Ekstrem vintervarme i nordområdene og dens biologiske effekter i fortid, nåtid og framtid 

Formålet med prosjektet er å forstå hvordan endret vinterklima vil forårsake endringer i økosystemer og vegetasjonssammensetning i nordområdene på land. 

Brun krøkebærhei i Storfjord kommune etter vinteren 2011/12. Også vegetasjonen rundt er mindre grønn enn vanlig som følge av kaldt sommervær med flere frostnetter. Fortsatt mye snø i fjellet selv om vi her har passert midten av juli.
Brun krøkebærhei i Storfjord kommune etter vinteren 2011/12. Også vegetasjonen rundt er mindre grønn enn vanlig som følge av kaldt sommervær med flere frostnetter. Fortsatt mye snø i fjellet selv om vi her har passert midten av juli. Foto © Jarle W. Bjerke/NINA

For å forstå dette har vi gjort følgende:

  • analyseret effektene av tidligere vinterhendelser på planter, dyr, snø, is og tele
  • innhentet erfaringsbasert kunnskap fra personer som i årtier har opplevd endringer i klima og natur
  • simuleret vinterforstyrrelser utendørs og under kontrollerte forhold i klimalaboratorium
  • benyttet data fra naturlige og simulerte hendelser som grunnlag i modelleringer av framtidas klima og økosystemendringer

Under isen venter våren from Bioforsk on Vimeo.

Ekstremvær stresser naturen i nord from Bioforsk on Vimeo.

Snow season effects on grassland productivity in sub-Arctic Norway from NIBIO on Vimeo.

Publikasjoner

Internasjonale EWWA-publikasjoner

Lenke er lagt til for artikler som er åpent tilgjengelig for alle. Kontakt Jarle W. Bjerke eller en av de andre forfatterne for elektronisk kopi.

