Январские оттепели и мартовские заморозки: Как растения переживают переход от зимы к весне
Погода в США последние месяцы напоминает американские горки. Декабрь и январь были значительно теплее средних значений во многих регионах, за чем последовала февральская волна сильных холодов и резкое потепление.
Растения, такие как сирень, способны выдерживать такие экстремальные перепады. Исследования показывают, как изменение климата влияет на сезонные события в жизненных циклах растений, птиц и насекомых. Виды эволюционировали, чтобы справляться с изменчивой погодой, но потепление климата нарушает погодные паттерны и испытывает способность многих видов адаптироваться.
Устойчивость к холоду
В суровые зимние дни, когда температура далеко ниже нуля, деревья и кустарники вынуждены оставаться на месте. Их ткани (стволы, ветви, корни) остаются живыми. Как они выживают?
Осенью древесные растения в Северной Америке начинают готовиться к зиме. Когда листья меняют цвет и опадают, их ветви и стволы начинают терять воду. В результате клетки содержат более высокие концентрации сахаров, солей и органических соединений.
Это понижает точку замерзания клеток и тканей, позволяя им выживать при температурах значительно ниже нормальной точки замерзания воды. Однако у этого механизма есть пределы, поэтому экстремальные холода всё ещё могут убивать некоторые растения.
Корни деревьев и кустарников зимой в основном остаются неактивными, полагаясь на изоляцию от снега и почвы для защиты. Температура почвы вокруг корней обычно остается на уровне или выше нуля. Почва, опавшие листья и снежный покров изолируют землю над корнями и предотвращают потерю тепла.
Неожиданная опасность весенних заморозков
После зимних холодов ранняя весна приносит новые угрозы. Растениям нужно распускать листья как можно раньше, чтобы максимально использовать вегетационный период. Однако это связано с закачкой воды в развивающиеся листья, что снижает концентрацию защитных соединений в тканях и лишает их зимней защиты от холода.
Каждый вид имеет характерное время распускания листьев. Ранние виды, такие как черника и ивы, — азартные игроки. Поздние виды, такие как дуб и сосна, — осторожные и консервативные типы. Для любого вида слишком раннее распускание — это риск, так как поздние заморозки могут повредить или убить молодые листья.
Цветы также уязвимы для непредсказуемых весенних заморозков, поскольку содержат много воды. Если мороз убьет цветки плодовых деревьев, таких как яблони, позже летом они не дадут плодов. Поздние заморозки также могут привести к разочаровывающе короткому периоду цветения у раннецветущих декоративных растений, таких как форзиция и магнолия.
Сигналы пробуждения растений
Чтобы защититься от мороза и при этом использовать весь вегетационный период, деревья и кустарники выработали три способа определить, когда начинать рост весной.
- Потребность в зимнем охлаждении: растения сохраняют зимний покой до тех пор, пока не подвергнутся воздействию определенного количества холодных зимних дней. Это помогает им избежать распускания листьев или цветения в аномально теплые периоды в середине зимы.
- Потребность в весеннем потеплении: рост стимулируется после определенного количества теплых дней весной. Это помогает им начать расти, как только станет достаточно тепло.
- Фотопериодическая реакция: некоторые растения реагируют на продолжительность светового дня в течение 24 часов. Это готовит их к распусканию листьев по мере того, как дни становятся длиннее и теплее весной. Например, у бука есть и потребность в потеплении, и фотопериодическая реакция, но температурный фактор сильнее, поэтому они начинают расти после всего нескольких теплых дней в конце весны.
Интересно, что североамериканские деревья, такие как красный клен и черная береза, более осторожны и консервативны, чем европейские и восточноазиатские. Погода в восточной части Северной Америки более изменчива, а угроза поздних весенних заморозков здесь выше. В результате североамериканские деревья эволюционировали, чтобы распускать листья на несколько недель позже, чем сопоставимые деревья из Европы и Восточной Азии.
Изменение климата нарушает сигналы
Растения очень чувствительны к температурным сигналам, поэтому потепление, вызванное изменением климата, затрудняет многим видам перенос зимних холодов и весенних заморозков.
- По мере того как весенние температуры становятся теплее, чем в прошлом, деревья, такие как яблони и груши, могут реагировать, распуская листья и цветя на несколько недель раньше нормы. Это увеличивает их уязвимость к поздним заморозкам.
- Такие поздние заморозки становятся более частыми, потому что изменение климата дестабилизирует струйное течение, заставляя его опускаться гораздо дальше на юг и приносить всплески необычно холодной погоды.
- В 2007 году исключительно теплый период в марте вызвал распускание листьев у деревьев на востоке и в центре США. Сильный мороз в апреле затем убил молодые листья и цветки дубов, гикори и других видов деревьев. Деревья смогли произвести второй урожай листьев, но не смогли полностью заменить потерянные, что, вероятно, затормозило их рост в тот год.
Другие угрозы, усиливающиеся из-за потепления:
- Вредители: суровая зимняя погода сдерживает многих насекомых в северном климате, таких как хермес елово-пихтовый и изумрудная узкотелая златка. По мере того как зимы становятся мягче, эти насекомые с большей вероятностью выживают, продвигаются дальше на север, вызывают крупные вспышки и повреждают деревья.
- Промерзание корней: более теплые зимы приводят к увеличению количества дней, когда земля голая. Похолодания, происходящие при отсутствии изолирующего снежного покрова, могут заморозить почву и убить корни. Ветви деревьев и кустарников затем отмирают, потому что поврежденные корни не могут поставлять достаточно воды и питательных веществ. В крайних случаях растения могут погибнуть.
В ближайшие десятилетия многие холодолюбивые виды деревьев, такие как ели и пихты, станут менее распространенными, поскольку не смогут справиться с новыми проблемами, связанными с более теплым климатом. На северо-востоке США аборигенные виды, такие как сахарный клен и бук, будут постепенно заменяться аборигенными видами с юга, такими как дубы и гикори. А интродуцированные виды, такие как клен ясенелистный, используют эти нарушения, чтобы расселяться в леса с обочин дорог и населенных пунктов.
Аналогичные сдвиги происходят во многих регионах, поскольку изменение климата меняет сигналы, на которые полагаются растения, чтобы отмечать смену времен года.