Den här sommaren, Alaska har upplevt rekordhöga temperaturer och förödande skogsbränder. Om sådana händelser blir vanligare, hur kan det påverka våra nordligaste skogar? Ett team av forskare ledda av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) förutspådde att kombinationen av klimatförändringar och ökade skogsbränder kommer att få de ikoniska vintergröna barrträden i Alaska att pressas ut till förmån för lövträd, lövträd, som fäller sina löv efter säsong.

Med hjälp av en väl beprövad ekosystemmodell som kallas ecosys, de förutspådde att till år 2100 kommer den relativa dominansen av vintergröna barrträd (svartgran) att minska med 25 % och icke-vedartade örtartade växter som mossa och lav kommer att minska med 66 %, medan lövträd (asp) kommer att bli dominerande, nästan en fördubbling i prevalens. Med så stora nedgångar, denna förändring av vegetationen kommer med stor sannolikhet att ge efterklang för hela ekosystemet och klimatet.

"Utvidgning av lövskogarna i ett varmare klimat kan resultera i flera ekologiska och klimatiska återkopplingar som påverkar kolcykeln i nordliga ekosystem, " sa Zelalem Mekonnen, en postdoktor från Berkeley Lab som var första författare till studien.

Pappret, "Utbyggnad av lövskogar på hög latitud som drivs av interaktioner mellan klimatuppvärmning och brand, " publicerades idag i Natur Växter . Studien finansierades som en del av DOE:s Office of Science genom Next-Generation Ecosystem Experiment—Arctic-projektet och inkluderade medförfattare från UC Irvine, University of Alberta, och Woods Hole Research Center. NGEE-Arctic strävar efter att få en prediktiv förståelse av det arktiska terrestra ekosystemets återkoppling till klimatet och är ett samarbete mellan forskare vid Oak Ridge National Laboratory, Berkeley Lab, Los Alamos National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, och University of Alaska Fairbanks.

"Vi förutspår att skogssystemet kommer att förbli en nettosänka för kol, vilket betyder att det kommer att absorbera mer kol än det släpper ut, " sa medförfattaren William J. Riley, en senior vetenskapsman i Berkeley Labs Earth &Environmental Sciences Area. "Men kommer det att vara mer eller mindre av en sänka? Vår nästa studie kommer att kvantifiera budgeten för kol och ytenergi. Denna studie fokuserade mer på hur vegetationstyper förväntas förändras."

Förändringar i skogstäckestyp kommer att påverka många viktiga ekosystemprocesser. Till exempel, en ökning av lövfällande lövträd, som förlorar sina löv varje år, till skillnad från vintergröna växter, kan resultera i snabbare mikrobiell nedbrytning och ökad transpiration (förlust av fukt genom löv); båda dessa processer introducerar förstärkande återkopplingar till klimatuppvärmningen. Å andra sidan, högre ytreflektans kan ha en kylande effekt när mer snö exponeras på grund av färre vintergröna träd; vad mer, lövträd är mindre brandfarliga än vintergröna träd. Forskarna förutspådde blygsamma effekter på nettokoldioxidbudgeten och kommer att analysera det vidare i framtida arbete.

Riley tillade att studien inkluderade många steg för att bekräfta att resultaten från ecosys var giltiga. "Vi utvärderade modellens prestanda mot många aktuella observationer av skogstäcke och mätningar av kolcykling, och mot långsiktiga förändringar under naturlig klimatvariation, " han sa.

En kombination av eld och klimatuppvärmning kan förändra skogarna på 40 år

Klimatförändringarna slår särskilt hårt mot de nordliga breddgraderna på grund av fenomenet arktisk förstärkning, en positiv feedback som gör att temperaturen stiger snabbare än det globala genomsnittet. Medan den globala genomsnittstemperaturen beräknas stiga med cirka 4 grader Celsius år 2100 i ett "business as usual"-scenario, vissa nya studier förutspår mycket större ökningar för Arktis.

I vilken utsträckning bränderna kommer att öka är ännu mer osäkert. Så forskarna modellerade fyra scenarier, från en noll ökning av brännarean upp till en ökning med 150 % till 2100. Scenarierna togs från publicerade studier som tog hänsyn till faktorer som varmare temperaturer och ökningar av blixtnedslag.

Det som är känt om bränder är de effekter de har på skogens ekosystem. "Brander fördjupar det aktiva lagret, som är den zon av jord som förblir ofrusen, ", sade Riley. "Det leder till en ökning av marknäringsämnen som är tillgängliga för växter. Ökning av jordens näringsämnen gynnar lövfällande växter, vilket är en anledning till att vi förutspår att de kommer att klara sig så bra under ett värmande klimat. Högre lövträdstäckning har skett under tidigare klimat; paleoekologiska studier av de senaste 10, 000 år tyder på att Alaskas skogar har genomgått liknande förändringar i dominerande trädslag."

En annan faktor som gynnar lövfällande lövträd framför vintergröna barrträd är att deras löv bryts ned snabbare, leder till snabbare koldioxidomsättning, som bestämmer de tillgängliga näringsämnena i ekosystemet. "När du får snabbare omsättning, du får fler lövfällande växter, " sa Riley. "Det är en självförstärkande mekanism."

Även om tidigare studier har undersökt hur klimatförändringar kommer att påverka boreala skogar, Riley sa att detta var den första som övervägde de komplexa interaktionerna mellan växter, jord, och näringsämnen – både över och under jord – och hur de utvecklas över tiden. "Denna studie är en mer detaljerad och mekanistisk förklaring av dessa processer, " han sa.

Andra faktorer som gynnar lövträd i ett framtida varmare klimat är deras större förmåga till föryngring av plantor efter brand och deras förmåga att växa snabbt och därmed konkurrera om ljuset. "Växter har olika strategier för att överleva under olika miljöförhållanden, " sa Mekonnen.

Studien fann att både klimatförändringar och ökad brand krävdes för att producera lövträds dominans. Över de testade brandscenarionerna där bränderna ökade, den förändringen beräknades inträffa runt år 2058. Om uppvärmningen skedde utan ökad brand eller vice versa, modellen fann att vintergröna barrträd förblev den dominerande Alaskan trädtypen under 2000-talet.

En annan skogskomponent som kommer att påverkas är vilda djur. "Bredbladiga lövträd har ett stort tak som täcker underliggande vegetation, potentiellt minskande örtartat växttäcke. Dessa växter, speciellt mossa, är mycket viktigt foder för vilda djur, " sa Mekonnen.

Vad mer, modelleringstekniken kan användas för att studera hur klimatförändringar och brand kommer att påverka andra geografiska områden. "Vår modelleringsmetod är tillämplig på andra nordliga regioner eftersom de grundläggande mekanismerna som styr denna dynamik är lika överallt, " sa Mekonnen.