기후 변화로 인한 산림 회복력 감소의 새로운 신호

Nature 608권, 534~539페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

산림 생태계는 자연적, 인위적 교란을 견디고 회복하는 능력(즉, 회복력)에 달려 있습니다1. 나무 폐사율의 급격한 증가에 대한 실험적 증거는 산림 탄력성2의 변화에 대한 우려를 불러일으키고 있지만 기후 변화에 대응하여 어떻게 진화하고 있는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기에서는 위성 기반 식생 지수를 기계 학습과 통합하여 중요한 감속 지표3,4,5 측면에서 정량화된 산림 복원력이 2000~2020년 기간 동안 어떻게 변화했는지 보여줍니다. 우리는 열대, 건조 및 온대 산림이 회복력이 크게 감소하고 있음을 보여줍니다. 이는 아마도 물 제한 및 기후 변동성 증가와 관련이 있을 것입니다. 대조적으로, 아한대 산림은 회복력이 평균적으로 증가하는 경향을 보이는 다양한 지역 패턴을 보여주며, 아마도 기후 변화의 부작용보다 더 클 수 있는 온난화와 CO2 비옥화로 인해 이익을 얻을 수 있습니다. 이러한 패턴은 관리되는 산림과 온전한 산림 모두에서 일관되게 나타나며, 이는 일반적인 대규모 기후 동인의 존재를 확증합니다. 회복력의 감소는 중요한 회복력 임계값을 향한 느린 표류에 대응하여 발생하는 산림 1차 생산성의 급격한 감소와 통계적으로 연관되어 있습니다. 총 1차 생산성의 3.32PgC에 해당하는 온전한 교란되지 않은 산림의 약 23%가 이미 임계점에 도달했으며 복원력이 더욱 저하되고 있습니다. 종합적으로, 이러한 신호는 육상 기반 완화 및 적응 계획 설계 시 고려해야 할 교란을 견딜 수 있는 산림 용량의 광범위한 감소를 나타냅니다.

산림은 약 4,100만km2에 달하며 이는 육지 표면의 약 30%에 해당합니다. 탄소는 인위적 탄소 배출의 약 33%를 흡수하는 등 지구 탄소 순환에서 근본적인 역할을 하며, 미래 기후 변화를 완화하기 위한 핵심 요소로 간주됩니다6. 또한, 숲은 물 흐름 조절, 토양 보호, 생물다양성 보존 등 사회적 복지에 기여하는 일련의 생태계 서비스를 제공합니다7. 불행하게도 산림 생태계는 자연적 요인(예: 화재, 폭풍, 병원체)과 인위적 압력을 포함한 수많은 교란으로 인해 점점 더 위험에 처해 있습니다2. 이러한 생태계의 지속성과 기능성은 환경 변동을 견디고 복구하는 능력으로 정의되는 탄력성에 크게 의존합니다3,4,5. 복원력이 낮은 산림은 외부 동인의 이상 현상에 더 민감하며 갑작스럽고 되돌릴 수 없는 변화(예: 체제 변화)에 잠재적으로 더 많이 노출됩니다8. 이는 가까운 미래에 주요 생태계 서비스 제공에 영향을 미칠 수 있는 교란 체제가 지속적으로 강화되고 있다는 관점에서 특히 중요합니다9,10,11. 동시에 가장 야심찬 기후 목표를 달성하기 위해서는 지속적인 탄소 흡수원과 저장량에 의존하는 산림 기반 완화 전략이 중요해지고 있습니다. 이러한 맥락에서 외부 섭동에 대한 산림 탄소 저장량과 플럭스의 취약성을 조사하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 그러나 지구 환경 변화에 대응하여 산림 복원력이 어떻게 진화해 왔는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 따라서 산림 복원력의 기본 메커니즘과 최근 역학을 이해하는 것은 건전한 보존 및 관리 계획을 개발하는 데 가장 중요합니다.

