Экстремальные климатические явления угрожают поглотителю углерода на суше, и важно понимать их влияние на меняющийся климат. Недавнее исследование даёт новое представление о снижении поглощения углерода лесами во время сильной засухи и жары 2022 года в Европе.
Экстремальные климатические явления, такие как засуха и волны тепла, наносят ущерб обществу (например, производству продуктов питания, здоровью человека и энергетическим ресурсам), а также функционированию наземных экосистем. Хотя засухи наблюдались на протяжении столетий, в последнее время в Европе наблюдается повышенная распространённость этих экстремальных явлений¹, и прогнозы показывают её рост по мере потепления климата². Это вызывает беспокойство, поскольку засуха и жара угрожают поглощению углерода экосистемами, что в настоящее время смягчает рост концентрации CO₂ в атмосфере, компенсируя одну треть антропогенных выбросов от ископаемого топлива³. Хотя связь между засухой и снижением поглощения углерода хорошо известна, остаются важные вопросы, касающиеся воздействия повторяющихся засух, силы сезонных и региональных компенсационных эффектов⁴, обратной связи между сушей и атмосферой, которая может усугубить волны тепла⁵, а также стратегий управления лесами в условиях меняющегося климата⁶.
Ван дер Вуде и др.⁷ воспользовались недавно доступными почти в режиме реального времени данными, чтобы показать, что сильная (т.е. интенсивная и продолжительная) засуха и волна тепла в 2022 году снизили поглощение углерода лесами на местном, региональном и континентальном уровнях по всей Европе. Эти результаты важны, поскольку засуха и волна тепла в 2022 году были повторяющимися событиями после событий 2003, 2010, 2015, 2018, 2019 и 2020 годов. Повторяющиеся события позволяют получить ключевое понимание запаздывающих реакций экосистем (или «наследия»)⁸ и изменения рисков в потеплении климата, влияющих на поглотитель углерода в лесах, например, гибель деревьев, уязвимость к нашествию насекомых и пожарам или изменения в видовом составе и структуре леса⁶. Летом 2022 года большие территории Европы испытали засуху и жару, которые были одними из самых сильных за последние 20 лет. Крупномасштабные засухи и волны тепла возникают в результате стационарных структур блокировки высокого давления в атмосферной циркуляции, препятствующие образованию облаков и осадков и увеличивающие доступную энергию на поверхности земли⁹. Усиление (т.е. положительная) обратная связь между землёй и атмосферой затем ещё больше усугубляет чрезвычайно засушливые и жаркие условия, поскольку количество воды, транспарируемой растениями и испаряемой из почвы, уменьшается (см. рис. 1, синие стрелки)⁵. Таким образом, испарительное охлаждение становится менее эффективным, и большая часть доступной энергии нагревает воздух (см. рис. 1, оранжевые стрелки).

Рис. 1: Влияние растущего стресса от засухи на лесные потоки

Стресс засухи развивается (слева направо) в результате сочетания дефицита осадков и жары. Это приводит к снижению влажности почвы и увеличению потребности в атмосферной испарительной воде, представляющей собой комбинацию температуры воздуха и относительной влажности (обозначается термометром и каплей воды соответственно). По сравнению с условиями, предшествовавшими засухе (а), стресс от засухи развивается во время единичной засухи (b, т.е. метеорологической и сельскохозяйственной засухи) и далее усиливается во время повторяющейся или длительной засухи (с, т.е. гидрологической засухи). Зелёные стрелки показывают поглощение углерода (путём фотосинтеза), бежевые стрелки - выделение углерода (почвой и дыханием растений), коричневые стрелки - чистое накопление углерода в лесу или выброс в атмосферу, синие стрелки - поток водяного пара (эвапотранспирация), оранжевые стрелки - тепловой поток (ощутимое тепло), а жёлтые стрелки – стресс, вызванный засухой. По мере усиления стресса от засухи деревья подвергаются физиологическому стрессу и снижают фотосинтез (что обозначается изменением цвета деревьев). После продолжительного засушливого стресса или повторяющихся засух происходит частичная или полная гибель кроны. Дыхание первоначально снижается из-за засухи, но со временем увеличивается из-за разложения листьев и древесины. По мере увеличения стресса от засухи происходит сдвиг от потока водяного пара к выделению большего количества тепла, что усиливает условия засухи и жары