  • Bjerke J.W., Elvebakk A. & Tømmervik H. 2017: Alpine garden plants from six continents show high vulnerability to ice encasement. Norsk Geografisk Tidsskrift–Norwegian Journal of Geography 71, publisert online 27. oktober 2017, doi: 10.1080/00291951.2017.1391876.
  • Malnes E., Karlsen S.R., Johansen B., Bjerke J.W. & Tømmervik H. 2016: Snow season variability in a boreal-Arctic transition area monitored by MODIS data. Environmental Research Letters 11: 125005, 13 pp., doi: 10.1088/1748-9326/11/12/125005 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/11/12/125005
  • Bjerke J.W., Bokhorst S., Callaghan T.V. & Phoenix G.K. 2016: Persistent reduction of segment growth and photosynthesis in a widespread and important sub-Arctic moss species after cessation of three years of experimental winter warming. Functional Ecology 31: 127-134, doi: 10.1111/1365-2435.12703.
  • Vikhamar-Schuler D., Isaksen K., Haugen J.E., Tømmervik H., Luks B., Schuler T.V. & Bjerke J.W. 2016: Changes in winter warming events in the Nordic Arctic Region. Journal of Climate 29 (17): 6223–6244, http://dx.doi.org/10.1175/JCLI-D-15-0763.1
  • Riseth J.Å., Tømmervik H. & Bjerke J.W. 2016: 175 years of adaptation: North-Scandinavian Sámi reindeer herding between governmental policies and winter climate variability (1835-2010). Journal of Forest Economics 24: 186–204. doi: 10.1016/j.jfe.2016.05.002.
  • Phoenix G.K. & Bjerke J.W. 2016: Arctic browning: events and trends as drivers. Global Change Biology 22 (9): 2960-2962. http://dx.doi.org/10.1111/gcb.13261
  • Bokhorst S., Pedersen S.H., Brucker L., Anisimov O., Bjerke J.W., Brown R.D., Ehrich D., Essery R.L.H., Heilig A., Ingvander S., Johansson C., Johansson M., Jónsdóttir I.S., Niila I., Luojus K., Macelloni G., Mariash H., McLennan D., Rosqvist G.N., Sato A., Savela H., Schneebeli M., Sokolov A., Sokratov S.A., Terzago S., Vikhamar-Schuler D., Williamson S.N., Qiu Y. & Callaghan T.V. 2016: Changing Arctic snow cover: A review of recent developments and assessment of future needs for observations, modelling and impacts. Ambio 45 (5): 516–537 + forsidebilde. http://dx.doi.org/10.1007/s13280-016-0770-0
  • Bjerke J.W., Tømmervik H., Zielke M. & Jørgensen M. 2015: Impacts of snow season on ground-ice accumulation, soil frost and primary productivity in a grassland of sub-Arctic Norway. Environmental Research Letters 10: 095007, 14 s. http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/10/9/095007
  • Bokhorst S., Phoenix G.K., Berg M.P., Callaghan T.V, Kirby-Lambert C. & Bjerke J.W. 2015: Climatic and biotic extreme events moderate long-term responses of above- and belowground sub-Arctic heathland communities to climate change. Global Change Biology, 21: 4063–4075. DOI: 10.1111/gcb.13007. 
  • Bjerke J.W., Karlsen S.R., Høgda K.A., Malnes E., Jepsen J.U., Lovibond S., Vikhamar-Schuler D. & Tømmervik H. 2014: Record-low primary productivity and high plant damage in the Nordic Arctic Region in 2012 caused by multiple weather events and pest outbreaks. Environmental Research Letters 9: 084006. (14 s. + 34 s. supplementær informasjon). http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/9/8/084006
  • Callaghan T.V., Jonasson C., Thierfelder T., Zhenlin Y., Hedenås H., Johansson M., Molau U., Van Bogaert R., Michelsen A., Olofsson J., Gwynn-Jones D., Bokhorst S., Phoenix G.K., Bjerke J.W., Tømmervik H., Christensen T.R., Hanna E., Koller E.K. & Sloan V.L. Ecosystem change and stability over multiple decades in the Swedish sub-Arctic: complex processes and multiple drivers. Philosophical Transactions of the Royal Society, B, Biological Sciences 368, doi: 10.1098/rstb.2012.0488 
  • Xu L., Myneni R.B., Chapin III F.S., Callaghan T.V., Pinzon J.E., Tucker C.J., Zhu Z., Bi J., Ciais P., Tømmervik H., Euskirchen E.S., Forbes B.C., Piao S.L., Anderson B.T., Ganguly S., Nemani R.R., Goetz S.J., Beck P.S.A., Bunn A.G., Cao C. & Stroeve J.C. 2013. Temperature and vegetation seasonality diminishment over northern lands. Nature Climate Change 3: 581–586, doi: 10.1038/nclimate1836 
  • Bjerke J.W., Bokhorst S., Callaghan T.V., Zielke M. & Phoenix G.K. 2013. Rapid photosynthetic recovery of a snow-covered feather moss and Peltigera lichen during sub-Arctic midwinter warming. Plant Ecology & Diversity 6 (3-4): 383–392, doi: 10.1080/17550874.2013.771712. 
  • Olofsson J., Tømmervik H. & Callaghan T.V. 2012. Vole and lemming activity observed from space. Nature Climate Change 2: 880-883, doi: 10.1038/NCLIMATE1537. 
  • Bokhorst S., Bjerke J.W., Tømmervik H., Preece C. & Phoenix G.K. 2012. Ecosystem response to climatic change: the importance of the cold season. Ambio 41 (suppl. 3): 246–255, http://dx.doi.org/10.1007/s13280-012-0310-5  

Prosjektsammendrag

Endringer av vinterklimaet i nordområdene vil til en stor grad vise seg gjennom økt frekvens av relativt kortvarige mildværsperioder som fører til delvis eller full snøsmelting over store områder, og kun i mindre grad som en gradvis økning i daglige gjennomsnittstemperaturer. Endringene som mildværsbølgene forårsaker kan være ekstreme for nordlige økosystemer ved at de forstyrrer vinterdvaleperioden.

