Подготовители

Барбара Бенц, Исследовательская станция Роки-Маунтин, Кир Клепзиг, Южная исследовательская станция

Доступна архивная версия этого тематического документа

Вопросы

заражают и размножаются на живых деревьях, способны вызывать гибель деревьев в масштабах всего ландшафта. В Соединенных Штатах (США) основными виновниками являются виды из родов Dendroctonus и Ips. Между 1997 и 2010 г. более 5 миллионов гектаров были поражены короедом в западной части США, в первую очередь горным сосновым жуком ( D. ponderosae ), еловым жуком ( D. rufipennis ) и кедровым жуком ( I. confusus ). )(1), а количество углерода (С) в деревьях, погибших от этих насекомых, превышает количество С в деревьях, погибших от пожара (2). На юго-востоке и северо-востоке США южный сосновый жук ( D. frontalis ) с 2008 г. поразил более 14 000 гектаров, особенно в Нью-Джерси и Миссисипи. До начала активности в конце 2000-х гг. с 2002 г. расширение инвазии южного соснового лубоеда на юго-востоке и северо-востоке не регистрировалось (3). Ясно, что вспышки короедов значительно влияют на динамику лесных экосистем и углеродные циклы, и исследования показывают, что потепление летних и зимних температур является основной причиной вспышек численности жуков в США и очевидного расширения ареала некоторых видов (4, 5, 6). Горный сосновый лубоед, еловый лубоед и южный сосновый лубоед являются примерами короедов со способностью к скачкообразному росту популяции. Популяции существуют на низком уровне в течение многих лет, пока не будут вызваны такими факторами, как засуха (7, 8, 9). ), ветровал (10) и патогены, вызывающие стресс у деревьев (11). Другие виды жуков-короедов, такие как жуки-короеды, могут быть вызваны сходными условиями, хотя динамика их популяции более непосредственно связана с состоянием дерева-хозяина (12). После возникновения триггера рост популяции зависит от масштаба триггера, сохраняющихся благоприятных условий, включая подходящие деревья-хозяева по всему ландшафту (13), и температур, способствующих выживанию зимних жуков (14, 15) и успешному нападению деревьев летом (16). ).

Самка горного соснового лубоеда прогрызает луб дерева-хозяина для откладывания яиц.

Температура управляет физиологическими процессами короедов, такими как развитие личинок и закаливание, тем самым напрямую связывая температуру с ростом популяции. В целом более высокие температуры приводят к более высокой выживаемости и более быстрому развитию, хотя есть температуры, выше которых выживаемость и развитие ухудшаются (17). Жуки-короеды убивают деревья-хозяева посредством массовых атак, процесс, который требует синхронного появления взрослых особей. Синхронность появления происходит через температурные пороги в развитии (17) и диапаузе (18), спящем состоянии сниженного дыхания. Сильная роль температуры в росте популяции и роль, которую уменьшение количества осадков может сыграть в стрессе деревьев-хозяев, позволяют предположить, что сдвиги температуры и осадков, связанные с изменением климата, повлияют на популяции короедов в будущих лесах. Это может привести к увеличению популяций жуков-короедов или, в некоторых случаях, к сокращению, в зависимости от вида и географического положения (4, 16).

Вероятные изменения

Чтобы добиться успеха в условиях обширного географического распространения, внутри видов короедов (19) и между видами произошла адаптация к местным условиям окружающей среды. У видов, заражающих и размножающихся на деревьях в теплых местообитаниях (например, у некоторых популяций южных сосновых лубоедов и пинонов), развились физиологические механизмы, позволяющие производить несколько поколений в течение одного года. Виды с деревьями-хозяевами в более холодном климате (например, горный сосновый лубоед и еловый лубоед) эволюционировали, чтобы выживать в холодные зимы, и появляются во взрослом состоянии, чтобы атаковать деревья в теплые летние месяцы. Таким образом, влияние повышения температуры будет различаться в зависимости от вида и сезонности потепления. Например, южный сосновый лубоед может иметь до 7 поколений в год в самой теплой части своего ареала (3). Однако даже при потеплении горный сосновый лубоед на всем его нынешнем ареале может быть не в состоянии дать несколько поколений за один год, так как он ограничен развившимися адаптациями16. Помимо дифференциального воздействия потепления на сроки развития, потепление зимой окажет положительное влияние на рост популяции большинства видов короедов за счет снижения смертности, вызванной холодом (5, 14, 15, 20).

