Table of Contents

Понимание степных экосистем и их глобального значения

Степные среды представляют собой один из наиболее отличительных и экологически значимых биомов Земли. Эти экорегионы характеризуются лугопастбищными равнинами без закрытых лесов, за исключением вблизи рек и озер, создавая обширные открытые ландшафты, которые простираются на нескольких континентах. Травы покрывают примерно 40% площади суши Земли и обеспечивают основные экосистемные услуги, такие как поглощение углерода и поддержка биоразнообразия.

Степи характеризуются полузасушливым или континентальным климатом, в среднем 250–500 мм (10–20 дюймов) годовых осадков и с жарким летом и холодной зимой, когда они расположены в средних широтах.Температурные экстремальные явления могут быть зарегистрированы летом до 45 ° C (115 ° F) и зимой до −55 ° C (−65 ° F). Эти экстремальные условия создают уникальные экосистемы, которые поддерживают специализированные сообщества растений и животных, адаптированные к суровой изменчивости окружающей среды.

К основным степным регионам мира относятся обширная евразийская степь, простирающаяся от Восточной Европы через Центральную Азию, Североамериканские Великие равнины и прерии короткотравника, Патагонская степь в Южной Америке и части Австралии и Африки, каждый из которых играет решающую роль в глобальном биоразнообразии, круговороте углерода и жизнедеятельности человека посредством сельского хозяйства и скотоводства.

Однако эти хрупкие экосистемы все больше подвергаются угрозе двойного давления, обусловленного изменением климата и деятельностью человека. Понимание того, как изменение климата влияет на степные среды, имеет важное значение для разработки эффективных стратегий сохранения и обеспечения непрерывного предоставления жизненно важных экосистемных услуг.

Ускоряющееся воздействие изменения климата на степные регионы

Изменение климата коренным образом изменяет степные экосистемы во всем мире посредством множества взаимосвязанных механизмов. Глобальное изменение климата и деятельность человека значительно изменили динамику лугов, проявляясь как «озеленение» и «выращивание» тенденций в разных регионах. Эти изменения отражают сложные взаимодействия между повышением температуры, изменением структуры осадков и присущей степной растительности к климатической изменчивости.

Недавние исследования показали, что температура была определена как ключевой климатический фактор, способствующий как значительному озеленению, так и потеплению лугов во всем мире. Это открытие подчеркивает центральную роль, которую потепление играет в изменении степных экосистем, хотя конкретные результаты значительно различаются в зависимости от местных условий, особенно наличия воды.

Изменение климата оказывает двойное воздействие на горные луга: в то время как потепление и измененные осадки угрожают многим регионам из-за усиления засухи, оттепели вечной мерзлоты и экстремальных погодных явлений, в некоторых районах может наблюдаться временное повышение производительности при определенных условиях. Эта сложность делает прогнозирование будущих степных условий сложным и подчеркивает необходимость проведения оценок по конкретным регионам.

Повышение температуры и динамика испарения

Повышение глобальных температур оказывает глубокое воздействие на степную среду, в первую очередь, за счет их влияния на водный баланс. Повышение температур приводит к повышению скорости испарения, что снижает доступность влаги в почве даже тогда, когда уровень осадков остается постоянным. Это создает дефицит влаги, который усиливает растительность и изменяет функционирование экосистемы.

В степных районах, где вода уже является ограничивающим фактором, даже умеренное повышение температуры может иметь непропорциональные последствия. Увеличение спроса на испарение приводит к замыканию стомата и снижает усвоение углерода, а в условиях потепления климата продуктивность растительности может снизиться, если влагоустойчивость превысит пороги физиологической толерантности. Этот механизм объясняет, почему многие степные районы испытывают снижение производительности, несмотря на увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, что в противном случае могло бы стимулировать рост растений.

Исследования, проведенные во Внутренней Монголии, показали, что значительное снижение содержания органического вещества в почве было вызвано всего 5 годами умеренного потепления климата ~1,1 ° C, демонстрируя, как быстро потепление может изменить фундаментальные свойства почвы в степных экосистемах. Эта потеря органического вещества почвы оказывает каскадное воздействие на цикличность питательных веществ, способность удерживать воду и общую устойчивость экосистем.

Сдвиг моделей осадков и интенсификации засухи

Изменения в характере осадков представляют собой еще один важный аспект воздействия изменения климата на степи. Глобальные характеры осадков становятся все более неустойчивыми, а засухи и сильные осадки усугубляют эрозию почв и деградацию растительности. Эта повышенная изменчивость создает значительные проблемы для степных экосистем, которые развивались в рамках относительно предсказуемых сезонных циклов осадков.

Чувствительность к изменениям в количестве осадков была связана с наличием местных фоновых вод, таких как среднегодовые осадки и засушливость, а чувствительность к биомассе и производительности была выше в сухих средах обитания, чем в неограниченных водными ресурсами. Это означает, что самые засушливые степные районы часто наиболее уязвимы к изменениям осадков, сталкиваясь с наибольшим риском деградации или трансформации.

В пустынных степных средах, представляющих собой самый сухой конец степного спектра, осадки стали доминирующим фактором контроля, изменчивость которого объясняет около 83% колебаний производительности.Эта крайняя зависимость от осадков делает эти экосистемы особенно уязвимыми к климатическим изменениям в моделях осадков.

Во многих степных районах засуха становится все более частым явлением и носит более серьезный характер. В глобальном масштабе последствия экстремальных засух недооцениваются на лугах и кустарниках, что позволяет предположить, что нынешние оценки могут не в полной мере учитывать уязвимость этих экосистем к воздействию водных ресурсов. Длительные засухи могут привести к гибели растительности, деградации почв и переходу к более засухоустойчивым, но зачастую менее продуктивным растительным сообществам.

