Informație

5.1: Schimbarea utilizării terenurilor și reglementarea climei - Biologie


Sursa de energie care conduce în cele din urmă clima pământului este soarele. Deși legătura dintre absorbția solară, termodinamică și, în cele din urmă, climă este foarte complexă, studiile mai noi indică faptul că acoperirea cu vegetație și variația sezonieră a acoperirii vegetației afectează clima atât la scară globală, cât și la scară locală. Noile generații de modele de circulație atmosferică sunt din ce în ce mai capabile să încorporeze date mai complexe legate de acești parametri (Sellers et al. 1997). Pe lângă reglarea compoziției atmosferei, extinderea și distribuția diferitelor tipuri de vegetație pe glob modifică clima în trei moduri principale:

  • care afectează reflectanța luminii solare (balanța radiațiilor);
  • reglarea eliberării vaporilor de apă (evapotranspiratie); și
  • schimbarea tiparelor vântului și pierderea de umiditate (rugozitatea suprafeței).

Cantitatea de radiație solară reflectată de o suprafață este cunoscută sub numele de albedo; suprafețele cu albedo scăzut reflectă o cantitate mică de lumină solară, cele cu albedo ridicat reflectă o cantitate mare. Diferite tipuri de vegetație au albedouri diferite; pădurile au de obicei albedo scăzut, în timp ce deșerturile au albedo ridicat. Pădurile de foioase sunt un bun exemplu al relației sezoniere dintre vegetație și echilibrul radiațiilor. Vara, frunzele din pădurile de foioase absorb radiația solară prin fotosinteză; iarna, după ce le-au căzut frunzele, pădurile de foioase tind să reflecte mai multă radiație. Aceste schimbări sezoniere ale vegetației modifică climatul în moduri complexe, modificând ratele de evapotranspirație și albedo (IPCC 2001).

Vegetația absoarbe apa din sol și o eliberează înapoi în atmosferă prin evapotranspirație, care este calea principală prin care apa se deplasează din sol în atmosferă. Această eliberare de apă din vegetație răcește temperatura aerului. În regiunea Amazonului, vegetația și clima sunt strâns legate; Se crede că evapotranspirația plantelor contribuie cu aproximativ cincizeci la sută din precipitațiile anuale (Salati 1987). Defrișarea din această regiune duce la un mecanism de feedback complex, reducând ratele de evapotranspirație, ceea ce duce la scăderea precipitațiilor și la creșterea vulnerabilității la foc (Laurance și Williamson 2001).

Defrișarea influențează, de asemenea, clima pădurilor cu nori din munții Costa Rica. Pădurea de nori Monteverde adăpostește o diversitate bogată de organisme, dintre care multe nu se găsesc nicăieri în lume. Cu toate acestea, defrișările din terenurile de jos, chiar și regiunile de peste 50 de kilometri, schimbă clima locală, lăsând pădurea „norilor” fără nori (Lawton et al. 2001). Pe măsură ce vânturile trec peste zonele joase defrișate, norii sunt ridicați mai sus, adesea deasupra vârfurilor munților, reducând capacitatea pădurilor de nori de a se forma. Îndepărtarea norilor dintr-o pădure de nori usucă pădurea, astfel încât nu mai poate susține aceeași vegetație sau nu mai poate oferi habitat adecvat pentru multe dintre speciile găsite inițial acolo. Modele similare pot apărea în alte păduri montane, mai puțin studiate, din întreaga lume.

Diferitele tipuri de vegetație și topografii au rugozități diferite ale suprafeței, care modifică fluxul vântului în atmosfera inferioară și, la rândul lor, influențează clima. Rugozitatea mai mică a suprafeței tinde, de asemenea, să reducă umiditatea suprafeței și să crească evaporarea. Fermierii aplică aceste cunoștințe atunci când plantează copaci pentru a crea paravane (Johnson et al. 2003). Partajele de vânt reduc viteza vântului și modifică microclimatul, cresc rugozitatea suprafeței, reduc eroziunea solului și modifică temperatura și umiditatea. Pentru multe culturi de câmp, paravanele cresc randamentele și eficiența producției. De asemenea, reduc stresul asupra animalelor de la vânturile reci.

Glosar

albedo
cantitatea de radiație solară reflectată de o suprafață
evapotranspiratie
este procesul prin care apa este absorbită din sol de către vegetație și apoi eliberată înapoi în atmosferă
rugozitatea suprafeței
relieful vertical mediu și neregularitățile la scară mică ale unei suprafețe

Strategiile de carbon albastru de mangrove pentru atenuarea schimbărilor climatice sunt cele mai eficiente la scară națională

Carbonul fixat de ecosistemele de coastă cu vegetație (carbon albastru) poate atenua CO antropic2 emisii, deși eficacitatea sa diferă în funcție de scara spațială de interes. O analiză a literaturii care compila ratele de sechestrare a carbonului în ecosistemele cheie confirmă că ecosistemele de carbon albastru sunt cele mai eficiente absorbante naturale de carbon la scara parcelei, deși unele procese biogeochimice trecute cu vederea pot duce la supraestimare. În plus, extinderea spațială limitată a habitatelor de coastă minimizează potențialul acestora la scară globală, tamponând doar 0,42% din emisiile globale de carbon din combustibili fosili în 2014. Cu toate acestea, carbonul albastru joacă un rol pentru țările cu emisii moderate de combustibili fosili și linii de coastă extinse. În 2014, mangrovele au atenuat mai mult de 1% din emisiile naționale de combustibili fosili pentru țări precum Bangladesh, Columbia și Nigeria. Având în vedere că Acordul de la Paris se bazează pe contribuții determinate la nivel național, propunem ca carbonul albastru de mangrove să contribuie la atenuarea schimbărilor climatice la această scară, în unele cazuri, alături de alte ecosisteme de carbon albastru.

1. Introducere

Părțile care ratifică Acordul de la Paris s-au angajat să „realizeze un echilibru între emisiile antropice din surse și absorbțiile prin chiuvete până în 2100” [1]. Având în vedere concurența ridicată dintre utilizările terenurilor și timpul de întârziere înainte ca economiile să devină independente de combustibilii fosili, conservarea și extinderea ecosistemelor cu potențial ridicat de captare a carbonului reprezintă o opțiune pentru a contribui la acest angajament. În acest studiu, am definit sechestrarea carbonului ca fiind capacitatea unui ecosistem de a asimila și stoca în biomasă, sedimente sau apă mai mult carbon decât ceea ce este eliberat în atmosferă prin respirație.

Ecosistemele de carbon albastru (mlaștini sărate, iarbă marine și mangrove) se caracterizează prin stocarea lor disproporționat de mare a carbonului organic (OC), chiar și în stadiul de maturitate, în principal în sedimente de-a lungul mileniilor [2]. Ca atare, carbonul albastru a primit atenție internațională ca instrument de atenuare a schimbărilor climatice, datorită capacității sale mari de captare și stocare a carbonului la scara parcelei [3]. Cu toate acestea, o evaluare completă a potențialului de carbon albastru necesită evaluarea contribuției acestora la scări mai mari pentru a se alinia la cerințele factorilor de decizie.

În acest studiu, întrebăm: „la ce scară este carbonul albastru un instrument adecvat de atenuare a schimbărilor climatice?”. carbon albastru la scară globală și (iii) luarea în considerare a carbonului albastru la scară națională, acolo unde poate fi relevant în ceea ce privește contribuțiile determinate la nivel național (NDC) la Acordul de la Paris.

