Таяние вечной мерзлоты, утонувшие деревья, выбросы метана и учащение лесных пожаров медленно превращают северные леса из поглотителей углерода в источники выбросов углерода.
Эта история была впервые опубликована на Yale Environment 360.
Вывеска, висящая над дверью гигантской стеклянной камеры с открытым верхом в отдаленной части экспериментального леса Марселл в Миннесоте, объясняет, почему так много ученых со всего мира усердно работали, чтобы получить кусочек этого бореального леса.«Добро пожаловать в будущее», - гласит надпись, и это буквально то, что получают исследователи, когда приходят проводить исследования в Марселле.
Эксперимент - совместная работа Лесной службы США и Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики - состоит из 10 стеклянных камер с открытым верхом. Каждый из них имеет высоту 30 футов, диаметр 40 футов и разработан с помощью контроля температуры и уровня CO2, чтобы имитировать то, что произойдет с бореальными торфяниками при различных сценариях глобального потепления. Они варьируются от отсутствия изменений до очень реалистичного увеличения на 4 градуса по Фаренгейту, до 7 градусов по Фаренгейту и даже до пугающих 12 градусов по Фаренгейту и выше.
Экспериментальный лес Марселл был основан в 1962 году для изучения экологии и гидрологии бореальных лесов, которые в Северной Америке простираются от озера Верхнее на севере США до севера Канады и Аляски. Бореальные леса - крупнейшая в мире лесная система, содержащая обширные богатые углеродом торфяники - также покрывают Скандинавию и большую часть России.
За последние несколько десятилетий фокус исследований в Marcell сместился на воздействие глобального потепления на бореальные леса, и в настоящее время проводится более 50 экспериментов. Это место является лишь одним из многочисленных мест для долгосрочных исследований, где ученые десятилетиями изучают климатические изменения в бореальной зоне. Исследования в районе Великих озер, богатых вечной мерзлотой районах Танана-Флэтс и экспериментального леса Бонанза-Крик в центральной части Аляски, а также в низменностях Скотти-Крик на Северо-Западных территориях Канады отслеживают трансформацию бореальной экосистемы Северной Америки. По всему региону торфяники высыхают, а более жаркие и сухие условия приводят к неуклонному увеличению числа лесных пожаров - все это ускоряет таяние вечной мерзлоты.
Ученый наблюдает за условиями в тестовой камере в Экспериментальном лесу Марселл. Изображение предоставлено: НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ОКРИДЖА / ДЕПАРТАМЕНТ ЭНЕРГЕТИКИ США.
В 2016 году ученые впервые начали закачивать тепло и углекислый газ в камеры в лесу Марселл, чтобы посмотреть, как эти и другие торфяники отреагируют на потепление климата. Пять лет спустя ученый из Лесной службы США Рэнди Колка; Пол Хэнсон, специалист по экосистемам из Ок-Риджа; и их коллеги уже наблюдают значительные изменения: нагретые участки быстро превращаются из накопителей углерода в источники выбросов углерода.
Торф в лесу Марселл содержит в 15 раз больше углерода, чем повторно вырубленные леса на востоке США. Но в недавнем исследовании Колка, Хэнсон и другие сотрудники описывают, как камеры теряют углерод в 4,5-18 раз быстрее, чем исторические темпы накопления. При высыхании или разложении влагопоглощающий торф разрушается, теряя способность накапливать углерод.
Когда Колька вел меня через болото с камерами, которое прогревается с наибольшей скоростью, он указал на изменения, связанные с потеплением. Тамарак и ели потемнели. Тепло- и влаголюбивые кустарники были так густы, что сфагнум почти не просматривался на болотном дне. По его словам, эти и другие мхи, из которых состоит торф, долго не продержатся.
По всему региону торфяники высыхают, а более жаркие и сухие условия приводят к неуклонному увеличению числа лесных пожаров - все это ускоряет таяние вечной мерзлоты.
Торф - это частично разложившаяся растительность, которая скапливается в холодных, заболоченных, лишенных кислорода болотах и топях бореальной зоны. По мере повышения температуры торф высыхает на юге и оттаивает на севере, где деревья тонут, а реки и озера становятся коричневыми от твердого органического углерода, растворяющегося в воде. Это приводит к выбросу огромного количества углерода в реки, озера и атмосферу.
Учитывая, что торфяники содержат в два раза больше углерода, чем все леса мира, ученые-климатологи внимательно следят за этими изменениями. В дополнение к смягчению последствий наводнений, фильтрации воды и замедлению или прекращению лесных пожаров, богатая торфом бореальная экосистема предоставляет места для гнездования от 1 до 3 миллиардов птиц, прилетающих на север даже из Аргентины.
