Obecnie nadal wpływ ekstremalnych zjawisk klimatycznych na ekosystemy lądowe jest słabo poznany. Dotyczy to zarówno fal upałów, susz, jak i pożarów. Jeśli chodzi o susze, wpływ tych ekstremów jest bardzo ważny dla przewidywania sprzężeń zwrotnych związanych z przebiegiem cyklu węglowego, który z kolei może mieć wpływ na przyspieszenie lub ograniczenie zmian klimatu.
William W. R. L. Anderegg, adiunkt biologii na Wydziale Ekologii i Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie Princeton oraz na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City, wraz ze swoim zespołem naukowców, stwierdził następujący fakt, że połączone modele cyklu klimatyczno-węglowego zazwyczaj we wcześniejszych badaniach zakładały, że powrót roślinności po ekstremalnej suszy jest natychmiastowy i całkowity, jednak to jest sprzeczne ze zrozumieniem podstawowej fizjologii roślin 1.
Naukowcy zbadali w terenie odnowienie wzrostu pni drzew po silnej suszy w 1338 obszarach leśnych na całym świecie, obejmujących okres czasu 49 lat i porównali wyniki z jego symulowanym odnowieniem w modelach klimatyczno-roślinnych. I odkryli wszechobecne i znaczące efekty opóźnienia wzrostu drzew, czyli ich zmniejszonego wzrostu i niepełnego wyzdrowienia w ciągu 1 do 4 lat po ciężkiej i długotrwałej suszy.
William Anderegg dla Phys.Org powiedział 2:
To naprawdę ma znaczenie, ponieważ w przyszłości oczekuje się, że w wyniku zmian klimatycznych w przyszłości susze będą powiększać się i nasilać. Niektóre lasy mogą konkurować ze sobą o odbudowę przed następną suszą.
Tempo powrotu do zdrowia po suszy jest w dużej mierze nieznane dla większości gatunków drzew. Anderegg i współpracownicy dokładnie zmierzyli odnowienie wzrostu pni drzew po ciężkich suszach od 1948 r. w ponad 1300 obszarach leśnych na całym świecie, korzystając z danych z Międzynarodowego Banku Danych Słojów Drzew. Słoje te zapewniają wygodną historię wzrostu drzew i dzięki temu można dokładnie śledzić absorpcję węgla w ekosystemie, w którym one rosły.
—
Fot.1. Martwe drzewa spowodowane suszą w Kalifornii (zdjęcie: Nathan Stephenson / domena publiczna)
—
Rys.1. Efekty opóźnień są najbardziej rozpowszechnione w południowo-zachodnich i środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz w niektórych częściach północnej Europy. Ich skutki są określane ilościowo jako różnica między obserwowanym a przewidywanym wzrostem (indeks bez jednostek) po anomalii suchej o 2 SD w klimatycznym deficycie wody w 1338 miejscach. A) Efekt opóźnień na poziomie obszaru zsumowany w ciągu pierwszych 4 lat po suszy. B) Średnia korelacja między wzrostem drzew (wskaźnik słojów) a klimatycznym deficytem wody (wilgotność gleby od 0 do 100 cm minus ewapotranspiracja potencjalna) (William R. L. Anderegg i inni, 2015).
—
Średnio wzrost pnia trwał od 2 do 4 lat, aby drzewo mogło się zregenerować do stanu przed ekstremalną suszą. Był on o około 9 procent wolniejszy w pierwszym roku po jej zakończeniu i o 5 procent wolniejszy w drugim roku po jej zakończeniu.
Za pomocą zestawu modeli CMIP5, naukowcy przeprowadzili symulacje efektów opóźnienia wśród roślin iglastych z rodziny sosnowatych Pinaceae i roślin liściastych z rodziny bukowatych Fagaceae. I doszli do wniosku, że w obszarach suchych najsilniej one oddziałują na gatunki iglaste.
Łagodne efekty opóźnienia, gdzie zaobserwowany wzrost pni drzew był wyższy niż przewidywano po suszy, były najczęstsze w Kalifornii i regionie Morza Śródziemnego.
Autorzy pracy napisali, że nasiona roślin nagozalążkowych, pod względem wielkości i czasu trwania, wykazywały silniejsze efekty opóźnienia niż okrytozalążkowych.
Ogólnie, podczas analizy dwóch wybranych rodzin drzew: Pinaceae – głównie sosny, i Fagaceae – głównie dęby (> 90% analizowanych chronologii), naukowcy zaobserwowali większy efekt opóźnienia u tej pierwszej rodziny niż u drugiej. I jak stwierdzili w swojej pracy:
Choć sosny zazwyczaj występowały na stanowiskach suchszych niż dęby (średnie roczne opady dla sosen = 660 mm/rok; średnie dla dębów = 760 mm/rok), model uwzględniający interakcje między opadami a rodziną był bardzo istotny, co wskazuje, że takie interakcje były ważne.
Zarówno mokre, jak i suche siedliska sosny wykazywały silne negatywne skutki opóźnienia, podczas gdy mokre siedliska dębu wykazywały nieznacznie negatywne skutki opóźnienia, ale już suche siedliska dębu miały silnie pozytywne, czyli silnie łagodne skutki opóźnienia…..