2. Metode

O analiză a literaturii a fost efectuată pentru a compila estimări ale (i) captarea carbonului și (ii) extinderea suprafeței a 14 ecosisteme terestre și de coastă, adaptate din Ecoregiunile lumii [4]. O căutare în literatură folosind baza de date Scopus și Web of Science a fost efectuată utilizând două șiruri de căutare: (i) nume ecosistem și „carbon” ȘI „revizuire” ȘI („sechestrare” SAU ‘îngropare’ SAU ‘acumulare’ SAU ‘storage’ SAU’chiudă „OR”pool”) și (ii) ecosistemul numeȘI („global cover”OR”global map”OR”atlas”), sortate după relevanță. Lucrările au fost evaluate critic doar pentru a selecta studii care au furnizat estimări de la mai multe site-uri sau la scară globală. Recenziile recenziilor (de exemplu, [3]) au fost excluse. Estimările și incertitudinile de captare a carbonului au fost extrase la scară grafică (gC m −2 yr −1 ) sau la scară globală (TgC yr −1 ) pe baza unității disponibile și au fost convertite utilizând estimările suprafeței (km 2 ). A fost efectuată o analiză de sensibilitate care a integrat estimările variate între lucrări și intervalul de valori din cele două variabile (sechestrarea carbonului și extinderea suprafeței). Valorile sunt prezentate ca medie ± min max −1 , conform analizei de sensibilitate.

Datorită datelor spațiale limitate disponibile pentru mlaștini și ierburi marine, emisiile naționale de combustibili fosili au fost comparate numai cu captarea carbonului național din mangrove folosind următoarea ecuație:

3. Rezultate si discutii

(a) Carbonul albastru este cel mai mare absorbant de carbon la scara grafică

Ecosistemele de carbon albastru sunt cele mai mari absorbante de carbon pe parcelă (figura 1A). Sechestrarea carbonului în mlaștini este în medie de 242 ± 26 gC m −2 ani −1 [10], urmată de mangrove (168 ± 36 gC m −2 ani −1 [5,6]) și iarbă de mare (83 gC m −2 ani). −1 [2]). Pădurile tropicale, boreale și temperate, chiar și în stadiul lor matur, sunt, de asemenea, importante absorbante de carbon pe parcelă cu 40 ± 20 gC m −2 ani −1 , 44 ± 7 gC m −2 ani −1 și 22,5 ± 12 gC m −2 yr −1 , respectiv (figura 1A) [11,12]. Datele și referințele complete sunt prezentate în materialul electronic suplimentar, tabelul S1.

Figura 1. (A) Sechestrarea locală (parcelare) a carbonului (b) suprafata acoperita (c) potențialul global de captare a carbonului al ecosistemelor cheie, inclusiv al ecosistemelor cu carbon albastru. Barele de eroare prezintă analiza de sensibilitate realizată din variabilele valorile min și max (când sunt disponibile). Setul de date și referințele sunt disponibile în materialul electronic suplimentar. (A) și (c) date din [2,5,6,10–18] (b) date din [2,4,7,10,19,20].

În comparație cu ecosistemele terestre, ecosistemele de carbon albastru acumulează în mod disproporționat CO din cauza condițiilor lor specifice de sedimente și a poziției interfeței sol-ocean [2]. Carbonul albastru este stocat în principal în sedimentele îmbibate cu apă, mai degrabă decât în ​​biomasă (figura 2), ceea ce previne riscurile de pierdere bruscă de carbon, în special din cauza incendiului. Mai mult, acest lucru permite o acumulare constantă de carbon chiar și atunci când ecosistemul ajunge la stadiul de maturitate. Totuși, sechestrarea ar putea fi supraestimată, deoarece unele procese trecute cu vederea anterior sugerează pierderi de carbon. De exemplu, sechestrarea carbonului albastru este în general estimată din acumularea de sedimente și conținutul de CO [5], ceea ce presupune că acești doi parametri sunt stabili în timp. Cu toate acestea, amestecarea sedimentelor prin bioturbare, remineralizarea OC și evacuarea apei interioare (figura 2) deteriorează continuu stocurile de OC [21,22]. Carbonul albastru poate fi, de asemenea, supraestimat, deoarece unele CO alohtone prinse sunt refractare și nu sunt supuse remineralizării [23], nereflând îngropare suplimentară. În cele din urmă, carbonul albastru subliniază adesea sechestrarea OC, deși carbonul anorganic dizolvat este, de asemenea, important, deoarece poate fi reemis direct în atmosferă sub formă de CO2 ([6] figura 2) și poate influența ciclul carbonatului de calciu și, în consecință, bugetul de carbon de coastă într-o direcție neclară [24]. Astfel, viitoarele bugete de carbon albastru la scara parcelei ar trebui să includă aceste variabile pentru a limita estimările de captare a carbonului.

Figura 2. Model conceptual al dinamicii carbonului în ecosistemele de mangrove mature care poate fi aplicat și la mlaștini sărate și ierburi marine (adică carbon albastru). Productivitatea primară netă reprezintă singurul aport de carbon în ecosistem. Estimări din [6].

(b) Carbonul albastru reprezintă mai puțin de 2% din rezervorul de carbon terestre

Deși ecosistemele de carbon albastru sunt cele mai mari absorbante naturale de carbon la scara parcelei, contribuția lor este limitată la scară globală (figura 1).c) deoarece sunt restrânse la coastele cu energie scăzută. La nivel global, 30,7% din CO atmosferic2 asimilat de ecosistemele terestre este absorbit de pădurile tropicale, datorită suprafeței lor extinse (figura 1).b) și rate relativ ridicate de captare a carbonului. Aceasta reprezintă o stocare potențială de 915 ± 460 TgC an -1. În comparație, iarbă de mare, mangrove și mlaștini sărate stochează doar 14,7 ± 5,1 TgC an −1 , 13,7 ± 11 TgC an −1 și, respectiv, 10,1 ± 2,85 TgC an −1 (figura 1). La nivel global, carbonul albastru reprezintă aproximativ 1,3% (38,5 ± 19 TgC an -1) din sechestrarea terenului, în timp ce acoperă mai puțin de 0,4% din teren. Acest lucru face ca ecosistemele de carbon albastru să fie absorbante de carbon disproporționat de eficiente (în ciuda cunoștințelor noastre, în general, slabe cu privire la amploarea lor [25]), deși rămân de importanță limitată la nivel global. De exemplu, carbonul albastru a atenuat doar 0,42% din CO2 din combustibilii fosili la nivel mondial2 emisie în 2014, estimată la 9264 TgC an −1 [9].

(c) Carbonul albastru poate contribui la Acordul de la Paris la scară națională

Deși ecosistemele de carbon albastru sunt mai puțin relevante la nivel global, ele pot avea influență la scară națională. Estimarea noastră conservatoare a potențialului național de sechestrare a mangrovelor (tabelul 1) arată că acestea pot contribui la atenuarea emisiilor dacă defrișarea mangrovelor rămâne scăzută. De exemplu, mangrovele au amortizat mai mult de 1% din emisiile naționale de carbon pentru țări precum Nigeria (al 40-lea emitent de combustibili fosili), Columbia (al 43-lea), Bangladesh (al 45-lea), Ecuador (al 62-lea) și Cuba (al 70-lea). În schimb, în ​​țările cu rate ridicate de defrișare a mangrovelor, potențialul de stocare a carbonului al mangrovelor rămase netulburate a fost mai mic decât emisiile de carbon generate de defrișarea mangrovelor (de exemplu, Malaezia, Myanmar tabelul 1). Este posibil ca aceste țări să nu contribuie la reducerea emisiilor în acest moment, dar prezintă un potențial imens dacă conservarea poate preveni emisiile ulterioare din pierderea lor și încurajează captarea viitoare a carbonului prin restaurare [8]. Prin urmare, atenuarea carbonului albastru la scară națională este bine aliniată cu Acordul de la Paris și NDC-urile asociate pentru unele națiuni.

Tabelul 1. Analiza comparativă a captării carbonului din mangrove (Smangrove), emisiile de carbon din defrișarea mangrovelor (Emangrovele), și emisiile de carbon de la combustibilii fosili (Ecombustibil fosil) la scară națională în 2014 pentru primele 20 de țări care dețin mangrove. (Datele dintre paranteze prezintă valorile minime și maxime din analiza noastră de sensibilitate.)