«Бореал Миннесоты будет больше похож на Канзас в ближайшие десятилетия, если с выбросами углерода все будет как обычно», - сказал Ли Фрелих, директор Центра лесной экологии Университета Миннесоты, который уже более 30 лет отслеживает изменения в пустыне каноэ Boundary Waters в северной Миннесоте. «С Канзасом все в порядке, но нам не нужен еще один в Миннесоте. У нас здесь, в Миннесоте, всего три биома - бореальный, умеренный и пастбищный. Потеря бореального будет большой потерей».
Для Фрелиха деревья в его части бореальной зоны претерпевают самые драматические изменения. Он видит больше красных сосен с коричневеющими кронами, черных елей и бальзамина, не способных регенерировать, и умеренных видов, таких как клены и дубы, а также лугов, ползущих на север. В недавнем исследовании он и другие ученые предсказывают, что к концу века большая часть бореальных лесов в Миннесоте исчезнет, а также полоса бореальных лесов на юге Канады протяженностью от 180 до 300 миль будет потеряна.
Многие ученые считают, что трансформация южных бореальных районов будет в какой-то степени компенсирована миграцией деревьев на север, таких как черная и белая ель, скрученная сосна, осина и береза. Одно недавнее исследование предполагает, что это происходит. Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере также может ускорить рост деревьев на Крайнем Севере.
Ученые предсказывают, что к концу века большая часть бореальных лесов в Миннесоте исчезнет, а также бореальные леса на юге Канады протяженностью от 180 до 300 миль.
Но учитывая, что потепление в западной Арктике ускоряется в два-три раза быстрее, чем в остальном мире, ученые говорят, что разрушительные последствия изменения климата в бореальной местности, как ожидается, намного превысят любые выгоды.
На объекте долгосрочных экологических исследований (LTER) Bonanza Creek недалеко от Фэрбанкса, Аляска, ученые с 1987 года работают над тем, чтобы лучше понять механизмы, которые на протяжении тысячелетий делали бореальные устойчивыми, а теперь делают их такими уязвимыми для беспрецедентное потепление. Одним из ключевых выводов является то, что частые пожары благоприятствуют регенерации широколиственных лиственных деревьев, таких как осина и береза, а не хвойных. Летние пожары сжигают глубокий органический слой почвы, который обнажает минеральные почвы ниже, способствуя расширению лиственных пород и уменьшая изоляцию вечной мерзлоты.
Хотя осина и береза содержат больше углерода, чем хвойные деревья, усиление потепления может означать, что северные бореальные районы постигнет та же участь, что и обширные насаждения на юге, погибающие из-за засухи.
«Это похоже на карточную игру», - говорит Джилл Джонстон, исследователь из Бонанза-Крик, а ныне руководитель лаборатории экологии северных растений на Юконе. «После пожара происходит перетасовка колоды. В бореальной местности, где в экосистеме очень мало видов деревьев и растений по сравнению, скажем, с Амазонкой, существует лишь определенное количество способов разыграть игру.. Контролирующие факторы, такие как кислотность почвы, осадки, жара и вечная мерзлота, помогают определить, какие растения и деревья наиболее успешны. Так же, как и изменение климата, сейчас больше, чем когда-либо прежде."
Оттепель вырывает с корнем и затапливает обширные лесные массивы от Аляски на восток до Юкона и Северо-Западных территорий.
Одно из недавних исследований показало, что способность черной ели - ключевого бореального вида - к регенерации снизилась на 38 процентах участков, где проводились исследования пожаров, и полностью исчезла на 18 процентах участков.
Растущее число, масштабы и серьезность бореальных лесных пожаров ускоряют таяние вечной мерзлоты, которое уже идет полным ходом. Это таяние вырывает с корнем и затапливает огромные массивы леса от Аляски на восток до Юкона и Северо-Западных территорий.
Затонувший бореальный лес в Танана-Флэтс, Аляска. Изображение предоставлено: ТОРРЕ ЙОРГЕНСОН.
Когда Торре Йоргенсон начал свои исследования в Танана-Флэтс в 1990-х годах для Исследовательской и инженерной лаборатории холодных регионов армии США, изменение климата не было серьезной проблемой. Однако теперь Йоргенсон и другие поражены стремительными изменениями, особенно затоплением больших участков «затопленных» бореальных лесов.
«В ноябре я катался на коньках по одному из этих затопленных лесов недалеко от Фэрбенкса», - сказал Джордженсон, бывший президент U. S. С. Ассоциация вечной мерзлоты. «Мягко говоря, было странно видеть стволы этих мертвых деревьев, все еще замороженные льдом. Дальше будет еще хуже. Мы прогнозируем, что к концу века мы потеряем еще 36 процентов вечной мерзлоты, и вот в [бореальных] низменностях останется очень мало деревьев."
