Forscher beleuchten schnelle Veränderungen in arktischen und borealen Ökosystemen

Die arktischen und nördlichen Breiten erwärmen sich schneller als jede andere Region der Erde. In drei neuen Studien berichten Erdsystemwissenschaftler der University of California, Irvine, wie sich die Ökosysteme in diesen Regionen verändern.

In einer Studie veröffentlicht In Biologie des globalen Wandels, ein Team unter der Leitung des Erdsystemwissenschaftlers Ph.D. Kandidat Jinhyuk Kim aus dem Labor von James Randerson, Professor für Erdsystemwissenschaften, enthüllt, wie Waldbrände die Photosyntheserate in Kanada und Alaska erhöhen.

Sie stellen fest, dass zunehmende Waldbrände Schwarzfichtenwälder vernichten, die relativ langsam wachsen und zur organischen Schicht der darunter liegenden Böden beitragen. In vielen Gegenden ziehen nach einem Brand Laubsträucher und Bäume wie Weiden und Espen ein. Diese Pflanzen haben einen viel höheren Stoffwechsel und können sich daher schneller etablieren als die Fichte.

Im Jahr 2023 erlebte Kanada seine verheerendste Waldbrandsaison, bei der über 46 Millionen Hektar verbrannten. Die Arbeit der Autoren legt nahe, dass diese Brände die bereits im Gange befindlichen Veränderungen in den nördlichen Wäldern aufgrund des Klimawandels beschleunigen könnten.

„Wir sehen ein höheres Maß an Photosynthese, das noch Jahrzehnte nach dem Brand anhält“, sagte Kim. „Statt dass der immergrüne Nadelwald sofort zurückkommt, sehen wir in manchen Regionen einen langfristigen Ersatz dieser Wälder durch schneller wachsende Arten.“

Je mehr Photosynthese stattfindet, desto mehr Kohlendioxid können Pflanzen aus der Atmosphäre entfernen. Eine Annahme ist, dass dies eine Senke für Kohlendioxid schaffen und zur Eindämmung der globalen Erwärmung beitragen könnte.

„Aber weil man den in den Pflanzen und ihren organischen Böden gespeicherten Kohlenstoff verbrannt hat, führt nicht einmal der Anstieg der Photosynthese, den wir beobachten, langfristig zu mehr Kohlenstoffspeicherung“, sagte Kim. „Die zunehmenden Trends bei Waldbränden haben erhebliche Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Waldarten und die Ökosystemfunktion, wirken sich jedoch wahrscheinlich negativ auf die Kohlenstoffsenke an Land aus. Deshalb ist es wichtig zu untersuchen, wie sich die durch Waldbrände und Erwärmung veränderte Landschaft auf verschiedene Aspekte des Kohlenstoffkreislaufs an Land auswirkt.“

Um die sich ändernde Photosyntheserate in den borealen Pflanzen zu messen, verwendeten Kim und sein Team Daten von Satelliten des Orbiting Carbon Observatory 2, die die Fluoreszenz von Pflanzen verfolgen, um sie als Proxy für die Photosynthese zu verwenden.

„Es handelt sich um eine neuere Messung, die wir weltweit beobachten konnten“, sagte Kim und erklärte, dass die Verwendung von Fluoreszenzmessungen ein neuartiger Ansatz zur Messung der Photosynthese sei. „Wir haben auch diese lange Landbedeckungszeitreihe von Landsat, und wir können untersuchen, wie Brände die Landpflanzenbedeckung verändern, und sie dann mit Veränderungen im solarinduzierten Fluoreszenzsignal verknüpfen. Wir stellen fest, dass Waldbrände die Landbedeckung verändern, was wiederum die Saisonalität der Kohlenstoffflüsse auf großen räumlichen Skalen verbessern kann.“

Kim fügte hinzu, dass dies ein Zeichen für instabile Ökosysteme sei, in denen sich die Pflanzenarten in der Region schnell veränderten.

In einer anderen Studie eines Teams unter der Leitung des Erdsystemwissenschaftlers Ph.D. Kandidatin Allison Welch beschreiben Forscher, welche Pflanzenarten sich in der arktischen und alpinen Tundra ausbreiten.

„Mit steigenden Temperaturen und Waldbrandaktivität sehen wir ein verstärktes Wachstum größerer Laubsträucher“, sagte Welch, dessen Team für die Forschung fünf verschiedene alpine Tundra-Standorte untersuchte erscheint In Arktis-, Antarktis- und Alpenforschung.

„Wir haben ein erhöhtes Strauchwachstum einer bestimmten Art namens Erle festgestellt“, sagte Welch, die im Labor von Claudia Czimczik, Professorin für Erdsystemwissenschaften, arbeitet. „Und an diesen Standorten hat sich einfach die Vegetationsproduktivität im Allgemeinen erhöht.“

Welchs Team berichtete außerdem von einer Abnahme der Dicke der organischen Schicht – der obersten Bodenschicht, die durch einen hohen Gehalt an organischem Kohlenstoff gekennzeichnet ist – an ihren Tundra-Standorten. Flachere organische Schichten, erklärte Welch, bedeuten, dass der darunter liegende arktische Permafrost weniger isoliert ist. Permafrost enthält riesige Reserven an gefrorenem organischem Material, das sich beim Auftauen zersetzen und den Planeten erwärmende Gase wie Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen kann. „Wenn Sie eine gesunde organische Schicht haben, werden Sie wahrscheinlich die Stabilität des Permafrosts fördern“, sagte Welch.

In der dritten Studie veröffentlicht In Geophysikalische Forschungsbriefe, ein Team unter der Leitung von Ph.D. Kandidat Hui Wang, der in der Abteilung für Erdsystemwissenschaften bei Prof. Alex Guenther arbeitet, hat Feldmessungen durchgeführt und dann Computersimulationen durchgeführt, um zu beschreiben, wie die Emissionen des Moleküls Isopren in einem sich erwärmenden Klima in den arktischen Ökosystemen mit Geschwindigkeiten eskalieren weit höher als erwartet.

„Diese Änderung wird indirekt das Klima verändern“, sagte Wang. Denn Isopren beeinflusst die Bildung von Ozon, Aerosolen und den Methangehalt der Luft. Aerosole beeinflussen die Wolkenbildung, die wiederum das lokale Klima beeinflussen kann. Und Pflanzen, erklärte Wang, setzen bei wärmerem Wetter mehr Isopren frei.

Die in den Studien berichteten Veränderungen deuten darauf hin, dass sich arktisch-boreale Ökosysteme als Reaktion auf Waldbrände und Erwärmung rasch verändern.

„Diese drei Studien sind Beispiele dafür, wie sich die Arktis schneller verändert als bisher erwartet“, sagte Czimczik, Mitautor von Welchs Artikel. „Die zunehmende Waldbrandaktivität hat über ihre Auswirkungen auf die Vegetationszusammensetzung das Potenzial, das Auftauen des Permafrosts über die Geschwindigkeit hinaus zu beschleunigen, die wir aufgrund des Klimawandels erwartet hatten.“

„Wir können sehen, dass die Umwelt instabil ist und dass es komplexe Wechselwirkungen nicht nur zwischen den sich verändernden Pflanzengemeinschaften, sondern auch den Reaktionen dieser Pflanzen auf das sich schnell ändernde Klima gibt. Diese haben Konsequenzen für die Umwelt und das gesamte Erdsystem, daher ist es etwas Wichtiges.“ „Das müssen wir besser verstehen“, sagte Kim.