Introducere

Politicile privind combustibilii cu emisii reduse de carbon la nivel federal și de stat din SUA, cum ar fi Standardul pentru combustibili regenerabili (RFS) și Standardul pentru combustibili cu emisii reduse de carbon (LCFS) din California, urmăresc să reducă dependența de combustibilii fosili și emisiile de carbon prin inducerea unei treceri la biocombustibili. RFS stabilește un mandat de cantitate pentru diferite tipuri de biocombustibili care diferă în intensitatea lor de carbon față de benzină. RFS este implementat ca un mandat pentru a amesteca o anumită proporție de biocombustibili cu benzină anual începând cu 2007. Pe de altă parte, un LCFS stabilește o țintă pentru reducerea procentuală a intensității medii de carbon a combustibilului de transport sub nivelul de referință și oferă amestecătorilor flexibilitate de a selecta amestecul și cantitățile de diferiți biocombustibili pentru a îndeplini standardul mediu de intensitate a carbonului din combustibil.

Producția de biocombustibili a stârnit îngrijorări cu privire la concurența lor pentru terenuri cu culturi alimentare, ceea ce a dus la prețuri globale mai mari ale culturilor 1,2, care duc la schimbarea indirectă a utilizării terenurilor (ILUC) la nivel global, prin crearea de stimulente pentru conversia terenurilor necultivate în producția de culturi și eliberarea acestora. carbon stocat în sol şi vegetaţie 3 . Studiile diferă în ceea ce privește estimarea măsurii în care biocombustibilii au afectat prețurile culturilor alimentare, multe studii estimează că acestea sunt cu 14–35% mai mari decât în ​​momentul de referință, în funcție de specificul politicilor privind biocombustibilii, definiția liniei de bază, intervalul de timp. pentru comparație, tipurile de biocombustibili incluse și modelele și metodele utilizate 1,4,5 .

Pentru a reduce potențialul ca ILUC să compenseze cel puțin o parte din economiile de carbon generate de înlocuirea combustibililor fosili cu biocombustibili, legislația care stabilește RFS și California LCFS necesită includerea intensității carbonului direct și legată de ILUC a unui biocombustibil în determinarea totală a acestuia. intensitatea carbonului pentru respectarea acestor reglementări 6,7 . Intensitatea carbonului legată de ILUC este specifică biocombustibilului și este denumită „factorul ILUC” al biocombustibilului respectiv. Factorul ILUC este o măsură a emisiilor de carbon eliberate per unitate de biocombustibil, ca urmare a modificării utilizării terenurilor pe plan intern și internațional, cauzate de modificările induse de biocombustibil în prețurile culturilor alimentare/furajere și chiriile terenurilor din SUA. Este specific materiilor prime și mai mare pentru materiile prime care necesită o deviere mai mare a terenurilor agricole productive de la producția de culturi alimentare la producția de biocombustibili decât pentru culturile energetice care pot fi cultivate productiv pe soluri de calitate scăzută 8 . Includerea intensității de carbon legată de ILUC a unui biocombustibil în intensitatea de carbon a unui biocombustibil pentru conformitatea cu LCFS este destinată să conducă la internalizarea acestor efecte indirecte și să creeze stimulente pentru a muta mixul de biocombustibili către cei cu efecte ILUC scăzute; crescând astfel reducerea emisiilor globale de carbon. Cu toate acestea, această abordare și factorii ILUC utilizați pentru LCFS din California au fost controversate și au făcut obiectul unor procese de către producătorii de biocombustibili 9 .

Există o literatură largă care evaluează amploarea efectului ILUC al etanolului de porumb folosind modele de echilibru global 8 . Câteva studii au estimat, de asemenea, efectul ILUC al biocombustibililor celulozici din diferite materii prime 10,11. Mai multe studii au examinat efectul asupra emisiilor de carbon al diferitelor politici privind biocombustibilii, inclusiv RFS 4,12,13,14,15,16 , credite fiscale volumetrice 13,14 și un LCFS național 12,17 . Alții au examinat efectul utilizării terenului al RFS 4,12,13 și al unui LCFS național în SUA 17 și la nivel internațional 18 . Niciunul dintre aceste studii nu a examinat efectele economice și implicațiile de emisii ale includerii unui factor ILUC la implementarea unui LCFS 7,8,19,20,21.

Pentru acest studiu, am folosit o abordare integrată de modelare 14 pentru a analiza efectele asupra economiei și emisiilor de carbon ale suplimentării RFS cu un LCFS național și implicațiile implementării LCFS cu și fără un factor ILUC în perioada 2007-2027. Am combinat modelul de analiză a politicilor de biocarburanți și de mediu (BEPAM-F) 14,22 , cu DayCent 23,24,25,26 pentru a estima captarea carbonului din sol și cu modelul GREET (gaze cu efect de seră, emisii reglementate și utilizare a energiei în transport) pentru a estima emisiile supraterane ale ciclului de viață. BEPAM-F este o economie dinamică, deschisă, model integrat al sectoarelor agricole, forestiere și de transport din SUA. DayCent este un model de ecosistem validat la nivel global care simulează efectele directe ale schimbării utilizării terenurilor asupra captării carbonului din sol și a ciclului azotului. Am folosit acest lucru pentru a estima intensitatea emisiilor de carbon directe ale biocombustibililor pe ciclul de viață, specifică materiei prime, spațial eterogenă, împreună cu parametrii din GREET 27 . Am inclus estimări ale factorilor ILUC specifici materiei prime de la California Air Resources Board (CARB) 28 , Environmental Protection Agency (EPA) 29 și Searchinger 10 . Rezultatele noastre arată că includerea unui factor ILUC într-un LCFS național conduce la o reducere suplimentară a emisiilor cumulate în perioada 2007–2027 cu 1,3 până la 2,6% (0,6–1,1 miliarde Mg CO).2e −1 ) comparativ cu cei fără factor ILUC, în funcție de factorii ILUC utilizați. Cu toate acestea, această reducere este realizată cu un cost de bunăstare pentru SUA care variază de la 61 USD la 187 USD Mg CO2e -1 , care este substanțial mai mare decât costul social al carbonului de 50 USD Mg CO2e −1 .


Rezultate

Zona în schimbare a climei potrivite pentru culturi și arbori forestieri

Previzăm că suprafața cu climă adecvată va crește pentru majoritatea culturilor și speciilor de arbori forestieri din Europa între 2020 și 2100. Estimăm o creștere medie a zonei cu climă potrivită pentru culturi de la 1.925.265 km 2 în 2020 la 2.790.484 km 2 (+47). %) sub calea de concentrare reprezentativă (RCP) 8,5 și 2.487.919 km2 (+27%) în scenariul RCP4.5 în 2100. Pentru speciile de arbori forestieri, aria mediană a climei potrivite crește de la 4.225.050 km2 în 2020 la 4.366,851 km2. 2 (+3%) în scenariul RCP8.5, mai puțin decât se prognoza în scenariul RCP4.5 (4.561.816 km 2 ) (+8%) până la sfârșitul secolului, din cauza pierderii mai mici în sudul Europei.

Presupunând o relație între profitul economic și suprafețele adecvate din punct de vedere climatic, preconizăm oportunități crescute de cultivare pentru 82 (RCP8.5), respectiv 91 (RCP4.5) din 126 de specii de culturi și arbori forestieri. Unele dintre aceste specii vor avea o suprafață climatică adecvată crescută și, prin urmare, vor avea o importanță economică în creștere. De exemplu, în Europa, soia are în prezent o valoare a producției brute de aproximativ 3,5 miliarde de dolari (FAOSTAT 41 ), iar suprafața lor climatică adecvată va crește cu 190% în scenariul RCP8.5 (95% RCP4.5) până la sfârșitul secolului. . De asemenea, prevedem o creștere a suprafeței potrivite pentru multe culturi de specialitate cu valori de piață ridicate (de exemplu, RCP8.5: măr +29%, grepfrut +756%, lămâie +105%, pepene galben +87%, roșie +42% RCP4 .5: mere +47%, grapefruit +225%, lamaie lime 70%, pepene galben +50%, rosie +23%). Între timp, pentru alte culturi relevante din punct de vedere economic, se estimează că suprafața climatică adecvată din Europa va scădea substanțial până în 2100 în scenariul RCP8.5 (grâu −9%, porumb −14% (Fig. 1), ovăz −44%, secară − 76%, cartofi -20%), în timp ce mai limitat sub RCP4.5 (grâu +4%, porumb +7%, ovăz -9%, secară -28%, cartofi +1%). Se preconizează că speciile de arbori din pădure vor pierde suprafața climatică adecvată în cazul creșterii mai abrupte a temperaturii (RCP8.5 Abies alba −73%, Fagus sylvatica −12% (Fig. 1), Picea abies −77%), dar scădere mai lent sub RCP4.5 (A. alba −36%, F. sylvatica +8%, P. abies −39%). Am investigat diferențele geografice în schimbarea zonelor potrivite din punct de vedere climatic. Rezultatele noastre pentru cele cinci regiuni europene evidențiază că se vor deschide noi oportunități pentru exploatarea culturilor și a arborilor forestieri, în special în Europa de Nord (RCP8.5: 48 specii în 2020, +33 în 2100 RCP4.5: 48 +16) și Insulele Britanice (RCP8.5: 53 +28 RCP4.5: 53 +10). În vestul (RCP8.5: 85 +9 RCP4.5: 83 +9) și Europa de Est (RCP8.5: 90 +6 RCP4.5: 90 +7), se așteaptă că puțin mai multe specii vor întâlni climă potrivită în viitor , în timp ce în Europa de Sud (RCP8.5: 101 −7 RCP4.5: 100 +0) se prevede că numărul speciilor cu climă adecvată va scădea.