Трансформации в составе и структуре сообщества растений

Изменение климата приводит к быстрым и существенным изменениям в составе и структуре сообществ степных растений. Эти преобразования имеют далеко идущие последствия для функционирования экосистем, биоразнообразия и услуг, которые степи предоставляют человеческим обществам.

Быстрые изменения сообщества к более теплым, более дряхлым видам

Одним из наиболее поразительных результатов последних исследований является скорость, с которой сообщества лугов реагируют на изменение климата. Сообщества испытали значительные сдвиги в сторону видов, связанных с более теплыми и сухими местами со скоростью 0,0216 ± 0,00592 ° C yr-1 и −3,04 ± 0,742 мм yr-1, и эти изменения произошли с темпами, аналогичными темпам самого изменения климата.

В отличие от лесных экосистем, которые часто демонстрируют отставание в реакции на изменение климата, лугопастбищные сообщества могут быстрее реагировать на новые климатические условия, поскольку они состоят в основном из недолговечных видов, которые непосредственно подвержены изменению макроклимата. Эта способность быстрого реагирования означает, что степные экосистемы могут претерпевать существенные композиционные изменения всего за несколько лет или десятилетий, а не за столетия, часто необходимые для лесных переходов.

Быстрые изменения в сообществах лугов связаны не только с увеличением количества более жарких и сухих видов, но и с потерей некоторых более холодных и влажных видов. Это двунаправленное изменение может коренным образом изменить структуру и функцию экосистем, что потенциально может привести к сокращению биоразнообразия и изменению экосистемных услуг.

Изменения в C3 и C4 распределения травы

Особенно важным аспектом изменения растительности в степях, обусловленного климатом, являются сдвиги в относительном изобилии трав C3 и C4. Эти два фотосинтетических пути по-разному реагируют на температуру и условия влажности, что делает их распределение чувствительными индикаторами изменения климата.

Фотосинтетическая эффективность трав С4 при высоких температурах выше, чем у трав С3, поэтому во всем мире травы С4 наиболее заметны в тропических и субтропических луговых регионах, а также в самых теплых частях умеренных лугов.По мере повышения температуры травы С4 получают конкурентное преимущество во многих степных регионах.

Исследования, учитывающие влияние изменения климата на функциональные типы С3 и С4, показывают, что повышение температуры и изменение режимов осадков, вероятно, повысят климатическую пригодность для видов С4, в то время как снижение пригодности для видов С3 может иметь каскадные эффекты по всей экосистеме, поскольку различные травоядные и другие организмы имеют различные предпочтения для растительности С3 по сравнению с С4.

Экспериментальные исследования подтвердили эти прогнозы. Длительное потепление и увеличение осадков улучшили покров и высоту растений С4 в растительном сообществе, при этом уменьшив покров и плотность растений С3. Такие изменения изменяют не только визуальный облик степных ландшафтов, но и фундаментальные экосистемные процессы, включая цикличность углерода, эффективность использования воды и качество корма для выпаса животных.

Виды Богатство и разнообразие ответов

Воздействие изменения климата на разнообразие видов в степях является сложным и часто зависит от контекста. Экспериментальные манипуляции показали, что увеличение количества осадков увеличивает богатство видов, в то время как потепление значительно уменьшает богатство видов, и их эффекты были аддитивными, а не интерактивными. Это предполагает, что чистое влияние на разнообразие зависит от баланса между потеплением и изменениями осадков в любом данном регионе.

В некоторых степных системах потепление, как было показано, уменьшает разнообразие, отдавая предпочтение определенным доминирующим видам за счет других.Потепление снижает стабильность устойчивости растительного сообщества, потенциально делая экосистемы более уязвимыми для дальнейших нарушений и менее устойчивыми к колебаниям окружающей среды.

Утрата видового разнообразия в степях имеет последствия, выходящие за рамки проблем сохранения. Различные растительные сообщества, как правило, более продуктивны, более стабильны с течением времени и более устойчивы к нарушениям. Таким образом, снижение разнообразия может поставить под угрозу способность степных экосистем продолжать предоставлять экосистемные услуги в изменяющихся условиях.

Влияние на фауну степей и динамику пищевой сети

Изменение степной растительности, обусловленное изменением климата, неизбежно влияет на сообщества животных, которые зависят от этих лугов. От крупных травоядных до мелких беспозвоночных, степная фауна сталкивается с многочисленными проблемами, поскольку их среда обитания меняется в условиях изменения климата.

Популяции травоядных и диетические сдвиги

Крупные травоядные животные, такие как лошади, крупный рогатый скот, овцы и дикие копытные, исторически сформировали степные экосистемы благодаря своей пастбищной деятельности. Эти животные зависят от конкретных видов растений и растительных структур для питания и среды обитания. Поскольку изменение климата изменяет состав сообщества растений, травоядные должны либо адаптировать свой рацион, изменить свой ареал, либо столкнуться с сокращением популяции.

Переход от С3 к С4 трав в согревающих степях имеет особое значение для травоядных, поскольку эти виды трав отличаются качеством питания, усвояемостью и сезонными моделями роста.Животные, специализирующиеся на конкретных видах растений, могут обнаружить, что их предпочтительный корм уменьшается или исчезает, вызывая диетические сдвиги, которые могут не обеспечивать эквивалентное питание.

Изменения в фенологии растительности — сроки роста и размножения растений — могут создать несоответствие между потребностями травоядных и наличием пищи. Если растения озеленяются ранее весной из-за потепления, но травоядные животные поддерживают традиционные графики миграции или размножения, молодые животные могут пропустить пиковый период питательного нового роста.

