На изменяющихся побережьях ученые приближают будущее

Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) исследуют влажные, илистые зоны, где реки и суша встречаются с морем, чтобы лучше понять, как эти жизненно важные ландшафты эволюционируют под влиянием изменения климата.

Около 40% населения США проживает в прибрежных округах. Побережья — основа экономики, здесь расположены порты, ключевая энергетическая инфраструктура, рыболовство и центры туризма, производящие товары и услуги на $10 трлн в год. Прибрежные водно-болотные угодья служат эффективным барьером, смягчающим последствия наводнений. Однако сильные штормы, постоянное повышение уровня моря и растущая инфраструктура создают уникальные проблемы для этих экосистем. Исследователи ORNL собирают и анализируют данные о взаимодействии воды, почв, растений и микробов и их влиянии на круговорот углерода и питательных веществ в таких средах, как марши Луизианы, мангровые болота Техаса и прибрежные заболоченные земли Чесапикского залива и озера Эри. Их цель — улучшить ведущие модели земной системы, которые помогают лицам, принимающим решения, готовиться к будущему.

Элизабет Херндон, старший научный сотрудник отдела наук об окружающей среде ORNL, руководит проектом по изучению того, как колебания уровня воды на побережье Луизианы влияют на изменения в биогеохимических процессах. Исследование включает два участка: один, где дельта активно растет после перенаправления части реки для снижения риска наводнений в городе, и другой, где земля погружается из-за прекращения поступления осадков, что ведет к усиленному затоплению и засолению почв. Это часть проекта DOE Early Career Award Херндон, посвященного влиянию пресноводных и морских затоплений на взаимодействие фосфата с железом и марганцем в прибрежных экосистемах. «Наша цель — понять состав почвы и воды, что укажет нам на важные процессы, происходящие на участках по мере развития экосистемы», — сказала Херндон. Удержание или вынос фосфора в море может влиять на такие события, как цветение водорослей и «мертвые зоны» в Мексиканском заливе. Эти процессы во многом определяются редокс-вариабельностью (окислительно-восстановительными реакциями), которая недостаточно представлена в современных моделях.

Тери О'Меара, эколог ORNL, сотрудничает в нескольких проектах, включая крупный проект COMPASS, чтобы понять связь между динамикой растительности и биогеохимическими циклами в ответ на антропогенные изменения. «До наших проектов в моделях поверхности суши было очень мало деталей о латеральном переносе воды и осадков. Побережье было недостаточно описано в наших моделях земной системы», — отметила О'Меара. Ученые также изучают влияние потепления на круговорот углерода в проекте SMARTX в Чесапикском заливе, где обнаружено, что выбросы метана из прибрежных болот значительно увеличиваются с ростом температуры. «Если мы поймем основные процессы в экосистеме, мы сможем включить их в модель и анализировать их влияние на выживание побережья и меры по повышению устойчивости», — добавила она.

Собранные данные на разных масштабах интегрируются в глобальные модели. Бенджамин Сулман из ORNL использует набор биогеохимических моделей для включения этих процессов в Модель поверхности суши масштабной модели земной системы Министерства энергетики США (E3SM). «Эти экосистемы интересны тем, что находятся на стыке суши и воды, пресной и соленой воды. Поэтому они очень динамичны, и мы можем наблюдать большие изменения в гидрологии и биогеохимии буквально за часы», — сказал Сулман. Прибрежные зоны могут накапливать много углерода, но также выделять парниковые газы, такие как метан и закись азота. Колебания приливов вносят в систему соль или пресную воду, создавая высокую вариабельность. Ученые недавно достигли вехи, успешно интегрировав редокс-реакции и другие ключевые процессы в модель E3SM с использованием биогеохимической модели PFLOTRAN.

Ученые также встроили в модель реакции фотосинтеза растений на засоление. Включение более частых наблюдений, связанных с приливами и фотосинтезом, позволяет четче анализировать изменения, значительно влияющие на круговорот питательных веществ в почве. Хотя работа была сосредоточена на данных с побережий Мэриленда и Массачусетса, Сулман теперь сотрудничает с Херндон для аналогичного моделирования на основе данных из Луизианы. В более долгосрочной перспективе ученые планируют перейти от оценки модели на отдельных участках к симуляциям в масштабах целых регионов. «(Прибрежные экосистемы) одновременно экологически важны и находятся под угрозой. Многое из того, от чего мы зависим в этих районах, — рыболовство, портовые системы, болота, защищающие от наводнений, — зависит от сохранности прибрежных экосистем», — заключил Сулман.