Strugurii (Vitis vinifera), porumb (Zea mais) și fag european (Fagus sylvatica) arată o adaptare climatică în schimbare către latitudini mai înalte. Aleurocanthus spiniferus, un dăunător al fructelor, Helicoverpa zea, un dăunător al culturilor arabile și Ips pini, un dăunător de pădure, arată, de asemenea, o adaptare climatică deplasată spre nord în condițiile climatice viitoare. Clima actuală a Europei oferă deja condiții adecvate pentru acești dăunători. Zonele roșii arată o pierdere de adecvare climatică din 2020 până în 2100. Împreună, zona roșie și albastru închis arată distribuția modelată în 2020. Proiecțiile în scenariul RCP8.5 sunt prezentate aici. Imaginile sunt licențiate conform Creative Commons Attribution 3.0 Unported (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en/: Vitis vinifera: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Grapes_during_pigmentation.jpg Ips pini: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ips_pini.jpg), sau Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/deed .ro Zea mays: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mahane_Yehuda_Market_(9629714152).jpg Fagus sylvatica: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beech_(Fagus_sylvatica)_(19185865168).jpg Helicoverpa zea: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Helicoverpa_zea_larva.jpg.) Imaginea lui Aleurocanthus spiniferus a fost oferit fără drepturi de autor pe http://www.ces.csiro.au/aicn/name_s/b_164.htm. Toate imaginile au fost decupate în măsura potrivită, dar au rămas neschimbate.

Creșterea legăturii dintre plante și dăunători

Am construit un metaweb care înregistrează toate interacțiunile cunoscute dintre plantele gazdă și insectele dăunătoare pentru Europa. Am constrâns metaweb-ul cu suprapunerea potențială a adecvării intervalului pentru a cuantifica schimbările generale ale incidenței dăunătorilor asupra culturilor, în condițiile climatice actuale și viitoare (Fig. 2). Suprapunerea măsurată a adecvării climatice modelate a plantelor gazdă și a dăunătorilor indică un număr tot mai mare de legături și expunere (ca suprafață medie de suprapunere pe legătură) pentru Europa. Metaweb-ul filtrat prin suprapunere de adecvare în condițiile schimbărilor climatice indică faptul că până în 2100, se estimează că până la 80% (RCP4.5: 79%) dintre legături vor fi posibile, în ciuda variațiilor mari între regiuni (adică Europa de Sud, Europa de Vest, Europa de Nord, Europa de Est, Insulele Britanice Fig. 3) și perioade de timp (2020–2100). În Europa de Sud, 64% (RCP4.5: 63%) dintre legături pot fi deja realizate în condițiile climatului actual. În schimb, în ​​Europa de Nord, în prezent, doar 7% (RCP4.5: 7%) din legături pot fi realizate în prezent. Acest lucru lasă un potențial mare de creștere până în 2100, când până la 25% (RCP4.5: 15%) din toate legăturile devin posibile. Cele mai multe interacțiuni din Europa afectează „culturile de fructe” (RCP8.5: 251 +11 RCP4.5: 244 +31) și „copacii de pădure” (RCP8.5: 176 -4 RCP4.5: 171 +8). Culturile relevante din punct de vedere economic vor fi afectate de mult mai multe specii potențiale de dăunători în Europa de Nord spre sfârșitul secolului (porumb: +7 linkuri sub RCP8.5/ +3 linkuri sub RCP4.5 grâu +4/+3, cartofi +6/ +3, viță de vie +5/+4). Găsim o creștere mai puternică a legăturilor pe specie de dăunător în regiunile nordice. Numeroasele legături ilustrează faptul că sudul (RCP8.5: 595 RCP4.5: 586), vestul (RCP8.5: 287 RCP4.5: 297) și Europa de Est (RCP8.5: 318 RCP4.5 297) sunt deja potențial amenințate prin invaziile dăunătorilor sub clima actuală. În contrast, Europa de Nord (RCP8.5: +166 legături RCP4.5: +77) și Insulele Britanice (RCP8.5: +190 RCP4.5: +78) arată o creștere puternică a legăturilor de rețea în condițiile schimbărilor climatice, indicând acea diversificare a culturilor va veni cu prețul presiunii mai mari a dăunătorilor. În timp ce în Europa de Sud, numărul de legături per specie scade în medie de la 6,7 ​​la 6,1, acesta crește puternic în Europa de Nord (0,8 la 2,6) și Insulele Britanice (1,1 la 3,2). Apariția mai mare prezisă a dăunătorilor generaliști, cum ar fi polifagii Spodoptera frugiperda și Helicoverpa zea contribuie la creșterea numărului de legături și legături pe specie în condițiile schimbărilor climatice. În timp ce în Europa de Sud, legăturile cu majoritatea plantelor gazdă sunt deja posibile în condițiile climatului actual, în Europa de Nord, numărul de legături va crește drastic pentru ambele (S. frugiperda: +19 linkuri din 2020 până în 2100 sub RCP8.5, +10 RCP4.5 H. zea: +21 RCP8.5, +14 RCP4.5). Creșterea incidenței speciilor generaliste determină în continuare o scădere a specializării rețelelor în condițiile schimbărilor climatice. În plus, se prevede că structura modulară observată va fi perturbată în timp, unde dăunătorii mai generaliști vor ataca diferite categorii de plante gazdă. Aceste tendințe sunt susținute de alte valori ale rețelei, cum ar fi creșterea diversității partenerilor și creșterea numărului de parteneri partajați pentru plantele gazdă și dăunători (Figura 6 suplimentară).

Rețeaua de interacțiune pentru Europa de Sud arată că majoritatea interacțiunilor sunt deja posibile în condițiile climatice actuale. Pictogramele arată diferite categorii de dăunători (de jos în sus: „dăunători de fructe”, „dăunători ai culturilor arabile”, „dăunători de legume”, „dăunători polifagi” și „dăunători de pădure”) și plante gazdă (de la stânga la dreapta: „culturi de fructe ”, „culturi arabile”, „culturi de legume”, „alte culturi” și „arbori de pădure”). „Dăunătorii fructelor”, „dăunătorii polifagi” și „dăunătorii de pădure” se confruntă cu cel mai mare risc. Punctele colorate arată pasul de timp al primei suprapuneri potențiale dintre fiecare pereche de plantă gazdă și dăunător. În schimb, rețeaua de interacțiune pentru Europa de Nord arată că multe interacțiuni devin realizabile abia în a doua jumătate a secolului curent nu până în 2100 (legături gri). Rețelele de interacțiune pentru alte regiuni și scenariile RCP4.5 sunt prezentate în figurile suplimentare. 1–5. Pictogramele sunt imagini licențiate conform Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication (https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/deed.en), Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic (https://creativecommons) .org/licenses/by-sa/2.0/deed.en), Creative Commons Attribution 3.0 Unported (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en) sau Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International ( https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en). Imaginile sunt disponibile la următoarele adrese URL: Dăunători de pădure: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lymantor_coryli_(Perris,_1855)_Syn.- Triotemnus_coryli_(Perris,_1855)_(15286593562).png Polyphagus pes ://commons.wikimedia.org/wiki/File:Halyomorpha_halys_s2a.jpg Dăunători de legume: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CSIRO_ScienceImage_7410_A_larva_of_Helicoverpa_armigera_the_worlds_worst_worst.jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CSIRO_ScienceImage_7410_A_larva_of_Helicoverpa_armigera_the_worlds_worst_worst.jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CSIRO_ScienceImage_7410_A_larva_of_Helicoverpa_armigera_the_worlds_worst_worst.jpg wiki/File:Diabrotica_virgifera_LeConte,_1868.jpg Măr: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Manzana.svg Pere: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pear_icon.png Cultură arabilă: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Agriculture_-The_Noun_Project.svg Tomato: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Twemoji_1f345.svg Eggplant: https://commons.wikimedia.org/ wiki/File:Twemoji_1f346.svg Cafea: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coffee_beans_by_gnokii.svg Arbori de pădure: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Noun_883674_cc_Sy mbolon_tree_icon.svg.

