Новые сигналы снижения устойчивости лесов в условиях изменения климата
Nature, том 608, страницы 534–539 (2022 г.) Процитировать эту статью
33 тыс. доступов
38 цитат
628 Альтметрика
Подробности о метриках
Лесные экосистемы зависят от их способности противостоять природным и антропогенным воздействиям и восстанавливаться после них (то есть от их устойчивости)1. Экспериментальные данные о внезапном увеличении смертности деревьев вызывают обеспокоенность по поводу изменений в устойчивости лесов2, однако мало что известно о том, как она развивается в ответ на изменение климата. Здесь мы интегрируем спутниковые индексы растительности с машинным обучением, чтобы показать, как устойчивость лесов, выраженная количественно с точки зрения критических показателей замедления3,4,5, изменилась за период 2000–2020 годов. Мы показываем, что тропические, засушливые и умеренные леса испытывают значительное снижение устойчивости, что, вероятно, связано с увеличением дефицита воды и изменчивостью климата. Напротив, бореальные леса демонстрируют различные местные закономерности со средней тенденцией к повышению устойчивости, вероятно, извлекая выгоду из потепления и внесения удобрений CO2, которые могут перевесить неблагоприятные последствия изменения климата. Эти закономерности последовательно проявляются как в управляемых, так и в нетронутых лесах, подтверждая существование общих крупномасштабных климатических факторов. Снижение устойчивости статистически связано с резким снижением первичной продуктивности лесов, происходящим в ответ на медленное приближение к критическому порогу устойчивости. Примерно 23% нетронутых ненарушенных лесов, что соответствует 3,32 Пг углерода валовой первичной продуктивности, уже достигли критического порога и испытывают дальнейшее снижение устойчивости. В совокупности эти сигналы свидетельствуют о повсеместном снижении способности лесов противостоять возмущениям, что следует учитывать при разработке наземных планов смягчения последствий и адаптации.
Леса покрывают около 41 миллиона км2 — около 30% поверхности суши. Они играют фундаментальную роль в глобальном углеродном цикле, поглощая около 33% антропогенных выбросов углерода, и считаются ключевым элементом смягчения последствий будущего изменения климата6. Кроме того, леса предоставляют ряд экосистемных услуг, способствующих благосостоянию общества, таких как регулирование водных потоков, защита почв и сохранение биоразнообразия7. К сожалению, лесные экосистемы подвергаются все большей угрозе из-за многочисленных нарушений, в том числе природных факторов (например, пожаров, ураганов и патогенов) и антропогенного давления2. Устойчивость и функциональность этих экосистем во многом зависят от их устойчивости, определяемой как способность противостоять воздействиям окружающей среды и восстанавливаться после них3,4,5. Леса с низкой устойчивостью более чувствительны к аномалиям внешних факторов и потенциально более подвержены резким и, возможно, необратимым изменениям (например, смене режима)8. Это особенно важно ввиду продолжающегося усиления режимов нарушений, которые могут повлиять на предоставление ключевых экосистемных услуг в ближайшем будущем9,10,11. В то же время стратегии смягчения последствий изменения климата с использованием лесов, основанные на устойчивых поглотителях и запасах углерода, приобретают решающее значение для достижения самых амбициозных климатических целей. В этом контексте становится все более важным исследовать уязвимость запасов и потоков углерода в лесах к внешним воздействиям. Однако мало что известно о том, как развивалась устойчивость лесов в ответ на глобальные изменения окружающей среды. Поэтому понимание основополагающих механизмов устойчивости лесов и ее современной динамики имеет первостепенное значение для разработки надежных планов сохранения и управления.
Теоретические исследования показали, что по мере того, как системы приближаются к переломному моменту (то есть порогу, когда начинается самоподдерживающееся стремительное изменение), они теряют устойчивость, так что небольшие непрерывные внешние возмущения могут перевести систему в альтернативную конфигурацию12. Было высказано предположение, что такую потерю устойчивости можно обнаружить по увеличению временной автокорреляции (ТАК) состояния системы, отражающей снижение скорости восстановления из-за критического замедления (КСД) системных процессов, возникающих на пороговых значениях3. ,4,5 (дополнительные методы 1–3 и дополнительные рисунки 1 и 2). В такой системе устойчивость определяется как способность экосистем противостоять возмущениям и избегать изменений состояния, а не как восстановление к исходному состоянию после того, как изменение состояния вызвано крупным событием. Снижение устойчивости может быть вызвано нарушением физиологических функций, которые делают экосистему нестабильной или, по крайней мере, более уязвимой к смене режима при возмущениях (например, с точки зрения продуктивности, индекса площади листьев или видового состава)12,13,14. Это свойство использовалось в предыдущих исследованиях для оценки пространственных закономерностей статической устойчивости леса15,16,17,18. Однако применение этого метода в больших масштабах в динамическом контексте затруднено из-за ограниченных временных рядов наблюдений, наличия доминирующих сезонных частот в вариациях как реакций экосистем, так и воздействующих сигналов, изменений в автокорреляции воздействующих сигналов и присутствия стохастического шума4. До сих пор эти проблемы ограничивали изучение временной эволюции устойчивости лесов в реальных системах19,20,21 и приводили к существенному отсутствию оценок глобального масштаба. В этом отношении растущая доступность согласованных во времени наблюдений Земли за несколько десятилетий теперь открывает новые возможности для мониторинга изменяющейся во времени устойчивости лесов в региональном и глобальном масштабах.