En typisk nordlig lövskog i Michigan, domineras av sockerlönnar och inkluderar även röd ek, vit ask och gul björk. Denna skog ligger i Wexford County, Michigan, och var en del av en U-M-ledd studie som undersökte hur kväveutfällning och ett förändrat klimat påverkar tillväxten av sockerlönnar. Kredit:Rima Upchurch.
Även om Michigans sockerlönnar drar nytta av de tillväxtfrämjande effekterna av kväveföreningar i miljön, dessa vinster kommer inte helt att kompensera de extra påfrestningarna av att växa under ett torrare klimat i framtiden, enligt en ny University of Michigan-ledd studie.
Sockerlönnar, kända för sitt eldiga höstlöv och som huvudkällan för lönnsirap, är en dominerande trädslag i de norra lövskogarna i östra Nordamerika. De finns främst i fuktiga, väldränerade jordar och är torkkänsliga.
Vissa klimatprognoser för regionen Upper Great Lakes under de kommande decennierna kräver varmare temperaturer och en ökad sannolikhet för sommartorka, förhållanden som kan visa sig vara stressande för sockerlönnar och andra träd.
Men när klimatet fortsätter att förändras, skogar över hela världen utsätts också för stigande nivåer av tillväxthöjande kväveföreningar som genereras av motorfordon, kraftverk, fabriker, jordbruk och andra mänskliga källor. Detta kväve som härrör från människan anses vara en förorening men har också en gödningseffekt på träd, främja tillväxt.
Klimatforskare och skogsekologer har länge undrat om befruktningseffekterna av kväve från människa skulle vara tillräckligt för att kompensera för extra påfrestningar från en varmare, torrare klimat. Det är en svår fråga att svara på, och tidigare studier gav motsägelsefulla resultat.
Den nya U-M-ledda studien, baserat på 20 års data från fyra skogsplatser på båda Michiganhalvöarna, drar slutsatsen att kvävedeposition från mänskliga aktiviteter "inte fullt ut kommer att kompensera för de negativa effekterna av att växa under de torrare förutspådda klimatet."
Under de kommande decennierna, Michiganbor borde förvänta sig minskad tillväxt av sockerlönnar över hela staten, enligt studien, som är planerad att publiceras online i tidskriften Ekologi den 17 januari. Och om de mest extrema klimatförutsägelserna för regionen visar sig sanna, sockerlönnar kommer så småningom – under en period av århundraden – att försvinna från delstatens nedre halvön helt och hållet.
"Det tillsatta kvävet hjälper lite, men inte tillräckligt, " sa U-M skogsekolog Inés Ibáñez, huvudförfattare till studien.
"Under extrema klimatscenarier, ökningen av kväve kommer inte att kunna kompensera för minskad tillväxt av sockerlönnar på grund av brist på vatten, sa Ibáñez, en docent vid Skolan för miljö och hållbarhet samt vid institutionen för ekologi och evolutionsbiologi.
Att förstå hur olika trädarter kommer att reagera på varmare och torrare förhållanden är avgörande för att producera korrekta prognoser för framtida skogstillväxt. Och det är viktigt att veta eftersom världens skogar tar bort ungefär en fjärdedel av den värmefångande koldioxid som släpps ut i atmosfären årligen genom förbränning av fossila bränslen.
Om skogstillväxten avtar som svar på klimatpåfrestningar, då kommer de träden att ta bort mindre koldioxid, vilket kommer att förvärra uppvärmningsproblemet. Och nordliga skogar runt om i världen är särskilt viktiga kolsänkor, " ta bort enorma mängder från luften och lagra den i trädskog och skogsmark.
"Majoriteten av kol som lagras på land finns i skogar, "säger UM skogsekolog och studieförfattare Donald Zak, professor vid Skolan för miljö och hållbarhet samt vid institutionen för ekologi och evolutionsbiologi. "Och hur skogar växer i framtiden kommer att påverka mängden mänskligt koldioxid som finns kvar i atmosfären. Det, i tur och ordning, kommer att ha en återkopplingseffekt på globala temperaturer.