regiuni europene (A insule britanice b Europa de Nord c Europa de Est d Europa de Vest e sudul Europei stânga sus). Graficele arată proprietăți derivate din metaweb-uri din diferite regiuni. Numărul de legături (roșu), expunerea, ca suprafață medie de suprapunere pe legătură în creștere procentuală (portocaliu), plante gazdă (verde) și dăunători (albastru) cu condiții climatice adecvate în 5000 de celule de grilă sau mai mult sunt afișate pe pas de timp ( 2020–2100) pentru toate regiunile (Ae). Scalele pentru legături sunt afișate în partea stângă, pentru plante gazdă și dăunători în partea dreaptă pe panourile superioare, pentru expunere în partea dreaptă pe panourile inferioare ale figurii. Liniile subțiri arată rezultatele predicțiilor unice GCM, iar liniile groase medianele celor patru GCM per scenariu. Măsuri suplimentare (specializare, modularitate, creșterea diversității partenerilor și creșterea numărului de parteneri partajați) pentru plantele gazdă și dăunători sunt prezentate în materialul suplimentar (Figura 6 suplimentară).

Suprapunerea zonelor de adecvare crește odată cu schimbările climatice

Cuplarea metaweb-ului cu adecvarea climatică proiectată indică schimbări ale expunerii plantelor gestionate la dăunători în timp (Fig. 3). Se estimează că suprafața medie de suprapunere pe verigă a adecvării climatice modelate a plantelor gazdă și a dăunătorilor va crește cu 51% (RCP4.5: 38%) între 2020 și 2100 în Europa. Expunerea crește cel mai mult în Europa de Nord (RCP8.5: 173% RCP4.5: 75%) și Insulele Britanice (RCP8.5: 165% RCP4.5: 57%). De asemenea, pentru Europa de Vest (RCP8.5: 90% RCP4.5: 43%) și de Est (RCP8.5: 60% RCP4.5: 49%), observăm o creștere marcată în contrast cu Europa de Sud, unde prezicem puțin modificări (RCP8.5: 0% RCP4.5: este 19%). De exemplu, adecvarea climatică în creștere pentru unele specii de dăunători promovează o creștere marcată a suprafeței potențiale de suprapunere cu plantele gazdă (S. frugiperda: +176% RCP8.5 +70% RCP4.5 H. zea +88% RCP8.5 +42% RCP4.5). For different categories of host plants, we find similar patterns of slightly increasing area of overlap in all regions but Southern Europe, where we predict decreasing area of overlap for forest trees and arable crops (Supplementary Figs. 7 and 8). For pest categories, we predict that forest pests will overlap less with their host plants in the future, while all other categories will have larger overlap of suitable areas towards the end of the century (Supplementary Figs. 9 and 10). Although the climatic suitability drops for some crops, the area of overlap of these crops with their pests is nevertheless predicted to increase, as found for maize (RCP8.5: +110% RCP4.5: +39%), wheat (RCP8.5: +135% RCP4.5: +40%) and potatoes (RCP8.5: +80% RCP4.5: +44%).

Changing area of climate suitability for pests

Overall, the median area with suitable climate for insect pests (2,491,321 km 2 in 2020) will increase under climate change associated with a northward expansion of pest species. We forecast an average increase in the suitable area for pest species of 294,176 km 2 (+12%) under the RCP8.5 scenario and 229,981 km 2 (+9%) under the RCP4.5 scenario. Most of the considered pests already have suitable climatic conditions in Europe. In particular, Southern Europe (RCP8.5: 71 RCP4.5: 71) is already threatened by many of the pests on the EPPO lists. In Northern Europe (RCP8.5: 26 +14 RCP4.5: 27 +5), Western Europe (RCP8.5: 43 +13 RCP4.5: 44 +8), Eastern Europe (RCP8.5: 47 +11 RCP4.5: 45 +6) and the British Isles (RCP8.5: 25 +17 RCP4.5: 26 +9), pest pressure will increase until 2100 (Fig. 3). Under the RCP8.5 we predict increasing suitable climate area for 60 of 89 pest species (71 under RCP4.5), and hence important potential expansions such as for the fall armyworm (S. frugiperda), which will increase by 81% (3,341,038 km 2 under current conditions 51% under RCP4.5), corresponding to additional 2,758,535 km 2 (1,676,514 km 2 under RCP4.5). We quantified the dynamic shifts of climatic suitability for host plant and pest species from and to each colonized grid cell in Europe between 2020–2060 and 2060–2100 (Fig. 4). The shift of climatic suitability for host plants shows a gradient towards higher latitudes, underlining the opportunities arising in northern regions in the second half of the century. Meanwhile, the shift of climatic suitability for insect pest shows no clear south-north gradient, possibly because of more complex and diverse climatic niche shapes of pest species. Consequently, the dynamic of the shift of insect pest species is expected to be more idiosyncratic than that of their host plants under climate change. We observe a slight decrease of the number of pest species in central and northeastern regions, caused by the gap in climatic niches between cold-adapted pests and more warm-adapted pests (Supplementary Fig. 12). While cold-adapted species will move further north with increasing temperatures, warm-adapted species are lacking behind. Finally, we analyzed the shift in centroid position of all modelled ranges of host plants and pest species by measuring the direction and distance of the movement between 2020 and 2100 (Supplementary Figs. 13 and 14). The centroid analysis shows a median distance of 519 km, and speed of 6.5 km/year for pests under RCP8.5 (240 km 3.0 km/year for RCP4.5), values that are consistent with published estimates of dispersal capacity 42 . The analysis indicated a median distance of 588 km for host plants, resulting in a speed of 7.3 km/year (269 km 3.4 km/year for RCP4.5).

Arrows show for each grid cell the average direction of climatic suitability shift over all species. For each species, we calculated the direction from where each newly suitable grid cell can be reached from its closest suitable grid cell in the previous time step. The length of the arrows is proportional to the number of new colonisations of each grid cell. The coloured maps show the change in total number of pests (top) and host plants (bottom) with suitable conditions during the time steps of 2020–2060 (left) and 2060–2100 (right). Red shadings indicate an increase of the number of species with suitable climate blue shadings indicate decreasing numbers. Climatic suitability shift and change in number of species are shown for the RCP8.5 scenario (see Supplementary Fig. 11 for RCP4.5).


Governor Newsom Announces $5.1 Billion Package for Water Infrastructure and Drought Response as Part of $100 Billion California Comeback Plan

MERCED COUNTY – Governor Gavin Newsom today proposed a $5.1 billion package of immediate drought response and long-term water resilience investments to address immediate, emergency needs, build regional capacity to endure drought and safeguard water supplies for communities, the economy and the environment. The Governor’s proposal comes as part of a week-long tour highlighting the Administration’s comprehensive recovery plan tackling the most persistent challenges facing California.

“Shoring up our water resilience, especially in small and disadvantaged communities, is imperative to safeguarding the future of our state in the face of devastating climate change impacts that are intensifying drought conditions and threatening our communities, the economy and the environment,” said Governor Newsom. “This package of bold investments will equip the state with the tools we need to tackle the drought emergency head-on while addressing long-standing water challenges and helping to secure vital and limited water supplies to sustain our state into the future.”