Как засуха и жара влияют на поглощение углерода лесами? Суммарный углеродный баланс экосистемы представляет собой разницу между поглощением углерода при фотосинтезе и выделением углерода при дыхании. Снижение поглощения углерода лесами во время засухи и жары происходит из-за вызванного стрессом снижения фотосинтеза (см. рис. 1, зелёные стрелки). Дыхание растений и почвы также снижается из-за ограничения влажности почвы, но обычно в меньшей степени, чем фотосинтез (см. рис. 1, бежевые стрелки)¹⁰. Эти относительные различия приводят к снижению суммарного поглощения углерода (см. рис. 1, коричневые стрелки) или даже к суммарному выбросу, как, например, сообщили ван дер Вуде и др.⁷ для некоторых участков во Франции летом 2022 года.
Комбинированный стресс от сильной засухи и жары в течение длительных периодов времени (или повторяющихся явлений) приводит к увеличению кроны и, в конечном итоге, гибели деревьев (см. рис. 1c). Сообщается о повышении смертности всех основных европейских видов деревьев¹¹, и пространственное распределение этих видов по климатически подходящим территориям существенно изменится к концу этого столетия¹². Например, бук европейский считается наиболее уязвимой породой широколиственных деревьев к засухе и жаре¹³, и прогнозируется существенное снижение темпов его роста, вызванное изменением климата¹⁴. Это важно, поскольку буковые леса покрывают обширные территории Центральной и Восточной Европы.
Для количественной оценки поглощения углерода ван дер Вуд и его коллеги⁷ объединили измерения потоков экосистемы в подходе «снизу вверх» в лесах с подходами «сверху вниз», используя спутниковые наблюдения дистанционного зондирования и атмосферные инверсии в сочетании с моделью биосферы. Летние сокращения примерно на 59 ТгС наблюдались на территории, пострадавшей от засухи, что привело к сокращению годового поглощения углерода на 40 ТгС, что эквивалентно почти четверти (23%) годовых выбросов CO₂ в Германии – европейской стране с самыми большими выбросами. В отличие от весны 2018 года, была обнаружена только частичная сезонная компенсация за счёт увеличения осеннего поглощения из-за продолжительного вегетационного периода. Аналогичные выбросы углерода от летних лесных пожаров (около 9 ТгС) делают событие 2022 года сопоставимым с 2003 годом, когда сообщалось о гораздо более высоком (до 500 ТгС) годовом суммарном выбросе углерода¹⁰. Однако ван дер Вуде и др.⁷ подчёркивают, что в 2022 году по сравнению с 2018 и 2003 годами пострадали и другие регионы, что, вероятно, опосредовало воздействие на снижение поглощения углерода из-за различий в составе лесов.
В то время как предыдущие исследования воздействия экстремальных климатических явлений на углеродный цикл были отложены из-за ограничений доступности данных^4,10,15, ван дер Вуде и др.⁷ демонстрируют важность стандартизированных сетей мониторинга экосистем, таких как ICOS (Европейская интегрированная система наблюдения за выбросами углерода) и NEON (Сеть национальных экологических обсерваторий США) для своевременного предоставления информации заинтересованным сторонам.
Правительствам необходимо учитывать серьёзное воздействие засухи на поглощение углерода лесами для достижения целей по нулевому выбросу углерода. Помимо сокращения вырубки лесов, тропические страны, такие как Бразилия и Индонезия, планируют существенные изменения в землепользовании (например, лесовосстановление), чтобы компенсировать выбросы парниковых газов¹⁶. В Европе площадь лесов уже увеличивается на протяжении десятилетий (например, на 10% в период 1990–2020 гг.), а изменения в землепользовании (включая лесовосстановление) составляют лишь 1% от целевого показателя сокращения к 2030 году¹⁶. Важнейшим элементом европейской стратегии «чистого нуля» является сохранение нынешнего уровня поглощения углерода лесами путём адаптации методов управления, в частности из-за большой неопределённости, связанной с изменением климата.