이론적 연구에 따르면 시스템이 티핑 포인트(즉, 자체 지속 폭주 변화가 시작되는 임계값)에 접근하면 탄력성을 잃어 작은 연속 외부 동요가 시스템을 대체 구성으로 전환할 수 있음이 입증되었습니다. 이러한 복원력 손실은 임계값에서 발생하는 시스템 프로세스의 임계 속도 저하(CSD)로 인한 복구 속도 감소를 반영하여 시스템 상태에서 증가된 시간적 자기 상관(TAC)에서 감지될 수 있다고 제안되었습니다3 , 4,5 (보충 방법 1-3 및 보충 그림 1 및 2). 이러한 프레임워크에서 복원력은 주요 사건에 의해 상태 변화가 유발된 후 초기 상태로의 회복이 아니라 교란을 견디고 상태 변화를 피하는 생태계의 능력으로 정의됩니다. 회복력의 감소는 생태계를 불안정하게 만들거나 적어도 교란에 따른 체제 변화(예: 생산성, 잎 면적 지수 또는 종 구성 측면에서)에 더 취약하게 만드는 손상된 생리적 기능으로 인해 발생할 수 있습니다12,13,14. 이 속성은 정적 산림 복원력15,16,17,18의 공간 패턴을 평가하기 위해 이전 연구에서 활용되었습니다. 그러나 동적 맥락에서 이 방법을 대규모로 적용하는 것은 관측의 제한된 시계열, 생태계 반응과 강제 신호의 변화에 주요 계절 주파수의 존재, 강제 신호의 자기 상관의 변화 및 존재로 인해 어렵습니다. 확률적 잡음4. 지금까지 이러한 과제로 인해 실제 시스템에서 산림 복원력의 시간적 진화에 대한 연구가 제한되었으며 19,20,21 글로벌 규모의 평가가 실질적으로 부족했습니다. 이러한 측면에서, 수십 년에 걸쳐 시간적으로 일관된 지구 관측의 가용성이 확대되면서 이제 지역 및 글로벌 규모에서 시변 산림 탄력성을 모니터링할 수 있는 새로운 기회가 제공되고 있습니다.

|\(\delta \text{TAC}\)| due to changes in forest density). This ultimately resulted in a net loss in forest resilience in these biomes (Fig. 1a–c). The increasing forest vulnerability to natural disturbances and the increased tree mortality throughout much of the Americas and in Europe over recent decades provide independent evidence of ongoing decline of forest resilience25,26. The above-mentioned climate-related pressures have occurred in boreal forests as well, but their severity probably could not compensate the gain associated with the positive effect of CO2 fertilization and a warmer climate in most areas of this temperature-limited biome (Fig. 1d,e). However, the pattern observed at the high latitudes could eventually change in response to the expected decline in water availability due to the interplay between global warming and anticipated phenology27. In fact, recent observational studies suggest that global forests are switching from a period dominated by the positive effects of CO2 fertilization to a period characterized by the progressive saturation of the positive effects of fertilization on carbon sinks and the rise of negative impacts of climate change28,29./p>

\delta {\rm{TAC}}\left(\mathrm{no\; AD}\right)\), and the significance of the difference in the two sampled means (AD and no AD) was evaluated through a two-sided t-test. Probability and significance were assessed for different climate regions and severity of ADs (Fig. 3a). High statistically significant probabilities suggest that the AD is following the drifting towards a critical resilience threshold plausibly associated with changes in environmental drivers./p> 0\) and \({{{\rm{TAC}}}^{2020}\ge {\rm{TAC}}}_{{\rm{AD}}}\) therefore represent the most critical conditions, as they indicate that the critical resilience threshold for AD has already been reached and the ecosystem is continuing to lose its capacity to respond to external perturbations. We finally quantified the amount of GPP potentially exposed to such critical conditions by linearly extrapolating the GPP for the year 2020 (available GPP data stop in 2019) and overlaying it on the map of critical conditions (proximity to \({\rm{AD}} < 0\) and \(\delta {\rm{TAC}} > 0\))./p>