In addition to the $5.1 billion investment, the Governor is proposing $1 billion to help Californians pay their overdue water bills.

The Governor announced the package today in Merced County while visiting the San Luis Reservoir, which sits at less than half of capacity and just 57 percent of average for this date. Earlier in the day, Governor Newsom significantly expanded his April 21 drought emergency proclamation to include Klamath River, Sacramento-San Joaquin Delta and Tulare Lake Watershed counties. In total, 41 counties are now under a drought state of emergency, representing 30 percent of the state’s population.

Governor Newsom announces $5.1 billion drought and water infrastructure package at San Luis Reservoir.

The Governor’s $5.1 billion proposed investment, over four years, aligns with his July 2020 Water Resilience Portfolio, a roadmap to water security for all Californians in the face of climate change. It is shaped by lessons learned during the 2012-16 drought, such as the need to act early and gather better data about water systems. The package includes:

  • $1.3 billion for drinking water and wastewater infrastructure, with a focus on small and disadvantaged communities.
  • $150 million for groundwater cleanup and water recycling projects.
  • $300 million for Sustainable Groundwater Management Act implementation to improve water supply security, water quality and water reliability.
  • $200 million for water conveyance improvements to repair major water delivery systems damaged by subsidence.
  • $500 million for multi-benefit land repurposing to provide long-term, flexible support for water users.
  • $230 million for wildlife corridor and fish passage projects to improve the ability of wildlife to migrate safely.
  • $200 million for habitat restoration to support tidal wetland, floodplain, and multi-benefit flood-risk reduction projects.
  • $91 million for critical data collection to repair and augment the state’s water data infrastructure to improve forecasting, monitoring, and assessment of hydrologic conditions.
  • $60 million for State Water Efficiency and Enhancement Program grants to help farmers reduce irrigation water use and reduce greenhouse gas emissions from agricultural pumping.
  • $33 million for fisheries and wildlife support to protect and conserve California’s diverse ecosystems.
  • $27 million for emergency and permanent solutions to drinking water drought emergencies.

Learn more about current conditions, the state’s response and informational resources available to the public at the state’s new drought preparedness website.


Introduction. Global change and biodiversity: future challenges

Climate Change Vulnerability and Adaptation Programme, NRF/DST Centre of Excellence at the FitzPatrick Institute of African Ornithology, University of Cape TownRondebosch, Cape Town 7700, Republic of South Africa

Laboratoire d'Ecologie Alpine, UMR-CNRS 5553, Université Joseph FourierBP 53, 38041 Grenoble Cedex 9, France

Global Change and Biodiversity Programme, South African National Biodiversity Institute, Kirstenbosch Research CentrePrivate Bag X7, Claremont 7735, Republic of South Africa

Climate Change Vulnerability and Adaptation Programme, NRF/DST Centre of Excellence at the FitzPatrick Institute of African Ornithology, University of Cape TownRondebosch, Cape Town 7700, Republic of South Africa

Laboratoire d'Ecologie Alpine, UMR-CNRS 5553, Université Joseph FourierBP 53, 38041 Grenoble Cedex 9, France

There can be few starker challenges for environmental change biologists than the need to see as many species as possible through the bottlenecks of the next two centuries. Increasingly, we will have to work in ‘triage’ mode—making tough decisions about the probability of species' survival, the effectiveness of habitat management and the allocation of scarce resources. At the same time, we may have to do this in the context of societies that are increasingly unstable, and institutions that are increasingly strained and powerless. So the kind of tools we need must be as robust, as well-founded and as easy to use as possible in a complex, fast-changing and difficult world. It is truly a ‘grand challenge’ for the field (Thuiller 2007).

There has seldom been such a need for good science, but so little time to fiddle with the details. Is the field of global change biology delivering this clear advice?

We like to think that it is, but frankly, the jury is still out on this point. Undeniably, the best global change science has done exactly that: delivered spatially explicit, scientifically rigorous, priority-based advice about species' vulnerability and adaptation options—although the latter remains an enormous gap. This science is based on empirical data, spatial and demographic models that are as rigorous as possible under imperfect circumstances. But we have an enormous global responsibility to keep this work flowing. As we pursue greater methodological refinement, greater rigour, more comprehensive datasets and additional robustness, we are also at risk of a tragic complacency—fiddling while Rome burns, building secure careers from the conceptual advancement of the field as if it is just another academic issue, and rushing to stake claims to abstruse intellectual territory. The best collaborative research in this field, such as some of the EU-funded research consortia, counters this tendency and applies the principles that numerous good brains are better than one or two, and that a common purpose, with clear goals, tight timetables and scientific productivity, allows us collaboratively to ‘cut to the chase and deliver the goods’—as conservation managers have increasingly started to demand of us.

Several of the papers in this special issue of Biology Letters spring from these collaborative global change consortia, and others are based on independent integration of themes and methods. Rickebusch et al. (2008) is one such consortium output, from the FP6 MACIS European project (Minimization of and Adaptation to Climate Change eumpacts on Biodiversity). It brings together key players from different fields in predictive global change science, who in the past seldom collaborated closely. The outcome is challenging, indeed a bit mind-blowing. MACIS is finding that usual proxies for precipitations and soil humidity could be misleading, as they do not account for the direct effect of CO2 on vegetation—leading to more conservative projections of vegetation change under climate change scenarios. The paper by Keith et al. (2008) also stems partly from European collaborative grants (FP6 MACIS European project) and other sources (NERC, IUCN), which brought together population biologists and species' distribution modellers to propose an exciting new framework for estimating the influence of both climate and land use change on population dynamics. Other papers originating from collaborative global change consortia are Pompe et al. (2008), who evaluate the impact of climate change on German flora (FP6 ALARM European project), Ohlemüller et al. (2008), who conclude that rarer climates occurring in current centres of species rarity could shrink disproportionately under future climate change, thereby probably increasing many species' vulnerability (a direct output of the large European project ALARM), or Hannah et al.'s review of climate change adaptation for conservation in the Madagascar biodiversity hotspot.

Fortunately, although they are increasingly successful, large global change consortia are not the only ones producing robust and rigorous science. On the more conceptual side, Morin & Lechowicz (2008) discuss the latest developments in predictive modelling, community ecology and biogeography, and argue that a new understanding of relationships among the niche concept, species' diversity and community assembly should lead towards more rigorous models of global change effects on species' distribution and community diversity.

On the methods side, De Marco et al.'s paper (2008) demonstrates how useful spatial eigenvector decomposition can be in tackling the problems of spatial autocorrelation in species' distribution models. Altwegg et al. (2008) emphasize the value of occupancy models that use imperfect presence–absence data in projecting species' responses to global change, in a way that avoids confounding occurrence with detection probability. Finally, Broennimann & Guisan (2008) draw on their seminal paper published last year in Ecology Letters (Broennimann et al. 2007) to show how modelling potential invasion using species' distribution models is improved by incorporating data from both native and invaded ranges. This paper shows us that realized niches, while easily modelled, are not easy to project into the future or in space, since they do not represent the full environmental capabilities of species, which should be closer to the fundamental niche. It also demonstrates the danger of projecting potential distributions into the future or into space using very limited or inaccurate data.

Global change scientists seem to have been better at developing concepts, methods and simulations than at gathering real data on species' vulnerability. This is an uncomfortable truth for the field, especially for those of us trained as field biologists. Indeed, we see it as one of our primary challenges. But the fact remains that we are severely data limited in many areas, and face a global conservation crisis. Given the urgency with which we often need to operate, and the consequences of delay or inaction for biodiversity, is it not a better strategy to validate and calibrate models and concepts adequately to suit what our best judgement tells us are the conservation needs of the greatest number of species, and focus fieldwork on those species that may fall outside the curve? This dilemma is complex, and seldom comfortable to those involved in species-level conservation implementation. But we may have little choice, particularly in biodiverse regions of the Southern Hemisphere where datasets—both biodiversity and climate data—are particularly sparse. Rare exceptions are the fine-scale work done on the protea family of the South African fynbos, which Keith et al. (2008) use to demonstrate the integration of habitat suitability and demographic models, and the multiple species range datasets from Madagascar in the extensive work summarized by Hannah et al. (2008). Even rarer are detailed analyses of historical biogeographic and/or behavioural or physiological data, such as represented in the paper by Monahan & Hijmans (2008), or the use of historical data to help validate modelling approaches, such as the retrodiction discussed by Green et al. (2008).

