Europas skogar sitter på en föroreningstidsbomb som kan skriva om deras ekologi när den exploderar, säger forskare.

Ömtåliga skogsbottenväxter som träsyra eller viol, och balansen mellan de trädslag som tornar upp sig över dem, är alla hotade av årtionden av ackumulerade kväveföroreningar. En studie har funnit att skogens mörker har dämpat effekterna av kväve. Men skogar är avsedda att släppa in mer ljus i framtiden när träd dukar under för torka och sjukdomar.

Skogarna täcker 40 % av EU:s landyta och växer i vissa länder, mestadels på grund av aktiv restaurering eller övergivande av jordbruksmark. Skogarna tillhandahåller tjänster som att kontrollera erosion och cirkulerande vatten, men de hotas också i allt högre grad av torka och sjukdomar som askans död.

För att förstå hur de reagerar på dessa utmaningar är det viktigt att studera skogsbotten, säger professor Kris Verheyen, en ekolog vid universitetet i Gent i Belgien.

"Det här örtskiktet glöms ofta bort. Vissa människor kallar det för steg-över-lagret - man kliver över det för att titta på träden, " han sa.

Än, i tempererade skogar, livet under fötterna omfattar 80 % av en skogs biologiska mångfald. Örtskiktet cirkulerar viktiga näringsämnen som fosfor, kalium och kväve, hjälper till att bryta ner trädskräp och filtrerar nästa generations träd – eftersom plantor måste passera genom det för att ge sig ut på sin resa till krontaket, säger prof. Verheyen.

Uppgifter

I ett försök att förstå mer om skogsbotten, han ledde ett team som hämtade rekord, går tillbaka i vissa fall så långt som 50 år, av 4, 000 skogstomter över hela Europa. För dem vars platser var lätta att identifiera, forskarna besökte för att göra uppdaterade mätningar.

Teamet transporterade också skogsmark från hela kontinenten till sin forskningsstation där de införlivade dem i experimentella utomhusmiljöer, kallas mesokosmos, där de varierade växternas tillgång till kväve, temperatur och ljus.

"Den grundläggande frågan vi ville besvara var hur flera globala förändringsdrivare bestämmer förändringsbanorna över tid, " säger prof. Verheyen, som ledde projektet, känd som PASTFORWARD.

Övergripande, teamet fann att den viktigaste styrande faktorn i skogslivet var ljus, som fungerar som en flaskhals som hindrar andra förändringar från att utöva effekt.

Kväveföroreningar

Ett kraftfullt exempel på detta var hur det har hållit tillbaka effekterna av kväveföroreningar.

Kvävenedfall är ett kroniskt problem som orsakas av ammoniakutsläpp från jordbruksgödsel och skapandet av kväveoxider som en biprodukt av förbränning av fossila bränslen. Det drar vissa näringsämnen ur jordar, försurar marken, och får alger att växa i vattendrag.

Forskarna hittade rikligt med kvävenedfall i skogar och dokumenterade dess konsekvenser för arter. Men "effekterna är inte så starka som vi förväntade oss eftersom ... kvävet är tillgängligt men växterna (på skogsbotten) kan inte dra nytta av det eftersom de begränsas av mängden ljus som är tillgängligt, " sade prof. Verheyen.

Vissa växter - typer som tenderar att vara utbredda och kan överleva i en mängd olika miljöer inklusive icke-inhemska arter - har maskineriet att dra fördel av ett överskott av kväve och växa mer; andra – som tenderar att vara specialister med små intervall – gör det inte. I skuggiga skogar är de jämställda. Men så fort kapellet öppnar sig och ljuset strömmar in, de som kan utnyttja kväveföroreningarna har en fördel.

Som ett resultat, De europeiska skogarna tappar redan sina mer specialiserade arter och upplever därmed en minskning av den biologiska mångfalden. Prof. Verheyen är oroad över att trädkronorna riskerar att öppna sig eftersom träd dör av torka och sjukdomar som kan öppna dammluckorna för kväve.

"Det kommer att leda till snabba och mycket stora förändringar i örtlagret, " han sa.

Torkan – i sig ett resultat av klimatförändringarna – har haft en "massiv" effekt som dödar träd i granskogar i Tyskland, Belgien och Frankrike de senaste åren även om lövskogar har varit mer motståndskraftiga för nu.

Detta betyder inte att ädellövskogar är fria från öppning av trädkronorna – ett exempel är asknedgångssjukdom. "Vi har bevis för att på grund av att askan dör ut får du mycket ljus och sedan exploderar undervåningen verkligen eftersom ljus inte längre är en begränsande resurs, " sade prof. Verheyen.

"Dessa stora och förmodligen plötsliga förändringar som kan ske i örtskiktet kommer att påverka trädföryngringen och kommer säkerligen att avgöra vilka arter som kommer att klara örtskiktsfiltret och vilka som inte. Det kommer att få konsekvenser för näringsomsättningen eftersom detta örtskikt påverkar verkligen nedbrytningshastigheten."

Buffring

Forskarna upptäckte också att skogarna hittills har gjort ett anmärkningsvärt jobb med att buffra växter mot de bredare klimatförändringarna som pågår utanför dem.

Temperaturmätningar avslöjade att skogarna ofta har betydligt andra temperaturer än vad väderstationer – alltid placerade långt från träd – registrerar. I sommar, till exempel, de är i genomsnitt 4°C kallare. Detta beror inte bara på att tjocka baldakiner håller ute ljuset, men också för att evapotranspiration av vatten genom löven och in i atmosfären suger värme ur skogen, och växtligheten håller ute vindar som skulle blanda in varm luft i det svala.

Klimatmodeller tar inte hänsyn till denna buffring, trots att två tredjedelar av världens arter lever i skogar och skogsprocesser som kol och näringsämnens kretslopp är beroende av temperatur, säger professor Pieter de Frenne, en biovetare också vid universitetet i Gent, som leder det parallella FORMICA-projektet som undersöker skogarnas mikroklimat.

Detta, i tur och ordning, förklarar varför, i intakt skog, det har skett mindre "ombildning" av skogsarter än vad som förutspåddes när Europa värms upp, han säger — skogsbuffring har gjort det möjligt för många arter att hålla fast vid.

"Vi hade förväntat oss att skogsväxter skulle ha reagerat redan i starkare grad - så att fler varmanpassade arter skulle ha kommit in i samhället och fler kalla affinitetsarter skulle ha minskat eller till och med blivit lokalt utrotade."

Men effekten kan inte vara för evigt och om trädkronorna öppnas kommer dessa arter att få ett oförskämt uppvaknande när deras värld värms upp till temperaturen utanför skogen.

"Buffring köper oss tid så att arter får en chans att anpassa sig till det nya klimatet, " han sa.

Arbetet har praktiska konsekvenser för hur skogar sköts och PASTFORWARD- och FORMICA-teamen hoppas nu kunna utveckla ett verktyg som hjälper skogsförvaltare att räkna ut hur mycket av trädkronorna de kan ta bort - till exempel för avverkning eller som en del av cykeln av trädgallring känd som coppicing - utan att utlösa denna explosiva tillväxt.