Отношения хищника и трофических каскадов

Изменения в популяциях травоядных и их распределении пульсируют вверх через пищевые сети, чтобы повлиять на хищников. Степные хищники, такие как волки, лисы, хищники и различные плотоядные млекопитающие, зависят от стабильных популяций добычи. Климатические сдвиги в численности травоядных или поведении могут дестабилизировать эти отношения хищника с добычей.

Меньшие животные, включая грызунов, птиц-землезубцев и беспозвоночных, также сталкиваются с проблемами, связанными с климатом. Эти виды часто имеют узкие требования к среде обитания и ограниченные способности к рассеиванию, что делает их особенно уязвимыми для быстрых изменений окружающей среды. Их снижение может повлиять на хищников, которые специализируются на них и нарушают экосистемные процессы, такие как рассеивание семян и оборот почвы.

Потеря разнообразия животных может вызвать трофические каскады — цепные реакции через пищевые сети, которые усиливают первоначальное воздействие. Например, если изменение климата уменьшает популяции мелких млекопитающих, которые охотятся на насекомых, популяции насекомых могут взорваться и вызвать увеличение травоядности на растениях, еще больше подчеркивая и без того напряженную климатом растительность.

Фрагментация среды обитания и миграционные барьеры

Многие степные животные исторически реагировали на изменчивость окружающей среды через миграцию, перемещаясь, чтобы отслеживать благоприятные условия через обширные пастбища, однако современная фрагментация ландшафта сельским хозяйством, дорогами и населенными пунктами создает барьеры для этих традиционных моделей движения.

Поскольку изменение климата делает некоторые степные районы менее пригодными, животным необходимо сместить ареалы для отслеживания соответствующих условий. Раздробленные ландшафты предотвращают эти сдвиги ареала, потенциально захватывая популяции в ухудшающиеся среды обитания. Это взаимодействие между изменением климата и фрагментацией среды обитания представляет собой особенно серьезную угрозу для степного биоразнообразия.

Деградация почв и усиление эрозии

Степные почвы представляют собой огромные резервуары органического углерода и питательных веществ, накопленных в течение тысячелетий. Изменение климата угрожает этим почвенным ресурсам с помощью различных механизмов, что может иметь серьезные последствия для функционирования экосистем и глобального круговорота углерода.

Ускоренная потеря почвенной органической материи

Потепление температуры ускоряет микробное разложение почвенного органического вещества, высвобождая накопленный углерод в атмосферу. Потепление увеличило размер популяции микробов и стимулировало разнообразие и сложность сообщества, что привело к более быстрому распаду даже непокорных органических соединений, которые обычно сохраняются в течение десятилетий или столетий.

Это ускоренное разложение создает положительную обратную связь: поскольку углерод почвы выделяется в виде CO2, это способствует дальнейшему потеплению атмосферы, что приводит к дополнительной потере углерода в почве. Для разрыва этой обратной связи требуется либо охлаждение температуры, либо увеличение выбросов углерода в почву за счет повышения производительности растений, но изменение климата часто снижает производительность в степях с ограниченным количеством воды.

Потеря органического вещества почвы ухудшает многие свойства почвы за пределами хранения углерода. Органическое вещество улучшает структуру почвы, водоудерживающую способность, удержание питательных веществ и устойчивость к эрозии. Его истощение делает почвы менее продуктивными и более уязвимыми к деградации.

Повышенный риск эрозии

Результаты указывают на потенциальное будущее глобальное обострение эрозии почв в горных лугах (+2,3%), особенно в Южной Америке (+19,4%) и Африке (+10,0%), а также локализованные горячие точки.

Изменение климата повышает риск эрозии по нескольким направлениям. Сокращение растительного покрова в результате засухи или теплового стресса приводит к тому, что почва подвергается воздействию ветра и водной эрозии. Экстремальные погодные явления, такие как усиление осадков, вызывающих эрозию почвы, и продолжительные засухи наряду с высокими температурами создают условия, особенно способствующие потере почвы.

Ветроэрозия представляет особую озабоченность в степях, где сильные ветры распространены, а растительность может быть редкой. По мере того, как изменение климата уменьшает растительный покров, ветер может легче поднимать и транспортировать частицы почвы, создавая пыльные бури, которые удаляют верхний слой почвы и откладывают его далеко от его происхождения. Этот процесс обедняет районы источника, потенциально вызывая проблемы с качеством воздуха в регионах подветренной погоды.

Эрозия воды усиливается, когда сильные осадки, которые становятся все более распространенными во многих регионах, наносят скудный удар по растительной или деградировавшей почве. Почва не может поглощать воду достаточно быстро, что приводит к стоку, который уносит верхний слой почвы и питательные вещества. Овраги и рилы образуются, фрагментируя ландшафт и ускоряя дальнейшую деградацию.

Оттепель вечной мерзлоты в северных степях

В северных степных районах, особенно на Тибетском плато и в Монголии, оттепель вечной мерзлоты представляет собой дополнительное воздействие изменения климата. Повышение температуры значительно уменьшило толщину вечной мерзлоты, нарушая циклы лугопастбищных вод.

Вечная мерзлота действует как непроницаемый слой, который удерживает воду вблизи поверхности, где растения могут получить к ней доступ. По мере оттаивания вечной мерзлоты вода глубже стекает в профиль почвы, эффективно высушивая поверхностные слои, даже если осадки остаются постоянными. Этот процесс может превратить относительно продуктивные луга в гораздо более сухие, менее продуктивные системы.