Monahan & Hijman's paper shows how complex species' responses really can be. Declining populations of field sparrows Spizella pusilla expanded their winter range by over 200 km polewards at the time of increasing net primary productivity, arguably limited only by ecophysiological tolerance. The integration of many of these factors—behaviour, phenology, life history, physiology, demography and others—is essential for building a comprehensive picture of species' responses. Yet, we will probably be able to do this for only a tiny subset of species, even with vertebrates. The most detailed European and North American research on the climate change-induced phenology bottlenecks in species' life cycles (e.g. Both et al. 2006 Visser 2008) require detailed pedigrees derived from patient, long-term population studies, which are rarely possible in the world's Southern Hemisphere biodiversity hotspots (e.g. Simmons et al. 2004). The most insightful, ecologically surprising and desperately needed collaborative work of the future must bridge this capacity and data gap between hemispheres, and link the strong teams of the North with other regions of the world that are so little known in terms of species' vulnerability.

Without doubt, global change biologists now need to make explicit the implications of their science for improved conservation planning, policy, research and management. Conservation adaptation work is a broad, complex, interdisciplinary field. It is unfortunately treated significantly in this issue only by Hannah et al. for Madagascar. We urge scientists in this field to forge alliances with those at the coalface of conservation implementation, to flesh out robust principles and detailed recommendations based on global change biology for real-world conservation action, a process recently started at a workshop in southern Africa (Barnard et al. 2007). There is so little time to waste, and so much insight into smart conservation actions to be gained.


Climate Change Science: An Analysis of Some Key Questions (2001)

CLIMATE

Climate is the average state of the atmosphere and the underlying land or water, on time scales of seasons and longer. Climate is typically described by the statistics of a set of atmospheric and surface variables, such as temperature, precipitation, wind, humidity, cloudiness, soil moisture, sea surface temperature, and the concentration and thickness of sea ice. The statistics may be in terms of the long-term average, as well as other measures such as daily minimum temperature, length of the growing season, or frequency of floods. Although climate and climate change are usually presented in global mean terms, there may be large local and regional departures from these global means. These can either mitigate or exaggerate the impact of climate change in different parts of the world.

A number of factors contribute to climate and climate change, and it is useful to define the terms climate forcings, climate sensitivity, and transient climate change for discussion below.

CLIMATE FORCINGS

A climate forcing can be defined as an imposed perturbation of Earth's energy balance. Energy flows in from the sun, much of it in the visible wavelengths, and back out again as long-wave infrared (heat) radiation. An increase in the luminosity of the sun, for example, is a positive forcing that tends to make Earth warmer. A very large volcanic eruption, on the other hand, can increase the aerosols (fine particles) in the lower stratosphere (altitudes of 10&ndash15 miles) that reflect sunlight to space and thus reduce the solar energy delivered to Earth's surface. These examples are natural forcings. Human-made forcings result from, for example, the gases and aerosols produced by fossil fuel burning, and alterations of Earth's surface from various changes in land use, such as the conversion of forests into agricultural land. Those gases that absorb infrared radiation, i.e., the &ldquogreenhouse&rdquo gases, tend to prevent this heat radiation from escaping to space, leading eventually to a warming of Earth's surface. The observations of human-induced forcings underlie the current concerns about climate change.

The common unit of measure for climatic forcing agents is the energy perturbation that they introduce into the climate system, measured in units of watts per square meter (W/m 2 ). The consequences from such forcings are often then expressed as the change in average global temperature, and the conversion factor from forcing to temperature change is the sensitivity of Earth's climate system. Although some forcings&mdashvolcanic plumes, for example&mdashare not global in nature and temperature change may also not be uniform, comparisons of the strengths of individual forcings, over comparable areas, are useful for estimating the relative importance of the various processes that may cause climate change.

CLIMATE SENSITIVITY

The sensitivity of the climate system to a forcing is commonly expressed in terms of the global mean temperature change that would be expected after a time sufficiently long for both the atmosphere and ocean to come to equilibrium with the change in climate forcing. If there were no climate feedbacks, the response of Earth's mean temperature to a forcing of 4 W/m 2 (the forcing for a doubled atmospheric CO2) would be an increase of about 1.2°C (about 2.2°F). However, the total climate change is affected not only by the immediate direct forcing, but also by climate &ldquofeedbacks&rdquo that come into play in response to the forcing. For example, a climate forcing that causes warming may melt some of the

sea ice. This is a positive feedback because the darker ocean absorbs more sunlight than the sea ice it replaced. The responses of atmospheric water vapor amount and clouds probably generate the most important global climate feedbacks. The nature and magnitude of these hydrologic feedbacks give rise to the largest source of uncertainty about climate sensitivity, and they are an area of continuing research.

As just mentioned, a doubling of the concentration of carbon dioxide (from the pre-Industrial value of 280 parts per million) in the global atmosphere causes a forcing of 4W/ m 2 . The central value of the climate sensitivity to this change is a global average temperature increase of 3°C (5.4°F), but with a range from 1.5°C to 4.5°C (2.7 to 8.1°F) (based on climate system models: see section 4 ). The central value of 3°C is an amplification by a factor of 2.5 over the direct effect of 1.2°C (2.2°F). Well-documented climate changes during the history of Earth, especially the changes between the last major ice age (20,000 years ago) and the current warm period, imply that the climate sensitivity is near the 3°C value. However, the true climate sensitivity remains uncertain, in part because it is difficult to model the effect of cloud feedback. In particular, the magnitude and even the sign of the feedback can differ according to the composition, thickness, and altitude of the clouds, and some studies have suggested a lesser climate sensitivity. On the other hand, evidence from paleoclimate variations indicates that climate sensitivity could be higher than the above range, although perhaps only on longer time scales.

TRANSIENT CLIMATE CHANGE

Climate fluctuates in the absence of any change in forcing, just as weather fluctuates from day to day. Climate also responds in a systematic way to climate forcings, but the response can be slow because the ocean requires time to warm (or cool) in response to the forcing. The response time depends upon the rapidity with which the ocean circulation transmits changes in surface temperature into the deep ocean. If the climate sensitivity is as high as the 3°C mid-range, then a few decades are required for just half of the full climate response to be realized, and at least several centuries for the full response. 1

Such a long climate response time complicates the climate change issue for policy makers because it means that a discovered undesirable climate change is likely to require many decades to halt or reverse.

Increases in the temperature of the ocean that are initiated in the next few decades will continue to raise sea level by ocean thermal expansion over the next several centuries. Although society might conclude that it is practical to live with substantial climate change in the coming decades, it is also important to consider further consequences that may occur in later centuries. The climate sensitivity and the dynamics of large ice sheets become increasingly relevant on such longer time scales.

It is also possible that climate could undergo a sudden large change in response to accumulated climate forcing. The paleoclimate record contains examples of sudden large climate changes, at least on regional scales. Understanding these rapid changes is a current research challenge that is relevant to the analysis of possible anthropogenic climate effects.

1 The time required for the full response to be realized depends, in part, on the rate of heat transfer from the ocean mixed layer to the deeper ocean. Slower transfer leads to shorter response times on Earth's surface.


5.2 What will be the impact on marine fisheries?

Arctic marine fisheries provide an important food source globally, and are a vital part of the region’s economy. In the past climate change has induced major ecosystem shifts in some areas and this could happen again resulting in radical unpredictable changes in species present. More.

5.2.1 An example of a positive impact of climate change is the cod population in West Greenland which thrived between the 1920s and 1960s, a time period when the waters were warmer then they are now. A warming of the climate is thus likely to have a positive effect on the cod population allowing more fishing. An example of a negative impact is the fishing of shrimp in Greenlandic waters which is likely to suffer, both from the predicted changes in climatic conditions and from the growing cod population who feed on shrimp. More.

