Бук в условиях изменения климата: обновление после 20 лет исследований

Частые экстремальные явления, такие как жаркое лето и засушливые периоды, заставляют пересмотреть прогнозы относительно будущего бука в Центральной Европе.

 Рис. 1 (заглавный): То, где бук сможет расти к концу века, в значительной степени зависит от хода изменения климата и будущих условий на участке. Фото: Андреас Риглинг (ETHZ)

Около 20 лет назад начались научные дебаты о будущем бука европейского (Fagus sylvatica) в Центральной Европе. Поводом для этого послужила публикация Ренненберга и др. (2004) под названием «Бук (Fagus sylvatica L.) – лесное дерево без будущего в южной части Центральной Европы?». Авторы предположили, что бук может потерять свою конкурентоспособность и жизнеспособность в более экстремальных и изменчивых условиях, прогнозируемых климатическими моделями в будущем. Аммер и др. (2005) не согласились с этими теориями и не увидели причин подвергать сомнению сложившееся мнение о центральной роли бука в структуре лесов Центральной Европы. Они предположили, что большинство утверждений о пригодности бука останутся в силе даже с учетом прогнозируемых климатических изменений.

График резкого увеличения количества публикаций на тему «Изменение климата и бук» в период с 1990 по 2022 год

Рис. 2: Публикации, перечисленные в Web of Science (Core Collection) по ключевым словам Climate change AND (Fagus sylvatica OR European beech) и Climate change AND Forest* за период с 1990 по 2022 год.

Дискуссия иллюстрирует неопределенность того времени и различные точки зрения на последствия изменения климата для бука. Взгляд на развитие исследований в области изменения климата и бука ясно показывает, насколько ограниченным было состояние знаний в 2004 году (рис. 2).

Сегодня изменения климата стали гораздо более актуальными, и появилось много новых научных данных. Настало время переосмыслить тогдашнюю дискуссию на этом фоне и сделать прогноз относительно будущего бука в Центральной Европе.

Изменение климата и экстремальные явления: Новые реалии

Экстремально засушливые 2018, 2019, 2020 и 2022 годы наглядно продемонстрировали уязвимость бука (рис. 3). В эти годы преждевременное опадение листьев и повреждение кроны во многих местах происходило уже в середине лета. В частности, в 2018 году массовый ущерб был нанесен в Германии, Швейцарии и Австрии. Удивительно, но буковые деревья пострадали и в местах, которые на самом деле являются для них благоприятными. Спутниковые данные также показывают, что в 2018, 2019 и, прежде всего, в 2022 году в Европе наблюдалось ранее невиданное раннее и масштабное побурение лесов, которое выходило за пределы ареала распространения бука. Подобные эффекты не наблюдались в предыдущие экстремальные летние сезоны а, такие как лето 2003 года или наблюдались лишь очень локально.

Рис. 3: В лесах по всей Европе все чаще наблюдается ранний листопад, обширное бурение и повреждение крон уже летом. Фотографии: Андреас Риглинг (ETHZ)

Особенно пострадали участки с низкой влагоемкостью, но буковые деревья также проявили повышенную восприимчивость на глубоких, хорошо орошаемых участках. Сочетание последовательных засушливых лет и вторичных патогенов, таких как грибок алой пустулы (Neonectria coccinea), скорее всего, привело к долгосрочному ослаблению жизнеспособности бука.

Модели и сценарии: Будущее бука в Швейцарии

Новое моделирование для Швейцарии показывает довольно драматичную картину будущего бука (рис. 4): Даже при умеренном климатическом сценарии (RCP4.5) бук в большинстве случаев больше не найдет подходящих условий для произрастания на Швейцарском плато. Наибольшие потери ожидаются на высотах до 1000 м, где более низкое количество летних осадков и более частые экстремальные явления сильно ухудшают пригодность местообитаний. Небольшой прирост площади на горных высотах может лишь частично компенсировать потери (около 30 % от потерь). Согласно прогнозам, при сценарии «как обычно» (рис. 4d) бук сможет выжить только на высотах более 1200 м, а чистая потеря потенциальной территории распространения в Швейцарии составит около 8500 км².

Рис. 4. Изменение потенциальной площади распространения бука в Швейцарии под влиянием изменения климата. Карты показывают потерю, увеличение и неизменную долю потенциальной площади распространения бука при сценариях выбросов RCP4.5 (ограниченное смягчение последствий изменения климата) и RCP8.5 (обычная ситуация) для периода 2045-2074 (вверху) и 2070-2099 (внизу). На гистограммах показаны изменения площади, пригодной для произрастания бука, в разбивке по высоте над уровнем моря.

Если выбросы CO2 будут сокращены в соответствии с целями Парижского соглашения, бук сможет продолжать процветать по крайней мере в некоторых частях своего нынешнего ареала в Швейцарии, хотя и не во всех местах. Однако следует отметить, что глобальные выбросы CO2 в период с 2005 по 2020 год в основном соответствовали предположениям сценария «как обычно». Это заставляет усомниться в том, что желаемые климатические цели действительно могут быть достигнуты.

Неопределенности, существовавшие в дебатах 20 лет назад, находят отражение и в современных моделях. Современные климатические прогнозы подтверждают температурные прогнозы Ренненберга и др. (2004), в то время как прогнозы осадков остаются более неопределенными, хотя и не неправдоподобными.

Физиологические адаптации и чувствительность к засухе

Засухоустойчивость бука тесно связана с распределением его биомассы и гидравлическими свойствами его ксилемы. В оптимальных условиях бук вкладывает больше ресурсов в надземную биомассу, в то время как длительная засуха приводит к усиленному образованию корней (рис. 5).