Оттепель вечной мерзлоты также выделяет ранее замороженные органические вещества для разложения, создавая еще один источник выбросов парниковых газов. Углерод, хранящийся в степных почвах, подверженных воздействию вечной мерзлоты, может быть значительным, и его высвобождение представляет собой значительную положительную обратную связь с изменением климата.

Нарушение критических экосистемных услуг

Степные экосистемы предоставляют многочисленные услуги, которые приносят пользу как местным общинам, так и глобальной окружающей среде. Изменение климата угрожает этим услугам, что может иметь серьезные последствия для благосостояния человека и качества окружающей среды.

Углеродная секвестрация и регулирование климата

Горные луга выступают в качестве значительных поглотителей углерода, накапливая большое количество органического углерода в своих почвах и растительности, тем самым играя ключевую роль в смягчении изменения климата. Эта функция хранения углерода распространяется и на низменные степи, которые в совокупности хранят огромное количество углерода во всем мире.

Однако изменение климата угрожает превращением степей из поглотителей углерода в источники углерода. Прямая деятельность по управлению человеком моделируется таким образом, что луга переходят из раковины в источник парниковых газов из-за увеличения численности скота и ускоренного преобразования природных земель в пастбища. В сочетании с последствиями изменения климата этот сдвиг может значительно ускорить накопление CO2 в атмосфере.

Бассейны покрывают приблизительно 40% земной поверхности Земли, являются значительными источниками и поглотителями парниковых газов и способствуют смягчению последствий изменения климата за счет заметного и расширяющегося потенциала по поглощению углерода и сокращению выбросов.Охрана этого потенциала требует поддержания здоровых степных экосистем, способных продолжать накопление углерода, несмотря на изменение климатических условий.

Регулирование водных ресурсов и защита водосборных бассейнов

Здоровая степная растительность и почвы регулируют водные потоки, снижая пики наводнений при обильных осадках и поддерживая потоки ручьев в сухие периоды. Корни растений и почвенное органическое вещество действуют как губки, поглощая воду и постепенно высвобождая ее. Эта служба регулирования становится все более ценной, поскольку изменение климата усиливает изменчивость осадков.

Деградированные степи теряют эту способность регулировать воду. Сокращение растительного покрова и истощение органического вещества почвы означают, что осадки быстро утекают, а не проникают. Это создает двойную проблему: увеличение наводнений во время штормов и снижение доступности воды во время засухи. Потоки сообществ, которые зависят от степных водосборных бассейнов для водоснабжения, сталкиваются с растущими проблемами, поскольку эти экосистемы ухудшаются.

В полузасушливых регионах наличие влаги является основным фактором, определяющим активность растительности, при этом продуктивность растений напрямую зависит от наличия воды, а не от температурных ограничений. Эта тесная связь между водой и продуктивностью означает, что любые изменения в доступности воды, обусловленные климатом, быстро распространяются по всей экосистеме.

Производство кормов и поддержка животноводства

Миллионы людей во всем мире зависят от степных пастбищ для животноводства. Эти экосистемы обеспечивают корм для крупного рогатого скота, овец, коз, лошадей и других домашних животных, которые поставляют мясо, молоко, шерсть и другие продукты. Изменение климата угрожает этой пастбищной экономике за счет снижения продуктивности и качества корма.

По мере того, как степи становятся суше и жарче, производительность растений часто снижается, сокращая пропускную способность для скота. Скотоводы должны либо сокращать численность животных, дополнять их закупаемым кормом, либо рисковать перевыпасом, что ускоряет деградацию. Каждый вариант накладывает экономические издержки и угрожает традиционным средствам к существованию.

Изменения в составе видов растений также влияют на качество корма. Сдвиг в сторону более засухоустойчивых видов может благоприятствовать растениям, которые менее вкусны или питательны для скота. Увеличение обилия древесных кустарников в некоторых деградирующих степях уменьшает площадь, доступную для выпаса скота, и может коренным образом изменить характер ландшафта.

Сохранение биоразнообразия

Steppes harbor unique biodiversity adapted to grassland conditions. Many steppe species exist nowhere else and face extinction if their habitats disappear. Climate change compounds other threats to steppe biodiversity including habitat conversion, overgrazing, and invasive species.

В Евразийской степи наблюдается сокращение биоразнообразия, непосредственно связанное с изменением климата. Эта утрата биоразнообразия представляет собой не только этическую проблему, но и практическую проблему, поскольку разнообразные экосистемы, как правило, более устойчивы и лучше способны поддерживать функционирование в условиях стресса.

Защита степного биоразнообразия требует сохранения больших, связанных между собой районов подходящей среды обитания. По мере изменения климатических зон виды должны иметь возможность перемещаться для отслеживания соответствующих условий. Поэтому стратегии сохранения должны быть сосредоточены на связности ландшафтного масштаба и защите климатической рефугии - областей, которые, вероятно, останутся подходящими даже при изменении окружающих регионов.

Региональные изменения в воздействии изменения климата

Хотя изменение климата влияет на степи во всем мире, конкретные воздействия значительно различаются между регионами в зависимости от местных климатических условий, типов почв, топографии и истории землепользования. Понимание этих региональных различий имеет важное значение для разработки соответствующих стратегий адаптации.

Евразийская степь

Евразийская степь, простирающаяся от Восточной Европы через Центральную Азию до Монголии и северного Китая, представляет собой крупнейшую в мире непрерывную лугопастбищную систему, которая сталкивается с особенно серьезными последствиями изменения климата из-за быстрого потепления в средних широтах и увеличения изменчивости осадков.

