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气候变化常常让人联想到炎热，干旱和飓风。但根据2018年11月23日发布的最新美国国家气候评估报告，近年来冬季的温度比东北部夏季快三倍。这些变化也产生了重大影响。
从历史上看，北半球50％以上的冬季都有积雪。现在气温升高正在减少冬季积雪的深度和持续时间。许多人认为冬季是寒冷气候下生物的休眠时间，但数十年的研究表明，冬季气候条件 - 特别是积雪 - 是森林生态系统和生物体内健康的重要调节因素。
特别是，我们过去十年的工作表明，积雪量的减少可能会损害树木健康并降低森林过滤空气和水的能力。我们的最新研究发现，持续的冬季变暖可能会大大减少美国东北部的积雪，导致树木生长和森林碳储量大幅下降。
雪作为毯子
我们研究北方阔叶林，其中以枫树，黄桦和美国山毛榉树为主，面积85,000平方英里，从明尼苏达州和加拿大中南部以及加拿大海事省和美国东北部。这些森林以其充满活力的秋天色彩而闻名。他们通过吸引游客，徒步旅行者，猎人和露营者来获得收入，并支持木材和枫木糖浆行业。他们还提供重要的生态服务，如储存碳和保持水和空气质量。
当冬季侵入该地区时，温度通常低于冰点，每个物种都需要保温才能应对。树根和土壤生物如昆虫依赖于深层积雪来防寒 - 这是一片真正的雪毯。即使在零度以下的温度下，如果积雪足够深，土壤也可以保持解冻状态。
来自新罕布什尔州哈伯德布鲁克实验森林（Harbard Brook Experimental Forest）的六十年研究表明冬季积雪正在下降，这是迄今为止研究时间最长的研究之一。其他学者进行的研究表明，如果这种趋势持续下去，将增加土壤冻融循环的可能性，对森林健康产生有害影响。
为什么北方森林需要积雪
十多年来，我们一直在哈伯德布鲁克（Hubbard Brook）操纵冬季积雪，研究预计的气候变化对北方阔叶林的影响。在初冬，每次降雪后我们都会到户外去除我们试验地块的积雪。然后我们分析了这个绝缘层如何影响树木和土壤。
我们已经发现，在我们去除积雪的地块中，霜冻穿过一英尺或更多的土壤进入土壤，而它很少在附近的参考地块中延伸超过两英寸深，并且没有改变积雪。正如冻融循环在城市街道上形成坑洼，土壤冻结磨损并杀死树根并破坏那些幸存的。
这种根损害引发了一连串的生态反应。死根分解并刺激土壤中二氧化碳的损失。树木从土壤中吸收较少的营养物质，在叶子中积累有毒元素铝，并产生较少的枝条生长。氮是一种关键营养素，可以从土壤中清除。土壤昆虫群落变得不那么丰富和多样化。
雪堆减少会影响树木生长
在我们最近的论文中，我们的气候和水文模型显示，截至2100年，美国东北部森林覆盖绝缘冬季积雪的森林面积将减少95％。今天，纽约北部和新的北部森林面积达33,000平方英里。英格兰冬季通常有几个月的积雪。到2100年，这个区域可能缩小到小于2,000平方英里的地块 - 大约是佛蒙特州的五分之一。
这种下降无疑会对滑雪和雪地摩托车行业造成伤害，并使东北地区的道路更加冻融。它还将显着影响树木的生长。
为了评估积雪与树木生长之间的关系，我们使用了一种称为增量蛀虫的专用空心钻头，从多个糖枫树茎上去除稻草大小的木芯。这些树木中的每一个都经历了冬季积雪或连续五年我们去除了冬季积雪。当我们对核心进行打磨并在显微镜下观察它们时，它们会显示年度成长环，我们可以用它来了解每棵树对环境的反应。
在最初的两年内，我们的分析显示，没有积雪的地块的枫树生长下降了40％。未来三年，增长率仍然下降40％至55％。相比之下，我们的参考地块中的枫树没有生长下降，其中积雪覆盖的树木在隆冬时根。这些结果与其他研究人员在哈伯德布鲁克的早期除雪实验中观察到的根系死亡率相当。
在哈伯德布鲁克，糖枫可以占每年森林生物量积累的一半以上。因此，减少冬季积雪和增加土壤冻结的气候变化可以通过对这些树木的影响将北方阔叶林区的森林生长率降低20％。但我们知道，黄桦也会因土壤冻结而遭受根系破坏，因此我们对整个森林生长变化的估计可能很低。
一些研究表明，温暖的生长季温度可以通过刺激树木生长速度至少部分地弥补这种损害吗？很少有人了解季节性积雪地区的森林如何应对气候变化对季节的交互影响。为了填补这一空白，我们于2013年在哈伯德布鲁克建立了气候变化跨季实验。
在这个项目中，我们使用埋地加热电缆在4月至11月的无雪季节将森林土壤温暖9华氏度（5摄氏度）。在冬季，我们使用加热与埋地加热电缆和铲雪的组合来引发土壤冻融循环。到目前为止，我们的结果表明，冬季土壤冻融循环引起的根系破坏和树木生长减少不会被生长季节的土壤变暖所抵消。
我们的工作表明，经常被忽视的冬季气候变化会影响森林生态系统。失去积雪可以减少森林生长，碳固存和养分滞留，这将对全年的气候变化和空气和水质产生重要影响。
本文最初发表于Andrew Reinmann和Pamela Templer的The Conversation。阅读原文。