Frekvensen av mildværsperioder var svært høy på 1930-tallet, samt i løpet av de siste 15 årene. For denne siste perioden har spesielt Svalbard hatt økende frekvens. Tidsserier for tele i jordsmonn viser ingen langtidsendringer, selv om tre av de fire siste vintrene hadde dypere tele enn normalt. I vintre med dyp tele er det gjerne også mye isdannelse på bakken. Isutviklingen starter under snødekket etter mildværsperioder og blir jevnt tykkere og hardere utover sesongen i takt med antall episoder med tining og frysing. Is og tele fører til vegetasjonsskader og reduserte avlinger, samt økte kompensasjonsutbetalinger til gårdbrukere. Satellitter har vist seg nyttige til å finne perioder i løpet av vintrene med usedvanlig lite eller stort areal dekket av snø. Senvinteren 2012 var en slik periode med mye snødekke til tross for lite snø midtvinters. Våre undersøkelser i naturen og satellittbilder viser at planteproduksjonen sommeren 2012 var langt lavere enn normalt. Vinterstress, frost etter vekststart, insektsutbrudd og flom var de viktigste årsakene til den reduserte produksjonen. Mange ulike plantegrupper hadde store synlige skader, bl.a. vintergrønne lyngplanter, nålebusker, bregner, bjørk og urter. Historiske data, inkludert innhentet informasjon fra reineieres tradisjonelle økologiske kunnskap, tyder på at værhendelser som forårsaker skade på nordlige økosystemer og forverrede vinterbeiteforhold har økt i frekvens de siste tiårene, men frekvensen har vært høy også i tidligere perioder, slik som 1930-tallet. Vår historiske analyse viser at politiske omveltninger og tvungne forflytninger også bidro sterkt til at 1930-tallet og andre epoker ble katastrofale for reindrifta i deler av Nord-Skandinavia. En nylig hendelse som vi har studert i detalj inntraff i 2007/08 og førte til store skader på lyngplanter. Satellittbilder viser at skadene var størst i sørvendte lier i et langt større område enn det som var mulig å befare i felt.

Våre eksperimentelle studier dokumenterer langt på veg årsakssammenhengene mellom klimatisk stress og vegetasjonsskader, slik vi har observert dem i naturen. Etter flere gjentakende vintre med simulerte mildværsperioder som fører til full snøsmelting er mengden av de dominerende lyngplantene kraftig redusert, mens gressmengden økte. Mengde av sopp og av spretthaler i jordsmonnet ble også redusert. Naturlige utbrudd av bjørkemålere i påfølgende år førte til en ytterligere forverring av situasjonen for de vintergrønne plantene i vår studiefelter, mens mengden gress, lav og moser økte. Disse resultatene skiller seg betydelig fra studier som kun ser på trendbaserte endringer i sommerklima, hvor man ser en reduksjon i moser og lav på bekostning av karplanter. En rekke lange tidsserier inkludert satellittdata fra området rundt Abisko i Nord-Sverige viser ulike typer av vegetasjonsendringer som følge av endringer i klima og beitetrykk fra rein, fjellbjørkemålere og lemen. Beitetrykket fra lemen viste seg å være mulig å overvåke ved hjelp av satellittbilder, og beiteeffekten lot seg skille fra klimainduserte vegetasjonsendringer. Enkelte områder rundt Abisko viser overraskende stor stabilitet. Kontrollerte forsøk i klimalaboratorium viser at nordlige gressarter, moser og lav har stor variasjon i toleranse for å være dekket av is eller være eksponert til vær og vind. Bjørk er den mest hardføre av artene vi har testet, mens en alpin økotype av rødsvingel er det mest hardføre gresset.

