Искусственные ручьи показывают, как засуха влияет на альпийские экосистемы Калифорнии
Сеть искусственных ручьев помогает ученым понять, как горные водотоки Калифорнии и зависящие от них экосистемы могут пострадать от более теплого и сухого климата.
В течение следующего столетия изменение климата, как ожидается, приведет к уменьшению снегопадов в Сьерра-Неваде. Меньшие снежные запасы в сочетании с более теплыми условиями сместят ежегодное таяние снега на более ранний срок, оставив меньше воды для питания ручьев и рек в жаркие летние месяцы. К 2100 году прогнозируется, что горные ручьи достигнут своих ежегодных базовых, или «низкоуровневых», условий в среднем на шесть недель раньше, чем сейчас.
В новом исследовании ученые из Калифорнийского университета в Беркли использовали серию из девяти искусственных русел у Конвикт-Крик в Маммот-Лейкс, Калифорния, чтобы смоделировать поведение истоков ручьев в современных условиях и в сценариях будущего изменения климата. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В течение лета исследователи наблюдали за популяциями водорослей, водных насекомых и других организмов, растущих в искусственных руслах и вокруг них. Они обнаружили, что смещение сроков низкоуровневых условий также сдвинуло жизненные циклы многих из этих организмов и относительное обилие разных видов. Это также привело к почти двукратному увеличению численности комаров-звонцов, доминирующей группы насекомых.
Однако, поскольку виды адаптировались к изменениям по-разному, экосистемы ручьев в целом оказались устойчивыми к меняющимся условиям.
«Мы были удивлены, увидев такой ясный пример того, как биоразнообразие может стабилизировать экосистемы», — сказал первый автор исследования Кайл Лезерс, аспирант лаборатории Рухи в UC Berkeley.
«Это похоже на сбалансированный инвестиционный портфель — поскольку разные виды по-разному реагируют на потепление, чем больше видов в реке, тем больше вероятность, что потепление не окажет резкого воздействия на ключевой для более широкой пищевой сети процесс в экосистеме».
Изменение ритма сезонов
Экосистемные процессы следуют естественным сезонным ритмам, и животные, растения и другие организмы адаптированы к этим сезонным изменениям. Например, водные насекомые расселяются, размножаются и растут по фиксированным временным графикам развития — и их успех зависит от таких факторов, как температура воды и доступность питательных веществ. Их хищники, в свою очередь, ожидают обилия насекомых в определенное время года.
Лезерс и старший автор исследования Альберт Рухи, доцент кафедры экологии, политики и менеджмента в UC Berkeley, хотели понять, как более ранние низкоуровневые условия в ручьях могут повлиять на эти естественные ритмы.
«Когда вы изучаете только годовые средние значения, вы можете не получить полной картины, потому что важные изменения происходят в гораздо более мелком масштабе», — сказал Рухи.
Система искусственных русел, поддерживаемая Лабораторией водных исследований Сьерра-Невады Калифорнийского университета, стала идеальным местом для изучения этих изменений мелкого масштаба. Изначально построенные исследователями из Службы охраны рыбных ресурсов и дикой природы США, каналы отводят проточную воду из близлежащего Конвикт-Крик. Каждое из девяти русел имеет длину 50 метров и ширину 1 метр — примерно размер небольшого горного ручья — и оснащено шлюзом для контроля расхода воды.
Открытые русла позволяют естественным образом заселяться насекомым, водорослям и другим организмам. Они также отражают естественные колебания температуры, растворенного кислорода и других переменных — все это можно отслеживать с помощью современных датчиков.
«В таком масштабе это единственная система, которая использует естественную, а не рециркулируемую воду, причем вода поступает от фактического таяния снега в водосборном бассейне», — сказал Рухи. «Мы могли бы провести аналогичное исследование, сравнивая засушливые и влажные годы в естественных водотоках, но в природе почти невозможно иметь девять близлежащих, идентичных ручьев, где одни находятся в условиях низкого расхода, а другие — нет».
Летом 2019 года исследователи установили три из девяти русел в режим низкого расхода, начиная с начала августа (обычное время для этого региона). Еще три русла были переведены на низкий расход на три недели раньше, в начале июля, а последние три — на шесть недель раньше, в середине июня.
По мере развития лета Лезерс и другие члены исследовательской группы периодически измеряли различные параметры русел: от температуры воды и уровня растворенного кислорода до количества насекомых. Они обнаружили, что русла почти сразу отреагировали на условия низкого расхода повышением температуры воды, изменениями в метаболизме водорослей и более ранним вылетом насекомых.
Эти сдвиги могут иметь серьезные последствия не только для рыб, но и для наземных хищников, таких как птицы, летучие мыши и ящерицы, которые полагаются на вспышки численности водных насекомых в качестве пищи. Например, всплеск численности комаров-звонцов привлек близлежащих пивных трупиалов, которые собирали питательных насекомых, чтобы кормить своих птенцов.
«Примечательно, что, несмотря на стабильность на широком экосистемном уровне, даже незначительные изменения могут иметь последствия», — сказал Рухи. «Мы не ожидали, что раннее таяние снега будет контролировать обилие метаморфизирующих водных насекомых, приводя к более ранним и многочисленным всплескам летающих насекомых, которые, в свою очередь, привлекают прибрежных птиц. Такую связь между экосистемами мы просто не могли предвидеть, и мы никогда не смогли бы зафиксировать ее в лабораторных условиях. Это подчеркивает, что время решает все».
Лаборатория Рухи сейчас расширяет эту работу, чтобы понять, как изменение климата может привести к несоответствиям — или новым соответствиям — в водных пищевых сетях.
«Экологи часто думают, что изменение климата приводит к несоответствию хищник-жертва, потому что хищники и их добыча смещают свои жизненные циклы с разной скоростью или даже в разных направлениях, что приводит к голоданию хищников», — сказал Лезерс. «Понятие новых соответствий, возможно, недооценено, но важно».