De arktiska och boreala breddgraderna 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 som publicerats i Global Change Biology visar ett team under ledning av doktoranden Jinhyuk Kim från James Randersons laboratorium, professor i jordsystemvetenskap, hur skogsbränder ökar fotosyntesen i Kanada och Alaska.
De konstaterar att de ökande skogsbränderna utplånar svartgranskogar som växer relativt långsamt och bidrar till det organiska skiktet i de underliggande jordarna. I många områden flyttar lövfällande buskar och träd, som sälg och asp, in efter en brand. Dessa växter har en mycket högre ämnesomsättning, vilket innebär att de kan etablera sig snabbare än granar.
År 2023 upplevde Kanada sin mest förödande skogsbrandssäsong, med över 46 miljoner hektar brända. Författarnas arbete tyder på att dessa bränder kan påskynda förändringar i norra skogar som redan är på gång på grund av klimatförändringar.
”Vi ser högre nivåer av fotosyntes som kvarstår i årtionden efter brand”, säger Kim. ”Istället för att den vintergröna barrskogen kommer tillbaka direkt ser vi i vissa regioner en långsiktig ersättning av dessa skogar med mer snabbväxande arter.”
Ju mer fotosyntes som sker, desto mer koldioxid kan växterna ta upp från atmosfären. Ett antagande är att detta kan skapa en sänka för koldioxid och bidra till att dämpa den globala uppvärmningen.
”Men eftersom man har förbränt det kol som lagras i växterna och deras organiska jordar, leder inte ens den ökning av fotosyntesen som vi observerar nödvändigtvis till mer kollagring på lång sikt”, säger Kim. ”De ökande trenderna för skogsbränder har betydande konsekvenser för skogens artsammansättning och ekosystemfunktion, men påverkar sannolikt kolsänkan i marken negativt. Det är därför det är viktigt att studera hur det förändrade landskapet från skogsbränder och uppvärmning påverkar olika aspekter av kolcykeln på land.”
För att mäta den förändrade fotosynteshastigheten i de boreala växterna använde Kim och hans team data från satelliterna Orbiting Carbon Observatory 2 som mäter växternas fluorescens och använder den som en approximation för fotosyntesen.
”Det är en nyare mätning som vi har kunnat observera globalt”, säger Kim, som förklarar att fluorescensmätningar är ett nytt sätt att mäta fotosyntes. ”Vi har också en lång tidsserie från Landsat, och vi kan titta på hur bränder förändrar markens växttäcke och sedan koppla det till förändringar i den solinducerade fluorescenssignalen. Vi konstaterar att skogsbränder förändrar marktäcket, vilket i sin tur kan förstärka kolflödenas säsongsvariation på stora rumsliga skalor.”
Kim tillade att det är ett tecken på instabila ekosystem där typerna av växter i regionen snabbt förändras.
I en annan studie från ett team som leds av doktoranden Allison Welch, beskriver forskare vilken typ av växter som expanderar till den arktiska och alpina tundran.
”Med ökande temperaturer och skogsbränder ser vi en ökad tillväxt av större, lövfällande buskar”, säger Welch, vars team studerade fem olika alpina tundraplatser för forskningen, som publiceras i Arctic, Antarctic, and Alpine Research.
”Vi fann ökad busktillväxt av en specifik art som kallas al”, säger Welch, som arbetar i labbet av Claudia Czimczik, 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 jordlagret som kännetecknas av högt organiskt kolinnehåll – på sina tundraplatser. Grundare organiska lager, förklarade Welch, innebär att det finns mindre isolering för den underliggande arktiska permafrosten. Permafrost innehåller stora reserver av fruset organiskt material som, om det tinas, kan brytas ned och släppa ut växthusgaser som koldioxid i atmosfären. ”Om du har ett friskt organiskt lager kommer du sannolikt att främja permafroststabilitet”, säger Welch.
I den tredje studien, som publicerades i Geophysical Research Letters, gjorde ett team under ledning av doktoranden Hui Wang, som arbetar vid institutionen för jordsystemvetenskap tillsammans med professor Alex Guenther, fältmätningar och sedan datorsimuleringar för att beskriva hur utsläppen av molekylen isopren ökar i en takt som är mycket högre än förväntat, i takt med att de arktiska ekosystemen värms upp av ett varmare klimat.
”Denna förändring kommer indirekt att förändra klimatet”, säger Wang. Det beror på att isopren påverkar bildandet av ozon, aerosoler och halterna av metan i luften. Aerosoler påverkar bildandet av moln, som i sin tur kan påverka det lokala klimatet. Och växter, förklarade Wang, släpper ut mer isopren när vädret är varmare.
De förändringar som rapporteras i studierna pekar mot arktiska-boreala ekosystem som snabbt förändras som svar på skogsbränder och uppvärmning.
”Dessa tre studier är exempel på hur Arktis förändras snabbare än vad som tidigare förväntats”, säger Czimczik, en av medförfattarna till Welchs artikel. ”Ökad skogsbrandsaktivitet, via dess effekt på vegetationens sammansättning, har potential att påskynda upptiningen av permafrost utöver de hastigheter vi förväntade oss från klimatförändringar.”
”Vi kan se att miljön är instabil och att det finns komplexa interaktioner mellan inte bara de förändrade växtsamhällena utan även växternas svar på det snabbt föränderliga klimatet. Detta får konsekvenser för miljön och det övergripande jordsystemet, så det är något viktigt som vi måste förstå bättre”, säger Kim.
Ytterligare information: Jinhyuk E. Kim et al, Wildfire‐induced increases in photosynthesis in boreal forest ecosystems of North America, Global Change Biology (2024). DOI: 10.1111/gcb.17151
Allison M. Welch et al, Implications of alder shrub growth for alpine tundra soil properties in Interior Alaska, Arctic, Antarctic, and Alpine Research (2023). DOI: 10.1080/15230430.2023.2285334
Hui Wang et al, Arctic Heatwaves Could Significantly Influence the Isoprene Emissions From Shrubs, Geophysical Research Letters (2024). DOI: 10.1029/2023GL107599