De fyra studieplatserna i Michigan Gradient Study. Upphovsman:Michigan Gradient Study.
"Det är därför dessa frågor om skogstillväxt är så viktiga. Och det enda sättet att få några av svaren är genom den typ av långsiktig ekologisk forskning som används i denna studie."
För att bedöma den kombinerade effekten av kvävedeposition och klimatförändringar på trädtillväxt, Ibáñez, Zak och deras kollegor använde data från en federalt finansierad kväveavsättningsstudie vid fyra Michigan lövskog-studieplatser, inklusive en vid UM Biological Station nära Pellston, Mich.
De fyra platserna är åtskilda av 300 miles och sträcker sig över nord-till-syd-utbredningen av nordliga lövskogar, från den västra centrala Nedre halvön till den nordvästra övre halvön. Michigan Gradient Study etablerades 1987 för att undersöka effekterna av klimat och atmosfäriskt nedfall på skogens tillväxt och ekosystemprocesser i området kring de stora sjöarna. Zak är en av projektets främsta utredare.
Sedan 1994, projektforskare har tillsatt fast natriumnitrat, en kväveförening som används i gödningsmedel, till jordarna på några av Michigan Gradient Study-tomten för att simulera nivåer av kvävedeposition som förväntas i slutet av detta århundrade. Mycket av det kväve som släpps ut i atmosfären av människor faller senare tillbaka till jorden i regn, snö och damm.
För studien rapporterad i Ekologi , forskarna analyserade de kombinerade effekterna av kvävedeposition, sommartemperatur och markfuktighet på tillväxten av sockerlönnar. De använde register från 1, 016 träd insamlade under perioden 1994-2013.
Den stora omfattningen av Michigan Gradient Study, dess ovanliga experimentella design, och nya statistiska verktyg gjorde det möjligt för forskarna att separera effekterna av mänskligt härrörande kväve på trädtillväxt från de som är förknippade med temperatur- och vattenbegränsningar - något tidigare studier inte kunde göra, sa Zak.
Resultaten visar att, i samtliga fall, tillsatt kväve ökad uppmätt trädtillväxt, en effekt som accentuerades när temperaturen ökade och markfuktigheten minskade. Dessutom, forskarna simulerade framtida tillväxthastigheter för varje träd under två klimatscenarier som tidigare utvecklats för Upper Great Lakes-regionen.
Scenario ett föreställer sig måttliga förändringar till år 2100:en temperaturhöjning på 1,3 grader Fahrenheit och en ökning med 14 procent av sommarnederbörden. Detta scenario förutsätter att de globala koldioxidutsläppen så småningom vänder kursen och börjar minska.
Scenario två antar att nuvarande koldioxidutsläppsnivåer fortsätter in i framtiden, vilket resulterar i mer extrema klimatförändringar i regionen:en temperaturhöjning på cirka 10 grader Fahrenheit och en 40-procentig minskning av sommarnederbörden till 2100.
Datorsimuleringarna visade att tillväxten av sockerlönn skulle skadas något under scenario ett, speciellt på de varmare södra platserna. Resultaten för scenario två visade en stor och konsekvent signifikant minskning av tillväxten för sockerlönnar på alla fyra platser och för alla tomter - de som behandlats med kvävegödselmedel såväl som obehandlade tomter. Trefaldiga minskningar av tillväxthastigheter är möjliga under scenario två förhållanden.
Under scenario två, sockerlönnar skulle så småningom försvinna från Michigan's Lower Peninsula, även om förändringarna sannolikt skulle ske under flera århundraden, sa Ibáñez. Om det händer, den sockerlönn- och bokdominerade norra lövskogen kan ersättas av ek-hickoryskog, som är bättre anpassad till torra förhållanden men som inte tar bort så mycket kol från atmosfären.
"Kolbindning är en enorm tjänst som skogarna tillhandahåller oss och är mycket viktig för alla typer av klimatreglering i framtiden, "Sade Ibáñez." Om torka förhållanden minskar produktiviteten i Michigan -skogar i framtiden, deras förmåga att binda kol kommer också att lida."