Våre trendanalyser viser at den pågående trenden med økende antall mildværsbølger om vinteren vil fortsette og forsterkes, noe som vil gi økt vinterstress. Samtidig vil andre væranomalier, f.eks. frost etter vekststart, trolig også øke i frekvens. Konsekvensene for dagens nordlige økosystemer vil være betydelige. På kort sikt, dvs. de første tiårene, vil de gjentatte skadene kunne føre til lavere produktivitet hos plantene, og mindre karbon vil tas opp. På lengre sikt vil det skje en endring av økosystemene. Arter som tåler bedre det økte stressnivået vil bli mer dominerende, og dette kan medføre utvikling av strukturelt nye økosystemer, det vil si at de vil ha sammensetninger av arter som i dag ikke vokser sammen. Disse endringene i produktivitet og struktur vil videre ha stor innvirkning på andre trofiske nivåer, dvs. nedbrytere, beitedyr og rovdyr, samt naturbaserte industrier.

Ytterligere informasjon om sentrale artikler

Et sentralt moment i prosjektet er å analysere effekten av eventuelle naturlige vinteroppvarmingshendelser i løpet av prosjektperioden. Alle vintrene i prosjektperioden har hatt slike hendelser med skadelige utfall for vegetasjon. Vinteren 2011-12 var særs ekstrem. Samtidig inntraff en rekke andre værtyper som førte til en rekke skader på vegetasjon i nordområdene. Dette ga oss en utmerket anledning til å studere den samlede effekten av flere stresstyper, en såkalt multippel stresstilnærming.

I august 2014 publiserte vi en vitenskapelig artikkel i tidsskriftet Environmental Research Letters om «uåret» 2012. Artikkelen er 48 sider lang inkludert supplementær informasjon. Vi viser i denne artikkelen hvordan en rekke værepisoder og utbrudd av skadegjørere bidro til en rekordlav primærproduksjon i naturlige økosystemer og agroøkosystemer i nordområdene. Denne sommeren hadde den desidert laveste registrerte grønnhetsverdien, målt fra satellitt, på 2000-tallet. I tillegg til betydelig vinterforstyrrelse gjennom ugunstige varmebølger bidro bl.a. frostepisoder i vekstsesongen, en generelt kald sommer, flom, saltskader etter storm og utbrudd av flere skadegjørende insekter og rustsopp til denne rekordlave primærproduksjonen. Sannsynligheten er stor for at de pågående klimaendringene vil føre til økt frekvens av slike opphopninger av skadegjørende hendelser og klima-induserte utbrudd av skadegjørere. Spesielt kystnære landområder med milde vintre og milde somre vil være utsatt, men også mer kontinentale områder som til nå har opplevd økt primærproduksjon, vil i økende grad kunne bli mer utsatt, dette fordi også disse områdene vil bli mer oseaniske, dvs. at temperaturforskjellen mellom varmeste og kaldeste måned vil bli redusert, som følge av at vintrene vil få en større temperaturøkning enn somrene. Våre litteratursøk tyder på at ingen tidligere har tatt for seg den samlede konsekvensen av så mange stresshendelser i ett og samme studie.

Prosjektdeltakerne Tømmervik og Callaghan har bidratt til å øke forståelsen av hvordan smågnagere (mus og lemen) kan påvirke vegetasjonen slik at de kan fanges opp av satellitter som blant annet måler vegetasjonens grønnhet (NDVI). Det er viktig å kjenne til hvordan biotisk stress og forstyrrelser kan påvirke grønnhet for å kunne skille effekten av disse fra endring i grønnhet som følge av klimatisk stress. Denne artikkelen ble publisert i Nature Climate Change (doi: 10.1038/NCLIMATE1537). Flere prosjektdeltakere (Bokhorst, Bjerke, Tømmervik og Phoenix) var forfattere på en artikkel publisert i et spesialnummer av tidsskriftet Ambio (doi: 10.1007/s13280-012-0310-5), et festskrift til ære for en annen prosjektdeltaker, nemlig Terry V. Callaghan og hans vitenskapelige virke over fire tiår. Artikkelen gir en oversikt over resultater som peker på viktigheten av de kalde årstidene for forståelsen av den totale økosystemresponsen til klimaendringer. Artikkelen inkluderer også tidligere upubliserte data, deriblant på utbrudd av snømugg (muggsopper som dannes under snøen), som er et lite studert fenomen, men som kan ha alvorlige ringvirkninger for vegetasjon og beitedyr.