Виды, которые в настоящее время не полностью занимают свой ареал деревьев-хозяев, считаются по крайней мере частично ограниченными климатом. Другие факторы, такие как конкуренция, могут играть роль, но особенно ограничивающим фактором может быть температура. Недавнее повышение температуры оказало наибольшее влияние на популяции короедов в умеренно прохладных местах обитания, что позволило увеличить численность популяций. Например, вспышки популяций южного соснового жука в настоящее время сохраняются в Нью-Джерси (21), а вспышки горного соснового лубоеда в высокогорных лесах продолжаются темпами, невиданными за последнее столетие (22). Повышение минимальных температур является одним из факторов, объясняющих расширение ареала горного соснового лубоеда в Канаде на север. Деревья подвергаются нападению севернее, чем предполагалось в исторических записях за последние 100 или около того лет (23). Увеличение успеха популяции и расширение ареала из-за освобождения от климатических ограничений недавно наблюдалось и больше всего изучалось в северных широтах. Существует также потенциал для видов, которые в настоящее время ограничены южными широтами в пределах США, для расширения их ареалов на север с прогнозируемым повышением температуры, хотя подробная информация о тепловом влиянии на приспособленность для большинства видов короедов отсутствует. Кроме того, в Мексике обитает множество видов жуков-короедов, заражающих хвойные породы, которые могут распространить свой ареал на юго-запад США (4).

Изменения температуры и характера осадков также косвенно повлияют на жуков-короедов, воздействуя на членов сообщества (24, 25, 26) и деревья-хозяева (27, 28). Хотя существует большая неопределенность в прогнозировании характера осадков, чем температуры, засуха и высокие температуры могут играть роль в инициировании вспышки (7,8, 9). Стрессовые деревья-хозяева в сочетании с теплыми летом и зимой могут привести к распространению вспышек в ландшафте с подходящими деревьями-хозяевами. Члены сообщества, которые приносят как пользу, так и вред жукам-короедам, также подвержены влиянию изменения температуры (29).) и режимы выпадения осадков, хотя об этих взаимодействиях известно меньше.

Варианты управления

Лесные экосистемы эволюционировали из-за вспышек местных короедов. Однако экономические и социальные издержки вспышек могут быть значительными. Некоторые методы могут повысить устойчивость ландшафта к нашествиям короедов. Долгосрочные стратегии, такие как прореживание и предписанное сжигание, могут оптимизировать траектории развития насаждений, изменять микроклимат внутри насаждений, влиять на рассредоточение и поиск хозяев жуками, а также способствовать жизнеспособности деревьев и разнообразию видов и возрастных классов (13, 30). Однако ясно, что эти типы стратегий управления эффективны только до начала вспышки. Краткосрочная тактика может использоваться для уменьшения продолжающихся заражений путем прямого манипулирования популяциями жуков, хотя из-за стоимости они ограничены для использования в ценных областях, таких как кемпинги и городские границы дикой природы. Семиохимические соединения, вещества связи, выделяемые жуками и деревьями, могут использоваться для привлечения и отпугивания жуков некоторых видов (31, 32, 33). Другие тактики включают комбинацию инсектицидов, распыляемых непосредственно на стволы деревьев, и уборки урожая, при которой зараженные деревья удаляются (13). Однако эти виды контроля могут оказывать значительное влияние на нецелевые виды, такие как другие беспозвоночные, рыбы и птицы, что необходимо учитывать.

Короеды и пожары являются двумя важными агентами нарушения лесных экосистем, которые могут взаимодействовать друг с другом. Гибель деревьев, вызванная короедом, может повлиять на последующее поведение пожара, хотя пространственная и временная динамика сложны (34). Удаление погибших от жуков деревьев на границе дикой природы с городом и вблизи зон отдыха является жизнеспособным вариантом, который может снизить риск возникновения пожара в этих приоритетных районах. После стихийного и предписанного пожара жуки-короеды могут преимущественно атаковать пострадавшие от пожара деревья и вносить значительный вклад в гибель деревьев, которые в противном случае выжили бы после травм. Описательные модели были разработаны, чтобы помочь менеджерам выбирать деревья для удаления после пожара, чтобы уменьшить дополнительную гибель деревьев (35). Однако крупномасштабных вспышек популяции жуков после диких или предписанных пожаров не наблюдалось, скорее всего, потому, что пострадавшие от пожара деревья обеспечивают жуков единичным эпизодом или «импульсом» стрессовых ресурсов, которые носят локальный и временный характер и, следовательно, недостаточны для ландшафта. — масштабный прирост населения (36, 37).