5.2.2 In the early 1950s, the Norwegian herring stock was the largest in the world, and was important to Norway, Iceland, Russia, and the Faroe Islands. In the 1960s, a sudden and severe cooling of the waters west of the Norwegian Sea where the herrings were feeding, combined with high intensity fishing, contributed to the collapse of the Norwegian Herring Stock. Since the 1970s the return of favorable climatic conditions and international agreements on restricting the capture of herring permitted a gradual recovery of the stock. Such international agreements will be crucial in future as climate change alters fish stocks and their ranges. More.

5.2.3 A climate shift also occurred in the Bering Sea in 1977, bringing about an abrupt warming that favored a number of commercially fished species, such as herring, pollock and cod, and led to record catches of salmon in subsequent years.

In some areas, such as most of the North Atlantic, where only a relatively slight warming is expected, the total effect of climate change on fish stocks is likely to be less strong than the effects of fisheries management, at least for the next few decades. In the Bering Sea, however, the impacts of rapid climate change are already apparent, with a displacement or a decline of cold-water species brought about by the warming of bottom waters. While it seems unlikely that the effects of climate change on fisheries will have long-term social and economic impacts throughout the Arctic, particular people and places may be strongly affected. More.

5.2.4 In the past century, certain fishing towns, such as Paamiut in West Greenland, which concentrated on a single fishery resource, such as cod, have been particularly vulnerable when water temperature changes led to the decline of local fish populations. More.


Opțiuni de acces

Obțineți acces complet la jurnal timp de 1 an

Toate prețurile sunt prețuri NET.
TVA-ul va fi adăugat mai târziu la finalizarea comenzii.
Calculul taxelor va fi finalizat în timpul plății.

Obțineți acces limitat în timp sau complet la articole pe ReadCube.

Toate prețurile sunt prețuri NET.


Managing global climate change -- and local conditions -- key to coral reefs' survival

Australian researchers recently reported a sharp decline in the abundance of coral along the Great Barrier Reef. Scientists are seeing similar declines in coral colonies throughout the world, including reefs off of Hawaii, the Florida Keys and in the Indo-Pacific region.

The widespread decline is fueled in part by climate-driven heat waves that are warming the world's oceans and leading to what's known as coral bleaching, the breakdown of the mutually beneficial relationship between corals and resident algae.

But other factors are contributing to the decline of coral reefs, as well, including pollution and overfishing.

According to a new study, "Local conditions magnify coral loss after marine heatwaves," published in the journal Ştiinţă, what's key to coral reefs surviving climate-driven heatwaves and subsequent bleaching is managing global climate change -- and local conditions.

"We found a strong signal that local conditions influenced outcomes for corals after heat-stress events," said Mary Donovan, lead author of the study and assistant professor in the School of Geographical Sciences and Urban Planning at Arizona State University.

"Although some have argued that climate change is so overwhelming that conserving coral reefs on a local scale is futile, our study found that local impacts on coral reefs magnified the effects of climate-driven heatwaves," said Donovan. "This suggests that local action to conserve coral reefs can help reefs withstand the effects of climate change."

The importance of local conditions to reef survival is often dismissed, making those who rely on coral reefs for their livelihood or those who are stewards of the reefs feel hopeless. Yet, coral reefs are profoundly important.

"Coral reefs are important on a fundamental level for biodiversity," said Donovan, who is also a member of ASU's Center for Global Discovery and Conservation Science.

Two local issues that can have a large effect on the health of coral reefs are nutrient pollution and overfishing. Overfishing depletes the number of fish that eat algae and keep the reef's ecosystem in balance. For example, depleting the number of herbivorous fish can lead to an overabundance of macroalgae, which can indicate a stressed ecosystem.

Meanwhile, nutrient pollution from land, including run off from golf courses, agriculture and urban development along coastlines greatly threatens reefs.

However, both overfishing and pollution offer opportunities for management strategies that could boost coral reefs' resistance to climate change.

Study data were collected world-wide by professional scientists as well as trained and certified community-scientists on behalf of Reef Check. Only data collected during and within one year after a climate-driven bleaching event were analyzed to determine the health of the reef. Donovan is now applying this research to local efforts to address conditions that harm reefs.

"Coral reefs take up some of the smallest area on our planet, but harbor the most species of any ecosystem on Earth, and they're also incredibly important to people. People all over the world rely on reefs for food security, for coastal protection from storms, and for other livelihoods. In many parts of the world, it isn't only a question of beauty, but a question of survival."

The research was funded by the National Science Foundation and a grant from the Zegar Family Foundation.


A fiery past sheds new light on the future of global climate change

Centuries-old smoke particles preserved in the ice reveal a fiery past in the Southern Hemisphere and shed new light on the future impacts of global climate change, according to new research published in Science Advances.

"Up till now, the magnitude of past fire activity, and thus the amount of smoke in the preindustrial atmosphere, has not been well characterized," said Pengfei Liu, a former graduate student and postdoctoral fellow at the Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) and first author of the paper. "These results have importance for understanding the evolution of climate change from the 1750s until today, and for predicting future climate."

One of the biggest uncertainties when it comes to predicting the future impacts of climate change is how fast surface temperatures will rise in response to increases in greenhouse gases. Predicting these temperatures is complicated since it involves the calculation of competing warming and cooling effects in the atmosphere. Greenhouse gases trap heat and warm the planet's surface while aerosol particles in the atmosphere from volcanoes, fires and other combustion cool the planet by blocking sunlight or seeding cloud cover. Understanding how sensitive surface temperature is to each of these effects and how they interact is critical to predicting the future impact of climate change.

Many of today's climate models rely on past levels of greenhouse gasses and aerosols to validate their predictions for the future. But there's a problem: While pre-industrial levels of greenhouse gasses are well documented, the amount of smoke aerosols in the preindustrial atmosphere is not.

To model smoke in the pre-industrial Southern Hemisphere, the research team looked to Antarctica, where the ice trapped smoke particles emitted from fires in Australia, Africa and South America. Ice core scientists and co-authors of the study, Joseph McConnell and Nathan Chellman from the Desert Research Institute in Nevada, measured soot, a key component of smoke, deposited in an array of 14 ice cores from across the continent, many provided by international collaborators.

"Soot deposited in glacier ice directly reflects past atmospheric concentrations so well-dated ice cores provide the most reliable long-term records," said McConnell.

What they found was unexpected.

"While most studies have assumed less fire took place in the preindustrial era, the ice cores suggested a much fierier past, at least in the Southern Hemisphere," said Loretta Mickley, Senior Research Fellow in Chemistry-Climate Interactions at SEAS and senior author of the paper.

To account for these levels of smoke, the researchers ran computer simulations that account for both wildfires and the burning practices of indigenous people.

"The computer simulations of fire show that the atmosphere of the Southern Hemisphere could have been very smoky in the century before the Industrial Revolution. Soot concentrations in the atmosphere were up to four times greater than previous studies suggested. Most of this was caused by widespread and regular burning practiced by indigenous peoples in the pre-colonial period," said Jed Kaplan, Associate Professor at the University of Hong Kong and co-author of the study.

This result agrees with the ice core records that also show that soot was abundant before the start of the industrial era and has remained relatively constant through the 20th century. The modelling suggests that as land use changes decreased fire activity, emissions from industry increased.

What does this finding mean for future surface temperatures?

By underestimating the cooling effect of smoke particles in the pre-industrial world, climate models might have over-estimated the warming effect of carbon dioxide and other greenhouse gasses in order to account for the observed increases in surface temperatures.

"Climate scientists have known that the most recent generation of climate models have been over-estimating surface temperature sensitivity to greenhouse gasses, but we haven't known why or by how much," said Liu. "This research offers a possible explanation."

"Clearly the world is warming but the key question is how fast will it warm as greenhouse gas emissions continue to rise. This research allows us to refine our predictions moving forward," said Mickley.

The research was co-authored by Yang Li, Monica Arienzo, John Kodros, Jeffrey Pierce, Michael Sigl, Johannes Freitag, Robert Mulvaney and Mark Curran.

It was funded by the National Science Foundation's Geosciences Directorate under grants AGS-1702814 and 1702830, with additional support from 0538416, 0538427, and 0839093.


Priveste filmarea: How to connect Speakers. Motherbroad. PC. Computer (Ianuarie 2022).