Чтобы обеспечить устойчивость лесного поглощения углерода, улучшение нынешних методов управления (рис. 2, «Лесная вставка – Адаптация») должно включать переход к «смесям» видов (в идеале разного возраста), которые лучше адаптированы к будущим климатическим условиям¹², сохраняя при этом местные виды и биоразнообразие. Управляемая регенерация может подготовиться к смене видов после нарушений и повысить поглощение углерода. В лесах, уже устойчивых к засухе и жаре, акцент на «нетто-нуле» может сместиться в сторону увеличения накопления углерода, чтобы компенсировать выбросы из других секторов (рис. 2, «Лесной блок – смягчение последствий»), например, за счёт устойчивых коротких севооборотов, более высокой плотности деревьев, или внедрения более продуктивных видов.

 

Рис. 2. Управление лесным хозяйством направлено на увеличение накопления углерода до нулевого уровня, несмотря на засуху и жару

Варианты управления цепочкой лесного хозяйства (Лес → Урожай → Древесина) для увеличения накопления углерода (слева направо). Широкие стрелки показывают поглощение или выбросы углерода, т.е. поглощение лесами посредством фотосинтеза (зелёные стрелки), выбросы в результате дыхания или работы промышленности в атмосферу (бежевые стрелки) и изменения в суммарных запасах леса (коричневые стрелки). Полосатая коричневая стрелка указывает на длительное накопление углерода в древесных материалах. Стратегии управления лесами, основанные на уязвимости к засухе и жаре, могут сохранить текущий сток углерода за счёт адаптационных усилий (если он уязвим), чтобы избежать выброса углерода лесами, или увеличить сток за счёт усилий по смягчению последствий (если он не уязвим), чтобы компенсировать выбросы из других секторов. После заготовки древесины потери углерода из почвы и древесных остатков могут быть сокращены, чтобы обеспечить возврат к углеродной нейтральности. Хранение углерода в древесных материалах увеличивает его стабильное долговременное хранение за счёт сокращения выбросов от строительных материалов, таких как цемент и сталь.

Для долгосрочного хранения углерода древесные материалы представляют собой интересный вариант, поскольку эффект хранения усиливается за счёт сокращения крупных выбросов от строительных материалов, таких как цемент и сталь¹⁷ (рис. 2, «Деревянный ящик»). Однако этот вариант требует устойчивого управления лесозаготовками, чтобы свести к минимуму выбросы углерода из обезлесенных земель, например, путём выборочной рубки, поддержки естественного возобновления и защиты почвы и подлеска (рис. 2, «Вставка урожая»).
Стратегии управления лесами в условиях меняющегося климата должны сочетать подходы к адаптации и смягчению последствий, чтобы обеспечить устойчивое хранение углерода, потенциально дополняемое долгосрочным хранением в древесных продуктах для дальнейшего увеличения потенциала смягчения последствий. При адекватной реализации это могло бы обеспечить достижение цели нулевого уровня выбросов и сделать будущие леса более устойчивыми к экстремальным климатическим явлениям, таким как засуха и жара 2022 года.
Хотя последствия события 2022 года всё ещё изучаются, Европа переживает ещё один год с экстремальными температурами и засухой в 2023 году. После тёплой и сухой зимы Пиренейский полуостров, юг Франции и северо-запад Италии пострадали от сильной засухи в конце весны. Затем в июне и июле¹⁸ на большей части северной, центральной и восточной Европы возникла засуха, при этом наблюдались рекордные температуры вместе с сильной волной тепла, пик которой пришёлся на конец июля¹⁹. Влияние этого недавнего события на углеродный цикл ещё предстоит определить, но оно может дать дополнительную информацию о наследственных последствиях повторяющихся засух и жары. Событие 2023 года также может соперничать с событиями 2018 и 2022 годов из-за сочетания прямых последствий (т.е. сокращения поглощения, см. рис. 1) в наиболее пострадавших регионах выброса углерода в результате широкомасштабных лесных пожаров в южной Европе и накопленных последствий наследия, связанных с смертностью деревьев в предыдущие засушливые годы.
Исследование ван дер Вуда и др.⁷ показывает, что снижение поглощения углерода лесами во время засухи и жары 2022 года, возможно, больше не будет исключительным явлением в условиях потепления климата, показывая уязвимость лесного поглотителя углерода к таким экстремальным климатическим явлениям. Хотя, возможно, ещё слишком рано называть такие условия «новой нормой», существуют явные доказательства того, что частота и интенсивность этих явлений увеличивается на большей части территории Европы²⁰, и, согласно прогнозам, их дальнейшее увеличение будет происходить по мере потепления климата весной и летом². Становится очевидным, что повторяющиеся засухи и жара ставят под угрозу достижение нулевых целей правительств, полагающихся на лесное хозяйство, и что управление лесами необходимо адаптировать, чтобы сохранить поглотитель углерода в лесах.