Рис. 5: В местах с хорошим снабжением водой (и питательными веществами) деревья вкладывают больше средств в надземную биомассу (листья, ствол, ветви), чтобы оптимизировать отдачу света. Если доступность воды в почве снижается, они вкладывают больше средств в корневую биомассу, чтобы компенсировать недостаток воды и в то же время уменьшить надземную биомассу. При очень низкой обеспеченности водой корневая биомасса может увеличиться на 10 % (диаграмма по Poorter et al., 2012). Эта адаптивная способность и другие анатомические приспособления обеспечивают постоянный запас гидравлической прочности около 2 МПа (Choat et al., 2012).

Несмотря на эти адаптации, буковые деревья остаются уязвимыми к экстремальной засухе, как только превышается определенный запас прочности. Это особенно важно для участков, которые обычно хорошо обеспечены водой: из-за ярко выраженной кроны и относительно низкой биомассы корней в экстремальные периоды засухи потребность в воде уже не может быть покрыта большой испаряющей поверхностью. У буковых деревьев этот эффект может усиливаться за счет другого сезонного механизма: Очень интенсивное развитие листьев весной при хорошем водоснабжении может привести к увеличению несоответствия между потребностью в воде и ее наличием в засушливое лето. Это повышает восприимчивость к засухе. Наблюдения показывают, что энергичные особи на глубоких почвах особенно подвержены риску такой динамики.

Эти моменты опровергают приведенный в начале статьи аргумент Аммера и др. (2005) о том, что большинство утверждений о пригодности бука останется верным даже при прогнозируемых изменениях климата.

Увеличение частоты и интенсивности экстремальных явлений, особенно жаркого лета с сильной засухой, все чаще ставит под вопрос даже участки с хорошими или очень хорошими условиями произрастания и подчеркивает необходимость осторожного планирования будущих древостоев. Однако способность буковых деревьев с ненарушенным водным балансом к восстановлению дает надежду на то, что хотя бы отдельные экстремальные годы могут быть компенсированы в будущем.

Лесоводственные мероприятия: Стратегии на будущее

Климатически адаптированное лесоводство с использованием разнообразных, адаптированных к засухе видов деревьев и увеличение структурного разнообразия за счет различных возрастных классов может замедлить вытеснение бука в результате изменения климата. Однако в связи с быстрыми климатическими изменениями даже те виды деревьев, которые все еще хорошо приспособлены к климатическим условиям, ожидаемым в их местах к середине века, рискуют потерять свою пригодность в отдаленном будущем.

Умеренное прореживание с учетом местных условий может снизить потребление воды. Однако чрезмерное вмешательство может быть контрпродуктивным.

Несмотря на растущие знания об изменении климата и его влиянии на местные виды деревьев, необходимо продолжать исследования адаптированных к климату видов и сортов деревьев. В качестве примера можно привести пробные посадки, проводимые Швейцарским федеральным исследовательским институтом WSL: с осени 2020 года по весну 2023 года совместно с кантональными лесными службами, лесохозяйственными компаниями и лесопитомниками была создана сеть из 57 мест по всей Швейцарии, охватывающая широкий спектр видов и сортов деревьев (рис. 6). Такие проекты вносят важный вклад в разработку стратегий устойчивого лесопользования.

Рис. 6 Тестовый участок проекта «Тестовая посадка устойчивых видов деревьев». Деревья, посаженные на участке с измерительными приборами над озером Маджоре в Тичинов . Фото: Готтардо Песталоцци

Сегодня веб-приложения оказывают ценную поддержку в выборе адаптированных к климату видов деревьев. Такие платформы, как tree-app.ch в Швейцарии или klimafitterwald.at в Австрии, ориентированы именно на практиков лесного хозяйства. Они связывают климатические прогнозы с местным хозяйственным контекстом и, таким образом, позволяют научно обоснованно планировать будущий состав древесных пород. Эти разработки свидетельствуют об огромном прогрессе, достигнутом наукой с 2004 года.

Заключение

Бук останется важным видом деревьев в Центральной Европе и в будущем, но уже не везде, где он встречается сегодня. Затронуты значительные части его основной территории. Интенсивность изменений в значительной степени зависит от фактического хода изменения климата. Особенно важно сделать древостой более устойчивыми к климатическим изменениям с помощью лесоводственных мероприятий, своевременно вводить другие подходящие породы деревьев и учитывать местные условия.

Исследования последних 20 лет значительно улучшили наше понимание реакции бука на изменение климата, и очевидно, что результаты исследования, которое в 2004 году было оценено как очень пессимистичное, в значительной степени подтверждаются современными знаниями. Однако спорная дискуссия того времени стала отправной точкой для интенсивных исследований чувствительности буковых лесов к климату. Сегодня эти исследования позволяют лучше оценивать риски и более целенаправленно адаптировать лесоводческую практику.

Новые веб-приложения помогают принимать решения, соответствующие конкретным условиям. Тем не менее, необходимы дальнейшие исследования, в частности, для изучения адаптированного к климату происхождения и его долгосрочного развития.

Литература

Подробную методологическую информацию и ссылки на литературу можно найти в научной публикации, на которой основана данная статья:

Originalartikel:

Gessler A., Wilhelm M., Brun P., Zimmermann N., Rigling A. (2024) Zurück in die Zukunft – Ein neuer Blick auf die Perspektiven für die Buche nach 20 Jahren Forschung und weiter fortschreitendem Klimawandel. Allg. Forst- Jagdztg. 193(9-12), 206-224.