今年夏天，阿拉斯加经历了创纪录的高温和毁灭性的野火。如果此类事件变得更加频繁，那么这对我们最北端的森林有何影响?由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个研究小组预测，气候变化和野火增加的结合将导致阿拉斯加标志性的常绿针叶树被推出，有利于阔叶落叶树，其中脱落他们的叶子季节性。

使用称为ECOSYS一个屡试不爽的生态系统的模式，他们预测，到2100年常绿针叶树的相对优势树木(黑云杉)将由25%下降和非木质草本植物如苔藓和地衣将由66%下降，而阔叶落叶乔木(白杨)将成为主导，流行率几乎翻倍。如此大幅度下降，这种植被变化很可能会对整个生态系统和气候产生影响。

“在气候变暖的情况下，落叶阔叶林的扩张可能会导致影响北方生态系统碳循环的若干生态和气候反馈，”该研究的第一作者，伯克利实验室博士后研究员Zelalem Mekonnen说。

今天发表在“ 自然植物 ”杂志上的论文“气候变暖与火灾相互作用驱动的高纬度落叶林的扩张” 。该研究由美国能源部科学办公室通过下一代生态系统实验 - 北极项目提供资金，其中包括加州大学欧文分校，阿尔伯塔大学和伍兹霍尔研究中心的共同作者。NGEE-Arctic旨在获得对北极陆地生态系统对气候的反馈的预测性理解，并且是橡树岭国家实验室，伯克利实验室，洛斯阿拉莫斯国家实验室，布鲁克海文国家实验室和阿拉斯加费尔班克斯大学的科学家之间的合作。

伯克利实验室地球与环境科学领域的资深科学家威廉·赖利说：“我们预测森林系统将仍然是碳的净沉，这意味着它将吸收更多的碳。” “但这或多或少会成为一个下沉?我们的下一个研究将量化碳和表面能预算。本研究更多地关注植被类型如何变化。”

森林覆盖类型的变化将影响许多重要的生态系统过程。例如，与常绿植物不同，每年失去叶子的落叶阔叶树的增加可导致更快速的微生物分解和增加的蒸腾作用(通过叶子失去水分); 这两个过程都引入了对气候变暖的放大反馈。另一方面，由于常绿树较少，当暴露更多雪时，较高的表面反射率可能具有冷却效果; 更重要的是，落叶树比常绿树更不易燃。研究人员预测对净碳预算的影响不大，并将在未来的工作中进一步分析。

伯克利实验室的科学家Zelalem Mekonnen(左)和William Riley共同撰写了一份关于野火将如何影响阿拉斯加森林的研究。图片来源：Marilyn Chung / Berkeley Lab

莱利补充说，该研究包括许多步骤，以确认生态系统的结果是有效的。“我们根据当前森林覆盖率和碳循环测量结果以及自然气候变化下的长期变化评估了模型性能，”他说。

火灾加上气候变暖的组合可能在40年后改变森林

由于北极放大现象，气候变化对北纬地区的影响特别严重，这一正反馈导致气温上升速度超过全球平均水平。虽然预计到2100年平均全球气温将在“一切照旧”的情况下上升约4摄氏度，但最近的一些研究预测北极地区将出现更大幅度的增长。

火灾增加的程度更加不确定。因此，研究人员模拟了四种情景，从烧伤面积零增加到2100年增加150%。情景来自已发表的研究，这些研究考虑了诸如温度升高和雷击增加等因素。

对火灾的了解是它们对森林生态系统的影响。“火灾加深了活动层，这是一块未被解冻的土壤区域，”莱利说。“这导致植物可利用的土壤养分增加。土壤养分的增加有利于落叶植物，这是我们预测它们在气候变暖下会做得很好的一个原因。在先前的气候条件下，落叶树覆盖率更高;古生态学研究过去1万年中，阿拉斯加森林的优势树种发生了类似的变化。“

有利于阔叶落叶对常绿针叶树的另一个因素是它们的叶子分解更快，导致更快的碳转换，这决定了生态系统中的可利用营养。“当你获得更快速的营业额时，你会获得更多的落叶植物，”莱利说。“这是一种自我强化的机制。”

阿拉斯加北方森林信贷：斯科特鲁普，阿拉斯加费尔班克斯大学

虽然以前的研究已经研究了气候变化将如何影响北方森林，但莱利表示，这是第一次考虑植物，土壤和养分之间复杂的相互作用 - 地上和地下 - 以及它们如何随时间演变。“这项研究是对这些过程的更详细和机械的解释，”他说。

在未来气候变暖的情况下，有利于阔叶落叶乔木的其他因素是它们具有更强的灭火后幼苗再生能力以及它们快速生长并因此竞争光的能力。“植物在不同的环境条件下有不同的生存策略，”Mekonnen说。

该研究发现，气候变化和火灾都需要产生阔叶落叶乔木的优势。在火灾增加的火灾情景中，预计这种变化将在2058年左右发生。如果在没有增加火灾的情况下发生变暖，反之亦然，该模型发现，到21世纪，常绿针叶树仍然是阿拉斯加的主要树种。

另一个受影响的森林成分是野生动植物。“阔叶落叶乔木有一个大的树冠覆盖下面的植被，可能减少草本植物的覆盖。这些植物，特别是苔藓，是非常重要的野生动物饲料，”Mekonnen说。

更重要的是，建模技术可用于研究气候变化和火灾将如何影响其他地理区域。“我们的建模方法适用于其他北方地区，因为控制这些动态的基本机制在各处都相似，”Mekonnen说。