В регионе Внутренняя Монголия экспериментальные исследования зафиксировали быстрые экосистемные реакции на потепление и измененные осадки. Пустынная степь с более низкой продуктивностью может сильно реагировать на изменения осадков, особенно с потеплением, подчеркивая положительный эффект добавления воды с потеплением. Это говорит о том, что самые сухие участки Евразийской степи особенно уязвимы к изменению климата.

Загрязнение, усиление засухи, более частые и интенсивные лесные пожары, эрозия почв, изменения растительности и упадок вечной мерзлоты - все это изменения в степях, которые являются результатом глобального изменения климата. Евразийская степь испытывает все эти воздействия, что делает ее критическим регионом для исследований изменения климата и адаптационных усилий.

Североамериканские Великие равнины

Североамериканские Великие равнины, включая прерию короткотравника и прерию смешанного травы, сталкиваются с последствиями изменения климата, несколько отличными от тех, которые затрагивают Евразию.Проекции обычно указывают на потепление и повышенную изменчивость осадков, причем некоторые модели предполагают общую сушку в южных частях и потенциальное смачивание в северных районах.

Великие равнины уже испытали значительные изменения в землепользовании, при этом большая часть местных прерий превратилась в пахотные земли. Оставшиеся луга сталкиваются с комбинированным давлением изменения климата и продолжающимся давлением конверсии. Раздробленная природа оставшихся прерий затрудняет для видов сдвиг диапазонов в ответ на изменение климата.

Исследования в калифорнийских лугах показали, что лугопастбищное сообщество смещается в сторону видов, связанных с более теплыми и сухими условиями, темпами, которые согласуются с изменением климата.В то время как калифорнийские луга отличаются от степей Великих равнин, эта способность быстрого реагирования, вероятно, относится к североамериканским лугам в целом.

Тибетское плато Альпийские степи

Высоковысотные степи Тибетского нагорья сталкиваются с уникальными проблемами изменения климата. К концу 21-го века прогнозируется, что среднегодовая температура и осадки на Тибетском нагорье увеличатся на 2,8-4,9 °C и 15-21% соответственно. Это представляет собой одни из самых быстрых потеплений, прогнозируемых в любой точке Земли.

Альпийская степь долгое время считалась одной из высокогорных экосистем, наиболее уязвимых к изменению климата.Сочетание быстрого потепления, оттепели вечной мерзлоты и измененных осадков создает множество стрессоров, которые бросают вызов устойчивости экосистем.

Интересно, что потепление плюс увеличение количества осадков смягчило уменьшение микробного разнообразия и увеличило различия в структурах микробных сообществ, в значительной степени под влиянием наличия воды и субстрата. Это говорит о том, что увеличение количества осадков может частично компенсировать последствия потепления в некоторых степях Тибетского плато, хотя общая траектория остается относительной.

Южноамериканские пампасы и Патагонская степь

В условиях изменения климата луга Южной Америки сталкиваются с особенно серьезными рисками эрозии. Результаты указывают на потенциальное в будущем глобальное обострение эрозии почв в горных лугах, особенно в Южной Америке (+19,4%). Эта повышенная уязвимость отражает сочетание крутой топографии в некоторых районах, интенсивных осадков и широкого использования земель для животноводства.

Патагонский степной район, один из крупнейших в мире полузасушливых лугов, сталкивается с возрастающим засухоустойчивым стрессом и риском опустынивания. Особую озабоченность в этом регионе вызывает ветроэрозия, где сильные ветры и редкая растительность создают благоприятные условия для потери почвы.

Измененные режимы пожаров и их последствия

Огонь исторически играл важную роль во многих степных экосистемах, поддерживая доминирование лугов, предотвращая посягательство древесных растений и переработку питательных веществ. Изменение климата изменяет режимы пожара таким образом, что может принести пользу или нанести вред степным экосистемам в зависимости от конкретных изменений.

Повышенная частота и интенсивность огня

Более теплые температуры, пониженная влажность и более длительные сухие сезоны создают условия, более благоприятные для возгорания и распространения огня. Многие степные районы испытывают повышенную частоту и интенсивность огня в результате. В то время как луга, как правило, адаптированы к пожару, чрезмерно частые или интенсивные пожары могут повредить почвы, убить чувствительные к пожару виды и изменить структуру экосистемы.

Интенсивные пожары могут испарять почвенный азот и другие питательные вещества, снижая плодородие почвы. Они также могут повредить структуру почвы и создать гидрофобные слои, которые уменьшают инфильтрацию воды. В крайних случаях повторные интенсивные пожары могут вызвать превращение из пастбищ в кустарники или даже голую землю.

Пожары в течение вегетационного периода могут убивать активно растущие растения и наносить ущерб корневым системам, в то время как пожары в период покоя обычно наносят меньший вред. Изменение климата может изменить сезоны пожаров таким образом, что это увеличит ущерб растительности и почвам.

Подавление огня и посягательство Вуди

Парадоксально, но некоторые степные регионы испытывают снижение частоты пожаров из-за снижения топливных нагрузок от перевыпаса или снижения продуктивности, вызванного засухой.Без регулярного огня древесные растения могут вторгаться в луга, превращая открытые степи в кустарники или саванны.

Это посягательство на древесину представляет собой фундаментальное изменение состояния экосистемы, которое может быть трудно или невозможно обратить вспять. Крупянистые земли поддерживают различные растительные и животные сообщества, чем луга, и предоставляют различные экосистемные услуги. Потеря открытой среды обитания лугов угрожает видам, специализирующимся на степных условиях.