При продолжающихся изменениях климата многие виды деревьев будут подвергаться воздействию условий, потенциально менее подходящих для оптимального роста, что сделает их более восприимчивыми к нападениям короедов. Чтобы предсказать роль короедов в гибели деревьев в будущем, необходима информация, основанная на механистическом понимании процессов. Например, мы знаем, что жуки-короеды могут реагировать на деревья, испытывающие стресс от засухи (8, 27), но конкретные пороги осадков и роль дефицита влаги во взаимоотношениях жуков-короедов и деревьев остаются неясными. Точно так же мы знаем, что температура является сильным фактором, влияющим на популяции жуков-короедов, но для большинства видов конкретные механизмы, на которые может повлиять изменение климата, неизвестны.

Мелкие вредители, большие проблемы: глобальное распространение жуков-короедов

Потепление способствует распространению нашествий сосновых и еловых жуков в Северной Америке, Европе и Сибири, опустошая десятки тысяч квадратных миль лесных массивов. Ученые предупреждают, что некоторые лесные экосистемы могут никогда не восстановиться.

Во-первых, жуки горной сосны опустошили сосны обыкновенные и пондерозы в западной части Северной Америки. Затем появились еловые жуки, которые нацелились на высокогорную ель Энгельмана и распространились из Нью-Мексико в Колорадо и за его пределы. В целом, с их распространением, вызванным изменением климата, жуки-короеды опустошили 85 000 квадратных миль леса на западе Соединенных Штатов — площадь размером с Юту — с 2000 года. Сосновые жуки также убили деревья примерно на 65 000 квадратных миль леса в Великобритании. Колумбии и на юго-востоке США они нанесли ущерб лесной промышленности в таких штатах, как Алабама и Миссисипи, на миллионы долларов.

В настоящее время жуки продвигаются вдоль побережья Атлантического океана, достигнув Лонг-Айленда в Нью-Йорке в 2014 году и Коннектикута в следующем году. В рамках нового исследовательского проекта к концу десятилетия они могли бы начать переходить к извилистым смоляным соснам Новой Англии и величественным красным соснам приморских провинций Канады. По словам ученых-климатологов, теплые зимы могут вытеснить жуков на север, в бореальные леса Канады, в течение 60 лет.

От Европы до Сибири вспышки короедов все чаще происходят в лесных массивах, ослабленных жарой и засухой. Швейцария готовится к возможной потере ели, своего самого важного дерева, поскольку более теплые погодные условия сделают почти невозможным выживание для всех, кроме тех, кто живет высоко в Альпах. Чешская Республика, Польша, Германия и Словакия испытывают интенсивные нападения жуков на их европейскую ель. В Сибири родственный еловый жук помог другому насекомому-вредителю, сибирскому шелковому шелкопряду, с 2014 года повредить более 1100 квадратных миль сибирской пихты, сосны и ели.

«Количество гибели хвойных, которое мы наблюдаем как здесь, так и в Европе, беспрецедентно исторически», — говорит один американский эксперт.

«Количество гибели хвойных, которое мы наблюдаем как здесь, так и в Европе, беспрецедентно исторически», — говорит Джесси Моррис, географ из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити. Моррис и другие ученые пытаются определить потенциальные последствия, такие как более интенсивные лесные пожары, разрушение водоразделов, уничтожение мест обитания и сокращение запасов углерода, поскольку изменение климата вызывает все более широкомасштабные и серьезные вспышки жуков.

Короеды являются естественной частью жизненного цикла хвойных лесов, регулярно вспыхивая и исчезая, как фейерверк. Но масштабы и интенсивность за последние два десятилетия далеко не нормальные, говорят ученые, в значительной степени потому, что повышение температуры предотвращает широко распространенную зимнюю гибель личинок жуков, а также увеличивает их смертоносную силу. Мало того, что насекомые расширяются на новую территорию, они также раньше вылупляются и размножаются чаще. Новые заражения становятся полномасштабными с поразительной скоростью, а огромное количество жуков превосходит все, что лесоводы видели раньше. Моррис говорит, что видел такие сильные эпидемии еловых жуков в Юте, что, когда насекомые убили все деревья, они начали атаковать телефонные столбы.

Возможно, еще более тревожным является то, что жуки начинают нападать на новые виды, такие как сосна обыкновенная, встречающаяся на обширных территориях Канады, которая до сих пор избегала нападения.