Jak zostało stwierdzone w bazie danych, sosny wykazywały również silniejsze negatywne skutki efektów opóźnienia niż inna główna rodzina nagonasiennych – jałowcowate Cupressaceae. Czyli, wynik ten jest zgodny z ogólnie wyższą tolerancją na suszę tej drugiej rodziny niż tej pierwszej i ukazuje on mechanizm uszkodzeń hydraulicznych leżący u podstaw efektów opóźnienia wzrostu drzew. Były one najbardziej rozpowszechnione w suchych ekosystemach, wśród rodziny sosnowatych Pinaceae i wśród gatunków o niskim marginesie bezpieczeństwa hydraulicznego.
Naukowcy stwierdzili, że obecne modele klimatyczno-roślinne symulują ograniczone lub żadne skutki opóźnienia po suszy. A ich wyniki podkreśliły histerezę (czyli opóżnienie) obiegu węgla na poziomie ekosystemu i opóźnioną regenerację po ekstremalnych warunkach klimatycznych.
Podsumowując ten temat, naukowcy powiedzieli, że jeszcze nie wiadomo, w jaki sposób susza powoduje tak długotrwałe szkody, zaproponowali trzy możliwe odpowiedzi:
- utrata zapasów liści i węglowodanów podczas suszy może osłabić wzrost w kolejnych latach
- w drzewach narażonych na suszę mogą gromadzić się szkodniki i choroby
- trwałe uszkodzenie tkanek naczyniowych może zaburzać transport wody
William Anderegg w serwisie Phys.Org powiedział:
Susza, zwłaszcza ta, która ma znaczenie dla lasów, dotyczy równowagi między opadami a parowaniem. Parowanie jest bardzo silnie powiązane z temperaturą. Fakt, że temperatury idą w górę sugeruje dość mocno, że zachodnie regiony USA będą miały częstsze i bardziej dotkliwe susze, co znacznie zmniejszy zdolność lasów do wyciągania węgla z atmosfery.
Tak samo badacze zwracają też szczególną uwagę na to, że ilość składowanego dwutlenku węgla w półpustynnych ekosystemach w ciągu 100 lat spadła o około 1,6 gigaton, czyli jest to równe ilości około jednej czwartej całej emisji w USA w ciągu roku.
Anderegg w tym samym serwisie jeszcze podkreślił:
W większości naszych obecnych modeli ekosystemów i klimatu wpływ suszy na lasy włącza się i wyłącza jak światło. Kiedy susza mija, modele zakładają, że odbudowa lasu jest całkowita i bliska natychmiastowej. Tak nie działa prawdziwy świat.
—
William Anderegg i jego współpracownicy zbadali sekwencje susz w ekosystemach leśnych Ziemi. W swoim artykule naukowcy napisali 3:
Wzrost częstotliwości i dotkliwości susz spowodowany zmianą klimatu może zagrozić ekosystemom leśnym i lądowym pochłaniaczom dwutlenku węgla. Podczas gdy wpływ pojedynczych susz na lasy był szeroko badany, zrozumienie, czy lasy aklimatyzują się lub stają się bardziej podatne na sekwencyjne susze, pozostaje w dużej mierze nieznane i ma kluczowe znaczenie dla przewidywania przyszłego stanu lasów. Łączymy zestawy danych z różnych biomów dotyczące wzrostu drzew, śmiertelności drzew i zawartości wody w ekosystemie, aby określić ilościowo skutki wielu susz w różnych skalach, od pojedynczych drzew po kulę ziemską od 1900 do 2018 r. Odkryliśmy, że kolejne susze mają ogólnie bardziej szkodliwy wpływ niż początkowe susze, ale efekt ten różni się ogromnie w zależności od kladu i ekosystemu, przy czym ekosystemy nagonasienne i zdominowane przez drzewa iglaste częściej wykazują zwiększoną podatność na wielokrotne susze. Zróżnicowany wpływ wielu susz na klady i biomy wskazuje, że zmiany częstotliwości susz mogą mieć fundamentalnie różne konsekwencje ekologiczne i cykl węglowy w różnych ekosystemach.
—
Fot.2. Góry Sierra Nevada. Zakres śmierci drzew jest oczywisty, gdy patrzy się na nie jako na część większego lasu (zdjęcie: UC Merced News).
—
Rys.2. Analiza obejmowała szeroki zasięg geograficzny wzrostu i śmiertelności drzew. Zasięg geograficzny (a) chronologii słojów Międzynarodowego Banku Danych o słojach. (ITRDB – International Tree-Ring Data Bank) oraz (b) długoterminowych działek inwentaryzacyjnych US Forest Inventory and Analysis zawartych w tej analizie (William L. R Anderegg i inn, 2020).