Изменение климата может способствовать посягательству на древесину с помощью нескольких механизмов, выходящих за рамки снижения частоты пожаров. Повышенный уровень СО2 в атмосфере благоприятствует древесным растениям по сравнению с травами. Измененные модели осадков могут создать окна возможностей для создания древесных саженцев. После создания древесные растения трудно удалить, даже если частота пожара впоследствии увеличивается.

Взаимодействие между изменением климата и другими факторами стресса

Изменение климата не действует изолированно, а взаимодействует с другими антропогенными факторами стресса, влияющими на степные экосистемы. Понимание этих взаимодействий имеет решающее значение для эффективного управления и сохранения.

Перепасы и деградация земель

Почти 50% глобального лугопастбищного региона подверглось некоторой степени деградации, при этом некоторые естественные луга исчезли из-за преобразования земель и другого неправильного управления.Оверграцирование является одной из основных причин этой деградации, а изменение климата усугубляет ее последствия.

Когда изменение климата снижает продуктивность кормов, сохранение того же количества скота приводит к более высокому давлению на оставшуюся растительность, что может вызвать нисходящую спираль: уменьшение растительного покрова приводит к увеличению эрозии почвы и уменьшению инфильтрации воды, что еще больше снижает производительность, что требует еще большего снижения темпов заготовки или рискует полной деградацией.

Изменение климата является главным образом причиной деградации пастбищ, хотя конкретные механизмы в разных регионах различаются. В некоторых районах изменение климата непосредственно снижает производительность за счет засухи или теплового стресса. В других оно действует косвенно, делая экосистемы более уязвимыми для воздействия выпаса скота или других нарушений.

Сельскохозяйственная конверсия и фрагментация среды обитания

Преобразование родных степей в пахотные земли привело к ликвидации обширных лугов во всем мире. Оставшиеся степные фрагменты сталкиваются с повышенной уязвимостью к изменению климата, поскольку фрагментированные популяции сократили генетическое разнообразие и ограниченную способность изменять диапазоны в ответ на изменение условий.

Изменение климата может усилить давление на преобразование сельского хозяйства в некоторых регионах, поскольку фермеры ищут новые районы, пригодные для растениеводства. И наоборот, изменение климата может сделать некоторые нынешние пахотные земли менее продуктивными, создавая возможности для восстановления пастбищ, если существуют соответствующие политика и стимулы.

Взаимодействие фрагментации и изменения климата создает особые проблемы для сохранения. Охраняемые территории, созданные в нынешних климатических условиях, могут стать климатически непригодными для видов, для защиты которых они были предназначены. Сохранение связи между охраняемыми территориями позволяет видам смещать ареалы, но это становится все более трудным в фрагментированных ландшафтах.

Инвазивные виды

Изменение климата может способствовать вторжениям неместных видов, которые находят новые подходящие условия в степях. Инвазивные растения часто имеют черты, которые позволяют им использовать нарушенные или стрессовые условия, давая им преимущества в условиях, измененных климатом.

Некоторые инвазивные виды изменяют режимы пожаров, циклы питательных веществ или другие экосистемные процессы таким образом, что еще больше способствуют их доминированию и невыгодному положению местных видов. После установления инвазивные виды могут быть чрезвычайно трудными и дорогостоящими для контроля, представляя собой постоянное наследие последствий изменения климата.

Сочетание изменения климата, изменения землепользования и инвазивных видов может вызвать изменения состояния экосистемы, которые сохраняются, даже если климатические условия впоследствии стабилизируются. Предотвращение таких необратимых изменений требует активного управления, которое одновременно устраняет несколько стрессоров.

Стратегии адаптации и управленческие ответы

Хотя изменение климата создает серьезные проблемы для степных экосистем, различные стратегии адаптации могут помочь поддерживать функционирование экосистем и их обслуживание. Эффективные меры реагирования требуют сочетания научного понимания с практическим управлением и политическими действиями.

Адаптивное управление выпасом

Корректировка управления животноводством с учетом изменения климата представляет собой важнейшую стратегию адаптации, которая включает в себя сокращение показателей запасов во время засухи, осуществление ротационного выпаса скота для восстановления растительности и сопоставление типов животных с изменяющимися условиями кормления.

Исследования показали, что оптимальная практика управления пастбищами должна одновременно удовлетворять требованиям сокращения выбросов парниковых газов, поддержания биологического разнообразия и обеспечения производительности. Достижение этого баланса требует гибкого управления, которое реагирует как на долгосрочные климатические тенденции, так и на краткосрочную изменчивость погоды.

Традиционные пастырские знания часто включают стратегии борьбы с изменчивостью климата, которые остаются актуальными в условиях изменения климата. Сочетание этих традиционных знаний с научным пониманием может привести к тому, что подходы к управлению лучше подходят для местных условий, чем любой из подходов в одиночку.

Восстановление и реабилитация

Стратегии повышения эффективности управления горными пастбищами, в частности ориентированные на решение проблем природы, направленные на сохранение их бесценных услуг в области культурных экосистем в условиях изменения климата, применимы и к низменным степям.

Усилия по восстановлению должны учитывать изменение климата путем выбора видов растений и подходов к управлению, подходящих для будущих, а не прошлых условий. Это «климатически разумное восстановление» может включать использование источников семян из более теплых или более сухих районов, благоприятствуя засухоустойчивым видам или созданию разнообразных насаждений, которые обеспечивают устойчивость по целому ряду потенциальных будущих условий.

Восстановление почв представляет собой особенно важный компонент степной реабилитации. Восстановление почвенного органического вещества улучшает водосберегающие способности, доступность питательных веществ и хранение углерода. Методы включают сокращение обработки почвы, поддержание растительного покрова, добавление органических поправок и управление выпасом скота для содействия росту корней.