 

References

1. Büntgen, U. et al. Recent European drought extremes beyond Common Era background variability. Nat. Geosci. 14, 190–196 (2021).
2. Spinoni, J., Vogt, J. V., Naumann, G., Barbosa, P. & Dosio, A. Will drought events become more frequent and severe in Europe? Int. J. Climatol. 38, 1718–1736 (2018).
3. Friedlingstein, P. et al. Global Carbon Budget 2022. Earth Syst. Sci. Data 14, 4811–4900 (2022).
4. Wolf, S. et al. Warm spring reduced carbon cycle impact of the 2012 US summer drought. Proc. Natl Acad. Sci. 113, 5880–5885 (2016).
5. Miralles, D. G., Gentine, P., Seneviratne, S. I. & Teuling, A. J. Land–atmospheric feedbacks during droughts and heatwaves: state of the science and current challenges. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1436, 19–35 (2019).
6. Anderegg, W. R. L. et al. Climate-driven risks to the climate mitigation potential of forests. Science 368, eaaz7005 (2020).
7. van der Woude, A. M. et al. Temperature extremes of 2022 reduced carbon uptake by forests in Europe. Nat. Commun. (2023). https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2841861/v1
8. Müller, L. M. & Bahn, M. Drought legacies and ecosystem responses to subsequent drought. Glob. Change Biol. 28, 5086–5103 (2022).
9. Kautz, L. A. et al. Atmospheric blocking and weather extremes over the Euro-Atlantic sector – a review. Weather Clim. Dynam. 3, 305–336 (2022).
10. Ciais, P. et al. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the heat and drought in 2003. Nature 437, 529–533 (2005).
11. George, J.-P. et al. Long-term forest monitoring reveals constant mortality rise in European forests. Plant Biol. 24, 1108–1119 (2022).
12. Mauri, A. et al. EU-Trees4F, a dataset on the future distribution of European tree species. Sci. Data 9, 37 (2022).
13. Schuldt, B. & Ruehr, N. K. Responses of European forests to global change-type droughts. Plant Biol. 24, 1093–1097 (2022).
14. Martinez del Castillo, E. et al. Climate-change-driven growth decline of European beech forests. Commun. Biol. 5, 163 (2022).
15. Bastos, A. et al. Direct and seasonal legacy effects of the 2018 heat wave and drought on European ecosystem productivity. Sci. Adv. 6, eaba2724 (2020).
16. Grassi, G. et al. On the realistic contribution of European forests to reach climate objectives. Carbon Balance Manag. 14, 8 (2019).
17. Churkina, G. et al. Buildings as a global carbon sink. Nat. Sustainability 3, 269–276 (2020).
18. Toreti, A. et al. Drought in Europe June 2023. (Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2023).
19. ECMWF. The European heatwave of July 2023 in a longer-term context. (2023). https://climate.copernicus.eu/european-heatwave-july-2023-longer-term-context.
20. Seneviratne, S. I. et al. in Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (eds Valérie Masson-Delmotte, Panmao Zhai, Anna Pirani, & et al.) 1513–1766 (Cambridge University Press, 2022). 

  

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-41854-x