—
Ekolog lasów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Anna Trugman, współautorka pracy z Uniwersytetu Utah, Uniwersytetu Stanforda i Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych, wraz z resztą zespołu naukowego Anderegga zbadała wpływ powtarzających się, ekstremalnych susz na różne rodzaje lasów na całym świecie. Naukowcy odkryli, że różne czynniki mogą zwiększać lub zmniejszać odporność lasu na kolejne susze. Jednak badanie to wykazało, że kolejne susze są generalnie coraz bardziej szkodliwe dla lasów, nawet jeśli każda susza nie była bardziej ekstremalna niż początkowa.
William Anderegg stwierdził, że chociaż susza może narazić drzewa, na znaczny stres wodny, to może zabić gatunki słabsze genetycznie. Może wyselekcjonować ocalałe osobniki z mniejszą konkurencją o wodę, jeśli powrócą kolejne suche warunki.
Fakt jednak jest taki, że po każdym zdarzeniu takim jak susza, drzewa, zarówno iglaste, jak i liściaste, mają mniejszy przyrost. Im bardziej ekstremalna wystąpi susza, tym jest on mniejszy.
Analizując słoje drzew w ciągu minionych 100 lat, naukowcy prześledzili, jak przebiegały susze i warunki po nich i w jakiej kondycji genetycznej i fizjologicznej były drzewa potem. Dane z US Forest Inventory and Analysis umożliwiły im dostęp do wskaźników śmiertelności drzew dla ponad 100 000 powierzchni leśnych w latach 2000-2018. Następnie połączyli te źródła z pomiarami satelitarnymi zawartości wody w koronach drzew leśnych. I upewnili się, że drzewa iglaste znoszą suszę najgorzej ze względu na odmienną i mniej elastyczną hydraulikę niż drzewa liściaste.
Anderegg w serwisie Science Daily powiedział 4:
Okrytozalążkowe mają znacznie bardziej elastyczną anatomię i fizjologię niż nagozalążkowe, co wydaje się pomagać im szybciej i pełniej regenerować się po początkowych suszach
Ponadto naukowcy wyciągnęli takie słuszne wnioski, że dobór naturalny będzie preferować osobniki, zarówno wśród drzew iglastych, jak i liściastych, bardziej odporne nie tylko na stres wodny i cieplny, ale i też odporniejsze na szkodniki, patogeny i choroby.
Trugman dla Science Daily powiedziała:
To badanie dostarcza dużo motywacji, ale myślę, że następnym pilnym krokiem jest dotarcie do podstawowych mechanizmów na poziomie fizjologicznym i ekologicznym.
Z kolei Anderegg spuentował wypowiedź swoją:
Te wyniki są szczególnie istotne w zachodnich Stanach Zjednoczonych, gdzie mieliśmy wiele poważnych susz w ciągu ostatnich 20 lat.
—
Michael Goulden z Wydziału Nauki Systemu Ziemi w Irvine i Roger Bales z Instytutu Badawczego Sierra Nevada – obaj z Uniwersytetu Kalifornijskiego, powiedzieli, że w latach 2012-2015 w stanie USA w Kalifornii mieliśmy do czynienia z jednoczesnym okresem skrajnie rzadkich opadów deszczu ze wzmocnieniem temperatury powietrza oraz z wymieraniem wielu drzew. Najmocniej ucierpiały drzewa w lasach iglastych, które są mniej odporne na takie ekstrema pogodowe niż liściaste 5.
Naukowcy za pomocą obserwacji terenowych i teledetekcyjnych omówili przestrzenne i czasowe wzorce wymierania drzew oraz deficytu wilgoci podczas suszy w Kalifornii.
Susze to przewaga ewapotranspiracji nad opadami. I z tego też wynika, że tak samo się oblicza ten parametr jak opady deszczu czy śniegu z atmosfery na glebę, tylko w kontekście ubytku wody z tejże gleby do atmosfery. Skumulowana ewapotranspiracja podczas wielkiej 4-letniej suszy 2012-2015 w Kalifornii wyniosła 1500 mm. A poziom wilgotności w glebie obniżył się w tym samym czasie do głębokości 5-15 metrów. Umarło wówczas wiele drzew. Zwłaszcza ucierpiały iglaste, które są bardziej podatne na destrukcyjny wpływ susz, zwłaszcza połączonych z falami upałów, w szczególności ekstremalnych.
W badanym okresie czasu wymarło około 55% drzew.
—
Referencje:
- Anderegg W. R. L. et al., 2015 ; Pervasive drought legacies in forest ecosystems and their implications for carbon cycle models ; Science ; https://www.researchgate.net/publication/280582920_FOREST_ECOLOGY_Pervasive_drought_legacies_in_forest_ecosystems_and_their_implications_for_carbon_cycle_models
- University of Utah, 2015 ; Drought’s lasting impact on forests ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2015-07-drought-impact-forests.html
- Anderegg W. R. L., 2020 ; Divergent forest sensitivity to repeated extreme droughts ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/344413369_Divergent_forest_sensitivity_to_repeated_extreme_droughts
- University of California – Santa Barbara, 2020 ; The effects of repeated droughts on different kinds of forests ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201013101635.htm
- Goulden M. L. et al., 2019 ; California forest die-off linked to multi-year deep soil drying in 2012–2015 drought ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/s41561-019-0388-5