Защищенные сети и соединения

Расширение и соединение охраняемых районов позволяет видам изменять диапазоны в ответ на изменение климата. Приоритет должен быть отдан защите климатической рефугии - областей, которые, вероятно, останутся пригодными для степных видов, даже когда окружающие регионы меняются - и коридоров, соединяющих эти рефугии.

В рамках проекта охраняемых районов необходимо учитывать будущие климатические условия, а не только текущие распределения. Моделирование климатической оболочки может выявить районы, которые могут обеспечить подходящие условия для ключевых видов в различных климатических сценариях, определяя стратегические инвестиции в сохранение.

Эффективная защита требует не только определения охраняемых районов, но и надлежащего управления ими. Это может включать в себя контроль за инвазивными видами, поддержание соответствующих пожарных режимов, управление выпасом скота и мониторинг экосистемных ответных мер на изменение климата.

Изменение климата через управление пастбищами

Хотя адаптация помогает экосистемам справиться с неизбежным изменением климата, смягчение последствий — сокращение выбросов парниковых газов — по-прежнему имеет важное значение для ограничения будущих воздействий. Степные экосистемы могут способствовать смягчению последствий за счет усиления поглощения углерода.

Улучшение управления пастбищами, восстановление деградировавших районов и защита оставшихся лугов могут привести к увеличению объема углеродных запасов. Странам следует оценивать не только бюджеты на выбросы парниковых газов на управляемых пастбищах, но и поглотители/источники малонаселенных пастбищ, степей, тундры и природных лугопастбищных систем.

Предотвращение дальнейшей деградации и преобразования степей позволяет избежать выбросов в результате потери углерода в почве и сохранить существующие запасы углерода. Учитывая обширную площадь глобальных лугов и их существенное хранение углерода, защита этих экосистем представляет собой значительную возможность для смягчения последствий изменения климата.

Мониторинг и исследования

Эффективная адаптация требует понимания того, как экосистемы реагируют на изменение климата и работают ли меры управления. Долгосрочные программы мониторинга предоставляют важные данные для отслеживания изменений и оценки ответных мер.

Решение этих проблем посредством исследований, научных исследований и управления земельными ресурсами имеет решающее значение для разработки стратегий адаптивного управления степными экосистемами во всем мире.Приоритеты исследований включают понимание пороговых значений и переломных моментов, выявление климатических рефугий, разработку адаптированных к климату методов восстановления и оценку эффективности различных подходов к управлению.

Гражданская наука и мониторинг с участием общественности могут расширить географический охват и временные масштабы мониторинга, одновременно привлекая местные общины к усилиям по сохранению. Сочетание научного мониторинга с традиционными экологическими знаниями обеспечивает более полную картину изменений экосистем.

Будущее и потребности в исследованиях

Будущее степных экосистем в условиях изменения климата остается неопределенным в зависимости как от масштабов будущего потепления, так и от эффективности усилий по адаптации и смягчению последствий, однако нынешние тенденции и прогнозы дают важную информацию о вероятных траекториях и критических пробелах в знаниях.

Прогнозируемые изменения и неопределенности

Климатические модели обычно предполагают продолжение потепления и увеличение изменчивости осадков в большинстве степных регионов. Масштабы изменений значительно различаются между сценариями в зависимости от будущих выбросов парниковых газов. В сценариях с высоким уровнем выбросов многие степные регионы могут испытать повышение температуры на 3-5 ° C или более к концу века, что имеет глубокие последствия для структуры и функционирования экосистем.

Прогнозы осадков показывают большую неопределенность, чем прогнозы температуры, при этом различные модели иногда расходятся во мнениях о том, станут ли конкретные регионы более влажными или более сухими. Эта неопределенность усложняет планирование адаптации, поскольку доступность воды часто является основным ограничивающим фактором для степных экосистем.

Экстремальные явления — засухи, тепловые волны, сильные штормы — могут увеличиваться в частоте и тяжести даже больше, чем изменения в средних условиях.Эти крайности могут вызвать резкие изменения экосистем и превышать адаптивную способность видов и экосистем.

Критические пробелы в исследованиях

Несмотря на растущее внимание к исследованиям, сохраняются значительные пробелы в знаниях о воздействии изменения климата на степи. Понимание пороговых значений экосистем и переломных моментов - условий, в которых экосистемы подвергаются быстрым, потенциально необратимым изменениям - представляет собой критическую потребность. Определение этих пороговых значений позволит руководителям осуществлять превентивные меры до пересечения пунктов невозврата.

Интерактивные эффекты множественных стрессоров требуют дальнейшего изучения. Большинство исследований рассматривает изменение климата в изоляции или в сочетании с одним другим фактором, но реальные экосистемы сталкиваются с одновременным давлением изменения климата, изменения землепользования, инвазивных видов, загрязнения и других стрессоров. Понимание того, как эти факторы взаимодействуют, чтобы повлиять на траектории экосистем, имеет важное значение для эффективного управления.

Наземные процессы — динамика корней, сообщества почвенных микробов, циклическое питание — получают меньше внимания к исследованиям, чем наземная растительность, но играют решающую роль в функционировании экосистем и обратной связи с климатом. Расширение исследований этих скрытых компонентов степных экосистем улучшит понимание и прогнозирование последствий изменения климата.

Долгосрочные эксперименты и программы мониторинга предоставляют бесценные данные об экосистемных реакциях на изменение климата.Расширение географического охвата и продолжительности таких программ, обеспечивая при этом доступность данных и интеграцию, является важным приоритетом исследований.