«Жуки-короеды, мне нравится называть их первыми реагирующими, потому что они очень чувствительны к изменениям», — говорит Диана Сикс, лесной энтомолог из Университета Монтаны в Миссуле. «Как мы видим, для их настройки не требуется много времени».

ТАКЖЕ НА YALE E360

Как наука может помочь остановить западную чуму короедов. Читать далее.

Возьмите южного соснового жука, который до недавнего времени был ограничен своей естественной средой обитания в Центральной Америке и на юго-востоке США, потому что его личинки умирают, когда холодными зимними ночами температура коры опускается ниже 14 градусов по Фаренгейту. на север примерно на 40 миль в десятилетие с 1980, говорится в новом исследовании ученых Колумбийского университета. По словам Кори Леска, аспиранта Колумбийского университета, который смоделировал продвижение насекомых, с такой скоростью, с которой они развиваются, к 2080 году южные сосновые жуки могут нанести ущерб почти 273 000 квадратных миль северных красных и сосновых лесов.

Обычно заражение длится несколько лет, пока жуки не уничтожат все деревья-хозяева или жуков не убьет холод. После этого семена сосны, упавшие на землю, прорастают, и лес постепенно отрастает. Жуки не будут атаковать молодые деревья, пока они не достигнут 3 дюймов в диаметре. Но сегодняшний меняющийся климат подвергает деревья стрессу и делает их более уязвимыми для вторжения жуков, в то же время делая жуков более сильными. Вдобавок ко всему, в США десятилетия тушения пожаров сделали леса неестественно густыми и однородными, что способствовало распространению жуков от дерева к дереву.

Все более продолжительные и интенсивные засухи в последние годы ослабили защитные силы деревьев.

Хвойные леса мира пережили нападения жуков-короедов на протяжении тысячелетий благодаря эффективному защитному механизму деревьев. Когда жуки зарываются в их кору, деревья выделяют сок, богатый летучими ядовитыми химическими веществами, чтобы смывать насекомых и не давать им посылать феромонные сигналы для сбора других жуков. Но все более продолжительные и интенсивные засухи последних лет ослабили защитные силы деревьев.

Экологические последствия мегавспышек жуков неясны. Но есть вероятность некоторых разрушительных последствий.

«Это может повлиять практически на все, что мы можем измерить», — говорит Кристофер Феттиг, энтомолог-исследователь Тихоокеанской юго-западной исследовательской станции Лесной службы США в Дэвисе, Калифорния. «Мы видим очень сложные вещи, которые только начинаем понимать».

После серьезных вспышек одной из главных проблем являются лесные пожары. Пожары охватили некоторые районы уничтожения жуков с невероятной интенсивностью, например, пожар в комплексе Уэст-Форк, который сжег более 100 000 акров в Колорадо в 2013 году. риск того, что эти скелеты упадут.

Связь между лесным пожаром и жуками-короедами сложна, говорят Феттиг и другие ученые. Тяжесть пожара зависит от времени и интенсивности заражения жуками. Риск возникновения пожара наиболее высок в первые несколько лет, когда хвоя еще находится на мертвых деревьях. После того, как иголки опадают, огню становится труднее переходить с дерева на дерево — явление, называемое «факелированием». Однако, когда появятся новые ростки, риск возгорания может снова возрасти. А в жарких и сухих условиях практически любой лес может гореть.

Еще один серьезный ущерб приходится на лесную пищевую сеть и места обитания диких животных. Семена хвойных являются основным источником пищи для многих видов птиц и животных. Например, белокорая сосна с ее особенно крупными и питательными семенами является излюбленной пищей медведей гризли, откармливающихся перед зимней спячкой. Вспышки жуков вокруг Йеллоустонского национального парка в последние годы уничтожили более миллиона акров белых насаждений, вынудив медведей перемещаться на более низкие высоты и ближе к людям в поисках пищи. Обеспокоенность по поводу упадка сосны белой коры была ключевой причиной того, что йеллоустонские гризли были в списке исчезающих видов до этого лета, когда министр внутренних дел Райан Зинке снял защиту медведей.

Теперь, когда жуки перемещаются в виды деревьев, которые не подвергались нападениям в прошлом и не имеют естественной защиты, потенциальные последствия для дикой природы возросли. Ученые особенно обеспокоены тем, что южные и западные сосновые жуки прыгают в сосны, которые охватывают части северной части США, а также Канады от побережья до побережья, и могут дать жукам «сухопутный мост» через континент. Это потенциально может привести к вспышкам через важные ареалы размножения птиц и основные источники пищи для диких животных на севере, вплоть до канадской тундры.