Беспокойство не является чем-то новым для северных широт. Это то, что делает его устойчивым. За последние 12 500 лет наводнения из-за таяния ледников и снежного покрова превратили этот ледяной мир из водных трав в мхи и кустарники. Затем, когда уровень воды снизился, а земля осушилась и высохла, на толстых слоях торфа выросли такие деревья, как черная ель и осина.
Но так же, как интенсивное летнее таяние морского льда в Северном Ледовитом океане приводит к гораздо меньшему образованию морского льда зимой, более теплые зимы в северных широтах больше не позволяют земле замерзать и останавливать потерю вечной мерзлоты. Водяные болота в Танана-Флэтс расширяются в геометрической прогрессии. Согласно недавнему исследованию Йоргенсена и его коллег, размер трех больших болот в Танане увеличился на 26 процентов с 1949 по 2018 год.
В 1950-х годах вечная мерзлота покрывала почти три четверти Северо-Западных территорий Канады. Втрое меньше.
Похожие наводнения в долинах Лиард и Маккензи к юго-востоку в Северо-Западных территориях Канады вызывают серьезную озабоченность у коренных народов, которые зарабатывают на жизнь рыболовством, охотой и ловлей рыбы. «Лоси и карибу переселяются в более засушливые места», - сказал Дитер Кейзон, менеджер по землям и ресурсам коренной нации лиилдии куэ. «Бобры и ондатры исчезают, становится все труднее добраться из одного места в другое, когда на суше так много воды. Мы также наблюдаем обрушение берегов рек».
Уильям Куинтон - гидролог из Университета Ватерлоо, изучающий вечную мерзлоту в этом регионе с 1999 года. Находясь на исследовательской станции Скотти-Крик в Северо-Западных территориях Канады, Куинтон и его коллеги работают рука об руку с Лиилди Куэ. Люди Готина, чьи традиционные экологические знания дополняют науку, ведущуюся на земле. Их долговременная память о прошлом и их знание того, как рыбы и дикие животные реагируют на изменение климата, оживляют данные, которые собирают Куинтон и его коллеги.
«Трудно быть деревом в этом ландшафте», - сказал Куинтон, чья исследовательская станция в Скотти-Крик расположена посреди бореального леса площадью 59 квадратных миль с высокой концентрацией водно-болотных угодий. «Было такое сильное наводнение, что нам пришлось дважды переносить наш базовый лагерь. Некоторые деревья висят на вершинах торосов, которые действуют как спасательные шлюпки. Но по мере роста деревьев их вес разрушает кочки внизу».
Зима в Скотти-Крик, по словам Куинтона, прогревается быстрее, чем лето. В 1950-х годах вечная мерзлота покрывала почти три четверти региона. Это составляет треть от этого. Края локальных участков вечной мерзлоты отступают примерно на метр в год, оставляя после себя впадины, которые заполняются тающим снегом, и постоянно расширяющиеся каналы грунтовых вод.
«То, что мы видим, возможно, яснее, чем где-либо еще в мире, - это изменение экосистемы, происходящее в быстром движении», - сказал Куинтон.
Еще одной проблемой, связанной с заболачиванием, является «побурение» озер, рек и ручьев, возникающее по мере растворения твердого органического углерода в быстро оттаившем торфе в воде. Когда безвредная неорганическая ртуть от оттепели присоединяется к углероду, согласно ряду исследований, микроорганизмы могут преобразовать ее в высокотоксичную неорганическую форму метилртути.
Основной вопрос заключается в том, будет ли таяние вечной мерзлоты в бореальных экосистемах торфяников медленным явлением, которое постепенно высвобождает парниковые газы, или «угольной бомбой», которая вот-вот выведет огромные запасы углерода. В любом случае трансформация бореальной зоны имеет последствия не только для изменения климата, но и для качества воды и среды обитания диких животных, а также для лесных пожаров, которые, по прогнозам, будут гореть сильнее и с более короткими интервалами - все это затрудняет восстановление бореальной зоны.
Фрелих Университета Миннесоты не теряет надежды на бореальную природу. Как и Торре Йоргенсон, он подозревает, что некоторые части бореальных лесов в более прохладных, неосвоенных горных районах и те, что примыкают к холодным озерам, выживут, как это сделали участки бореальных лесов в Свитграсс-Хиллз в Монтане и Мус-Маунтин в Саскачеване. Этими бореальными убежищами можно управлять, чтобы контролировать лесные пожары, инвазивные виды и развитие человека.
«Задача, - сказал Фрелих, - заключается в том, чтобы определить, где эти убежища, скорее всего, будут находиться. Затем мы сможем принять меры по их защите. Помимо сокращения выбросов углерода, это наша самая большая надежда. Леса умирают. быстро, но деревья растут долго."