Путь вперед

Защита степных экосистем в условиях изменения климата требует скоординированных действий в различных масштабах и секторах. Международное сотрудничество может способствовать обмену знаниями, координации усилий по мониторингу и решению трансграничных проблем сохранения. Национальная политика должна признавать ценность экосистемных услуг, предоставляемых степями, и создавать стимулы для устойчивого управления.

Местные общины и землеустроители должны иметь знания, ресурсы и полномочия для внедрения адаптивного управления. Нисходящие подходы к сохранению часто терпят неудачу без участия местных жителей. И наоборот, местные усилия выигрывают от научной поддержки и политических рамок, которые позволяют адаптацию, а не ограничивают ее.

В конечном счете, ограничение изменения климата посредством быстрого сокращения выбросов остается наиболее важным действием для защиты степей и всех экосистем. Хотя адаптация может помочь экосистемам справиться с некоторой степенью изменения климата, существуют пределы для адаптации. Помимо определенных порогов потепления и изменения окружающей среды, многие степные экосистемы могут трансформироваться в принципиально разные системы или полностью разрушаться.

Основные вызовы и угрозы для степных экосистем

Совокупное воздействие изменения климата на степные среды создает сложную сеть взаимосвязанных проблем. Понимание этих угроз в их совокупности помогает определить приоритеты действий по сохранению и управлению.

  • Увеличение эрозии почвы: Ветер и водная эрозия усиливаются по мере снижения растительного покрова и экстремальных погодных явлений, которые становятся более распространенными, удаляя плодородный верхний слой почвы и ухудшая производственные мощности.
  • Потеря местных видов растений: Изменение климата благоприятствует некоторым видам по сравнению с другими, что потенциально приводит к локальному вымиранию видов, неспособных адаптироваться или мигрировать достаточно быстро, чтобы отслеживать подходящие условия.
  • Упадок популяций животных: Травоядные, хищники и другие виды фауны сталкиваются с потерей среды обитания, нехваткой продовольствия и нарушенными экологическими отношениями по мере трансформации растительных сообществ.
  • Изменение пожарных режимов: Изменения частоты, интенсивности и сезонности пожаров могут смещать экосистемы в сторону различных состояний, иногда в пользу древесного вторжения или инвазивных видов.
  • Сокращение поглощения углерода: Деградированные степи теряют способность хранить углерод, потенциально переходя от поглотителей углерода к источникам углерода и создавая положительные отзывы к изменению климата.
  • Уменьшение регулирования воды: Потеря растительности и органического вещества почвы снижает способность степей поглощать и медленно выделять воду, увеличивая риски наводнений и засухи.
  • Снижение продуктивности кормов: Климатический стресс снижает количество и качество кормов, доступных для скота, угрожая скотоводческим средствам к существованию и продовольственной безопасности.
  • Деградация вечной мерзлоты: В северных регионах таяние вечной мерзлоты нарушает гидрологию, выделяет накопленный углерод и дестабилизирует почвы.
  • Изменения состояния экосистемы: Накопительные напряжения могут вызвать переходы от пастбищ к кустарникам, голой земле или другим альтернативным состояниям, которые может быть трудно или невозможно обратить вспять.
  • Снижение устойчивости: Изменение климата и другие стрессоры разрушают способность степных экосистем восстанавливаться после возмущений, делая их все более уязвимыми для коллапса.

Вывод: необходимы срочные меры по сохранению степей

Изменение климата представляет собой экзистенциальную угрозу для степных экосистем во всем мире. Эти обширные луга, которые сохранялись на протяжении тысячелетий и поддерживают уникальное биоразнообразие, предоставляя необходимые экосистемные услуги, сталкиваются с беспрецедентными проблемами, связанными с повышением температуры, изменением характера осадков и увеличением изменчивости климата.

Последствия уже очевидны: изменение сообществ растений, снижение биоразнообразия, ускоренная деградация почв и нарушение экосистемных услуг. Примерно 55,0% пастбищ были деградированы в период с 2000 по 2019 год в некоторых регионах, что свидетельствует о масштабах и срочности проблемы.

Тем не менее, будущее степей не предопределено. Эффективные стратегии адаптации, включая улучшение управления выпасом, восстановление деградированных районов, защиту нетронутых лугов и поддержание ландшафтной связи, могут помочь этим экосистемам сохраняться в изменяющихся условиях. Сочетание научных знаний с традиционным экологическим пониманием и местным участием предлагает лучший путь вперед.

Самое главное, что ограничение масштабов изменения климата за счет быстрого сокращения выбросов парниковых газов остается существенным. Хотя степи демонстрируют некоторую способность адаптироваться к умеренному изменению климата, существуют пределы, за которыми адаптация становится невозможной. Защита этих незаменимых экосистем требует как помощи им в адаптации к неизбежным изменениям, так и предотвращения наиболее серьезных климатических сценариев посредством амбициозных действий по смягчению последствий.

Ставки выходят за рамки самих степных экосистем. Эти луга хранят огромное количество углерода, регулируют потоки воды, поддерживают миллионы средств к существованию и обеспечивают уникальное биоразнообразие. Их судьба в условиях изменения климата значительно повлияет на глобальный циклон углерода, региональные климатические модели, продовольственную безопасность и результаты сохранения. Инвестиции в сохранение степей и устойчивое управление представляют собой не просто экологический императив, но стратегическую необходимость для благополучия человека в меняющемся климате.

Для получения дополнительной информации об экосистемах пастбищ и изменении климата посетите Продовольственные и сельскохозяйственные ресурсы лугов Организации . Чтобы узнать о стратегиях сохранения, изучите работу Международного союза по сохранению лугов природы . Дополнительные исследования по воздействию на климат можно найти через Межправительственную группу экспертов по изменению климата .