Prosjektdeltakere Bjerke, Bokhorst, Callaghan, Zielke og Phoenix skrev en artikkel om hvordan moser og lav setter i gang fysiologisk aktivitet i løpet av mildværsperioder om vinteren. Resultatene viser at de reagerer raskt til opptining og etter kort tid har en positiv fotosyntese ved lys tilgang. Artikkelen ble publisert i tidsskriftet Plant Ecology & Diversity (doi: 10.1080/17550874.2013.771712. To av prosjektdeltakerne (Tømmervik og Callaghan) var med i et konsortium på 21 forskere som analyserte endringer i temperaturforskjell mellom årstidene og tilhørende endringer i årstidslengde i nordområdene. De viser bl.a. at ved at vintrene er blitt varmere enn somrene, så blir forskjellene mellom årstidene mindre. Denne artikkelen ble publisert i Nature Climate Change (doi: 10.1038/nclimate1836) og har i ettertid hatt en enorm mediadekning.

En av medforfatterne har forsøkt å holde kontroll på antall siteringer på nettbaserte nyhetssider og trykte nyhetskilder, og antallet engelskspråklige treff er omtrent 263.000.  Resultatene er også blitt behørig omtalt i norske media, med bl.a. førstesideoppslag i Aftenposten (7. april 2013), og oppslag i flere andre medier. Callaghan, Bokhorst, Phoenix, Bjerke og Tømmervik bidro til en syntese av observasjoner av økosystemendringer fra et intensivt studert område, nemlig Abisko-området i Sverige (doi: 10.1098/rstb.2012.0488). Syntesen viser at prosessene som styrer økosystemene er komplekse, og at det er et stort antall faktorer som bidrar til å opprettholde eller endre økosystemtilstandene. Dette er en unik sammenfatning av resultater fra et enkeltområde, ettersom en slik syntese ikke er blitt gjennomført på et slikt detaljnivå for noe annet sted i nordområdene.

Populærvitenskapelige EWWA-publikasjoner, kronikker og egenproduserte videoreportasjer

 

Prosjektinformasjon

Prosjektnavn:

EWWA

Varighet: 2012-2014

Prosjektleder: Jarle W. Bjerke

Ekstrem vintervarme i nordområdene og dens biologiske effekter i fortid, nåtid og framtid. 

Prosjektet ble finansiert av Norges forskninsgråd gjennom Polarporgrammet, og med tilleggsfinansiering fra Framsenteret. 

Prosjektdeltakere:

  • Seniorforsker Hans Tømmervik, NINA 
  • Forsker Stef Bokhorst, Vrije Universiteit Amsterdam
  • Forsker Marit Jørgensen, Bioforsk 
  • Forsker Matthias Zielke, Bioforsk 
  • Seniorforsker Eirik Malnes, NORUT  
  • Seniorforsker Jan Åge Riseth, NORUT
  • Seniorforsker Dagrun Vikhamar Schuler, Meteorologisk institutt 
  • Seniorforsker Ketil Isaksen, Meteorologisk institutt  
  • Jan Erik Haugen, Meteorologisk institutt
  • Prof. Arve Elvebakk, Tromsø Museum 
  • Universitetslektor Cecilia Johansson, Uppsala Universitet 
  • Senior lecturer Gareth K. Phoenix, University of Sheffield 
  • Prof. Terry V. Callaghan, bl.a. medlem av Det internasjonale klimapanelet

Øvrige prosjekter - vinterklima