«Сейчас люди очень обеспокоены тем, что этот жук собирается опустошить тайгу», — говорит один ученый.

«Сейчас люди очень обеспокоены тем, что этот жук собирается опустошить бореальные леса, которые очень важны для дикой природы, связывания углерода и так далее», — говорит Сикс.

Уже находящиеся под угрозой исчезновения виды, произрастающие в сосновых лесах, такие как камышевка Киртланда, могут оказаться за гранью. Редкая певчая птица гнездится только в определенном районе мичиганского соснового леса, который может лежать прямо на будущем пути жуков. «Хороший вопрос, смогут ли они или любая птица, гнездящаяся на хвойных деревьях, опередить распространение жуков, как только они начнут действовать», — говорит автор справочника по птицам Кенн Кауфман.

Эпидемии жуков также могут угрожать водным ресурсам. В покрытых лесом горных водоразделах, таких как бассейн реки Колорадо, которая является основным источником воды для западных штатов, основная часть годовых осадков выпадает в виде снега. Без укрытия древесным покровом снежный покров может растаять раньше, и большая его часть спустится вниз по реке за несколько недель до пика летнего сельскохозяйственного спроса.

Исследователям еще предстоит обнаружить серьезное воздействие на водные ресурсы вспышек короеда в США. Но по мере того, как жуки достигают елей на больших высотах, где накапливается больше снежного покрова, все может измениться.

«Если представить, что Западный лес является водонапорной башней Запада, то елово-пихтовая зона на самом деле является основной частью этой водонапорной башни», — говорит Джефф Лукас, исследователь климата из Western Water Assessment.

Ученые говорят, что потеря больших участков хвойных деревьев может также превратить леса из поглотителей углерода в источники углерода, поскольку зараженные насаждения сосны, ели и пихты перестают поглощать CO2, умирают и гниют, высвобождая накопленный углерод.

Лесник в Беловежской пуще Польши указывает на личинок елового короеда. ВОЙТЕК РАДВАНСКИЙ/AFP/Getty Images

Картина вспышек жуков несколько отличается в Европе, где с заражением, как правило, борются гораздо тщательнее, чем в США, в значительной степени потому, что европейские страны имеют гораздо меньшие площади лесов, подлежащих мониторингу. В Германии, например, государственные лесники каждые две недели осматривают каждый хвойный насаждений в своем районе на наличие признаков жуков, по словам Хорста Дельба, руководителя отдела здоровья лесов Исследовательского института леса FVA во Фрайбурге, Германия, который занимается изучением знаменитого Шварцвальда. .

«Мы лично знаем каждое дерево, — говорит Делб. Когда обнаруживается зараженное дерево, его сразу же удаляют, прежде чем выводок сможет вылупиться и заразить другие деревья. «Поэтому у нас нет таких огромных площадей поврежденных деревьев», — говорит он.

Обширные общественные лесные массивы США в основном контролируются с помощью аэрофотосъемки, которая проводится гораздо реже. Варианты борьбы с жуками включают прореживание леса до того, как заражение закрепится, последующую вырубку леса или оставление нетронутыми скелетов деревьев.

Какое будущее ждет мировые хвойные деревья перед лицом нашествия короедов?

Большинство лесов хотя бы в какой-то степени восстановятся, говорят ученые. Как правило, хвойные леса устойчивы и в конечном итоге возвращаются после эпидемии жуков.

Но при сегодняшних масштабах опустошения многие леса могут уже никогда не вернуться к своей былой славе. А изменение климата может перевернуть современные знания о лесах с ног на голову. «Мы вступаем в довольно большую эпоху неопределенности, — говорит Сикс.

ТАКЖЕ НА YALE E360

В Сьеррах новые подходы к защите лесов в условиях стресса. Читать далее.

Некоторые леса уже теряют устойчивость. В некоторых частях южной части Калифорнии, Сьерра-Невада, жуки уничтожили почти все низкорослые пондерозовые сосны. Ученые говорят, что эти деревья могут не вернуться, поскольку засуха убивает саженцы, а изменяющиеся климатические условия выводят экосистему за пределы критической точки. «Я действительно думаю, что мы увидим переход некоторых хвойных лесов в дубовые массивы», — говорит Феттиг. «Некоторые перейдут в кустарники или луга». Крупные сосны и ели могут уступить место более мелким и низкорослым пихтам.