижение роста сахарных кленов. Эти результаты сопоставимы с корневой смертностью, которую другие исследователи наблюдали в более раннем эксперименте по уборке снега в Хаббард-Брук.

В Хаббард-Брук сахарные клены могут составлять более половины годового накопления лесной биомассы. Следовательно, изменения климата, которые уменьшают зимний снежный покров и усиливают промерзание почвы, могут снизить темпы роста леса в северной лиственной лесной зоне на 20 процентов только благодаря их воздействию на эти деревья. Но мы знаем, что желтая береза ​​также страдает от повреждения корней в результате замерзания почвы, поэтому наша оценка изменений в росте всего леса, вероятно, будет низкой.

Могут ли более теплые вегетационные периоды компенсировать этот ущерб хотя бы частично, стимулируя темпы роста деревьев, как показывают некоторые исследования? Было проделано очень мало работы, чтобы понять, как леса в сезонно заснеженных регионах будут реагировать на интерактивные эффекты изменения климата в разные сезоны. Чтобы помочь восполнить этот пробел, в 2013 году в Хаббард-Брук мы провели эксперимент по изменению климата в разные сезоны.

В этом проекте мы используем скрытые нагревательные кабели для обогрева лесных почв на 9 градусов по Фаренгейту (5 градусов по Цельсию) в период без снега с апреля по ноябрь. Зимой мы используем комбинацию утепления с погребенными нагревательными кабелями и сгребания снега, чтобы вызвать циклы замерзания-оттаивания почвы. Наши результаты показывают, что повреждения корней и снижение роста деревьев, вызванные зимними циклами замерзания-оттаивания почвы, не компенсируются потеплением почвы в течение вегетационного периода.

Наша работа показывает, как часто игнорируемые изменения в зимнем климате могут влиять на лесные экосистемы. Потеря снежного покрова может снизить рост лесов, поглощение углерода и задержку питательных веществ, что будет иметь важные последствия для изменения климата и качества воздуха и воды в течение всего года.

Эта статья была первоначально опубликована в «Разговоре» Эндрю Рейнманна и Памелы Темплер. Прочитайте оригинальную статью здесь.