Arktiska och boreala breddgrader värms upp snabbare än någon annan region på jorden. I tre nya studier rapporterar jordsystemforskare vid University of California, Irvine hur ekosystemen i dessa regioner förändras.

I en studie publicerad i Global Change Biology , ett team ledd av Earth System Science Ph.D. kandidaten Jinhyuk Kim från labbet av James Randerson, professor i jordsystemvetenskap, avslöjar hur skogsbränder ökar fotosyntesen i Kanada och Alaska.

De finner att ökande skogsbränder utplånar svartgranskogar som växer relativt långsamt och bidrar till det organiska lagret av de underliggande jordarna. I många områden flyttar lövfällande buskar och träd, som pil och asp, in efter en brand. Dessa växter har en mycket högre ämnesomsättning, vilket innebär att de kan etablera sig snabbare än gran.

År 2023 såg Kanada sin mest förödande skogsbrandsäsong, med över 46 miljoner hektar brända. Författarnas arbete tyder på att dessa bränder kan påskynda förändringar i nordliga skogar som redan är igång på grund av klimatförändringar.

"Vi ser högre nivåer av fotosyntes som kvarstår i årtionden efter brand," sa Kim. "Istället för att den vintergröna barrskogen kommer tillbaka direkt, ser vi i vissa regioner en långsiktig ersättning av dessa skogar med snabbare växande arter."

Ju mer fotosyntes det finns, desto mer kan växter ta bort koldioxid från atmosfären. Ett antagande är att detta kan skapa en sänka för koldioxid och hjälpa till att dämpa den globala uppvärmningen.

"Men eftersom du har förbränt kolet som lagrats i växterna och deras organiska jordar, betyder inte ens ökningen av fotosyntesen vi observerar nödvändigtvis mer kollagring i det långa loppet," sa Kim. "De ökande trenderna i skogsbränder har betydande konsekvenser för skogens artsammansättning och ekosystemfunktion men påverkar sannolikt negativt markens kolsänka. Det är därför det är viktigt att studera hur det föränderliga landskapet från skogsbränder och uppvärmning påverkar olika aspekter av markens kolkretslopp."

För att mäta förändringshastigheten för fotosyntesen i de boreala växterna använde Kim och hans team data från Orbiting Carbon Observatory 2-satelliter som spårar växternas fluorescens för att använda som en proxy för fotosyntes.

"Det är en nyare mätning som vi har kunnat observera globalt", säger Kim, som förklarade att användning av fluorescensmätningar är en ny metod för att mäta fotosyntes. "Vi har också denna långa landtäckningstidsserie från Landsat, och vi kan titta på hur bränder förändrar markväxttäcket och sedan binda det till förändringar i den solinducerade fluorescenssignalen. Vi ser att skogsbränder förändrar marktäcket, vilket i sin tur kan öka säsongsvariationen av kolflöden i stora rumsliga skalor."

Kim tillade att det är ett tecken på instabila ekosystem där växttyperna i regionen snabbt förändras.

I en annan studie från ett team ledd av Earth System Science Ph.D. kandidat Allison Welch, forskare beskriver vilken typ av växter som expanderar in i den arktiska och alpina tundran.

"Med ökande temperaturer och skogsbränder ser vi ökad tillväxt av större, lövfällande buskar," sade Welch, vars team studerade fem olika alpina tundraplatser för forskningen, som visas i Arctic, Antarctic and Alpine Research .

"Vi hittade ökad busktillväxt av en specifik art som kallas al," säger Welch, som arbetar i Claudia Czimcziks labb, professor i jordsystemvetenskap. "Och bara ökad vegetationsproduktivitet i allmänhet på dessa platser."

Welchs team rapporterade också en minskning av tjockleken på det organiska lagret - det översta lagret av jord som kännetecknas av högt organiskt kolinnehåll - vid deras tundraplatser. Grundare organiska skikt, förklarade Welch, betyder att det finns mindre isolering för den underliggande arktiska permafrosten. Permafrost bär stora reserver av fruset organiskt material, som, om det tinas, kan sönderdelas och släppa ut planetvärmande gaser som koldioxid i atmosfären. "Om du har ett hälsosamt organiskt lager kommer du sannolikt att främja permafroststabilitet", sa Welch.

I den tredje studien, publicerad i Geophysical Research Letters , ett team ledd av Ph.D. kandidaten Hui Wang, som arbetar på institutionen för geosystemvetenskap tillsammans med prof. Alex Guenther, erhöll fältmätningar och körde sedan datorsimuleringar för att beskriva hur, när arktiska ekosystem upplever ett värmande klimat, utsläppen av molekylen isopren eskalerar i hastigheter som är mycket högre än väntat.

"Denna förändring kommer indirekt att förändra klimatet", sa Wang. Det beror på att isopren påverkar bildningen av ozon, aerosoler och halter av metan i luften. Aerosoler påverkar bildandet av moln, som i sin tur kan påverka det lokala klimatet. Och växter, förklarade Wang, frigör mer isopren när vädret är varmare.

De förändringar som rapporterats i studierna pekar mot arktisk-boreala ekosystem som snabbt förändras som svar på skogsbränder och uppvärmning.

"Dessa tre studier är exempel på hur Arktis förändras snabbare än tidigare förväntat", säger Czimczik, en medförfattare på Welchs tidning. "Ökande aktivitet vid skogsbränder, genom dess effekt på vegetationssammansättningen, har potential att påskynda permafrostens upptining utöver de hastigheter vi förväntade oss från ett förändrat klimat."

"Vi kan se att miljön är instabil och att det finns komplexa interaktioner från inte bara de föränderliga växtsamhällena utan även dessa växters reaktioner på det snabbt föränderliga klimatet. Dessa har konsekvenser för miljön och det övergripande jordsystemet, så det är något viktigt som vi måste förstå bättre", sa Kim.

Mer information: Jinhyuk E. Kim et al, Wildfire-inducerade ökningar av fotosyntes i boreala skogsekosystem i Nordamerika, Global Change Biology (2024). DOI:10.1111/gcb.17151

Allison M. Welch et al, Implikationer av albusketillväxt för alpina tundrajordegenskaper i det inre av Alaska, Arctic, Antarctic and Alpine Research (2023). DOI:10.1080/15230430.2023.2285334

Hui Wang et al., Arktiska värmeböljor kan avsevärt påverka isoprenutsläppen från buskar, Geofysiska forskningsbrev (2024). DOI:10.1029/2023GL107599

Journalinformation: Geofysiska forskningsbrev , Global Change Biology

Tillhandahålls av University of California, Irvine