Bijna 30 jaar geleden, Harvard Forest-wetenschappers begonnen een uniek, langlopend experiment op een bosgebied van 2 hectare met een lange staalkabel, een lier, en een heavy-duty logging voertuig genaamd een skidder.

Een voor een, ze sleepten de kabel naar 279 geselecteerde bomen, bevestigde het hoog op de stam, en belde toen de man bij de skidder, buiten het kanaal geparkeerd om te voorkomen dat de bosbodem wordt verstoord, om de lier te activeren. En, een voor een, de bomen kwamen om.

Toen ze klaar waren, ze hadden de schade die door de grote orkaan van 1938 in heel New England was aangericht, geschat, het creëren van een experimentele orkaan die 50 procent van de grote bomen aantast, opende het understory voor nieuw licht, een decennia lang herstelproces op gang gebracht, en creëerde een nachtmerrielandschap van gevallen boomstammen en kriskras door elkaar lopende takken die gemakkelijker door een parkour-expert kunnen worden doorkruist dan wetenschappers die belast zijn met het regelmatig vastleggen van de komende veranderingen.

Tegen maart 2019, de nachtmerrie was grotendeels verdwenen. De bosbodem lag nog bezaaid met rottende stammen, maar hun langzame terugkeer naar de grond was zo ver gevorderd dat ze gemakkelijk konden worden doorkruist door een twintigtal wetenschappers en bezoekers die zich verzamelden op het besneeuwde experimentele perceel, in het Tom Swamp Research Tract van Harvard Forest in Petersham, Massachusetts.

Om hen heen stonden bomen die, terwijl ze jonger en dunner waren dan die ze vervingen, lang geleden de gaten in het bladerdak had gedicht. Ze waren qua make-up vergelijkbaar met die van voor de storm - een verrassing voor onderzoekers die verwachtten dat er meer pionierssoorten zouden komen. Ook opmerkelijk was hoe onopvallend het traktaat eruitzag. Het was net als veel andere loofbossen in New England, kaal en wachtend op het blad van de lente op een kille late winterochtend.

In feite, die alledaagsheid - een uitdrukking van de stabiliteit van het bosecosysteem van New England, zelfs in de nasleep van een ramp die eens in de eeuw plaatsvond, was een andere belangrijke les, samen met de bevinding dat bossen die worden beheerd als natuurlijke omgevingen het beste kunnen worden overgelaten om zichzelf te herstellen in plaats van te worden geholpen door de "bergkap" die wijdverbreid was na de storm van 1938 en nog steeds gebruikelijk is na omvallen, branden, en boomdodende insectenplagen vandaag.

De wetenschappers, afkomstig uit Harvard Forest en aanverwante instellingen, die ochtend bijeengekomen om na te denken over het verloop van het experiment, grote vondsten, en het belang van dergelijk onderzoek, waarvoor een patiënt nodig is, langetermijnverbintenis van financieringsbronnen, van gastinstellingen zoals Harvard Forest, en van de wetenschappers zelf, een uitzicht dat steeds zeldzamer wordt in een ongeduldig, resultaten-nu wereld.

De vergadering toesprekend die ochtend, David Foster, directeur van Harvard Forest, zei dat het orkaan-experiment niet alleen belangrijk was vanwege de wetenschap die het mogelijk maakte, maar ook omdat het een van de eerste en meest opvallende was na de aanwijzing van Harvard Forest als een locatie voor ecologisch onderzoek op lange termijn (LTER) door de National Science Foundation in 1988.

die aanduiding, vernieuwd met tussenpozen van zes jaar, heeft gezorgd voor financiële steun - ongeveer $ 1 miljoen per jaar - voor werk zoals de experimentele orkaan, en hefboomwerking tussen vijf en tien keer die in de financiering van andere agentschappen. De LTER-projecten zijn ook een centraal punt voor educatieve programma's in het bos, inclusief zowel K‒12- als College-niveau programma's. Duizenden Harvard-studenten hebben bezocht tijdens excursies, werkte op de locaties tijdens het Summer Research Program, en bestudeerden hun bevindingen in Foster's eerstejaarsseminar in de biologie van globale verandering.

Op 18 en 19 maart Harvard Forest organiseerde een tweedaags evenement ter gelegenheid van de 30e verjaardag van de LTER-aanduiding. De eerste dag was gewijd aan bezoeken ter plaatse en de tweede aan een eendaags wetenschappelijk symposium, met gedetailleerde presentaties van de resultaten tot nu toe aan 125 aanwezigen. Vandaag, Harvard Forest is een van de 28 LTER-locaties in het hele land, onderdeel van een netwerk dat misschien weinig bekend is bij het publiek, maar dat ecologen vereren.

"Dit zijn legendarische plekken voor ecologen, ", zegt Jonathan Thompson, senior ecoloog van Harvard Forest, die onlangs het stokje overnam van Foster als hoofdonderzoeker voor de LTER-subsidie ​​van het bos. "Er is niets zoals zij."

Na het zien van de orkaanexplosie, wetenschappers laadden in busjes op weg naar andere experimenten langs de smalle onverharde wegen die de 4 kruisen, 000 hectare bos. Eén halte was een stand van torenhoge evergreens - hemlocks die werden gecontroleerd door senior ecoloog David Orwig. Honderden jaren oud en nooit ingelogd, de dagen van de hemlockspar zijn niettemin geteld vanwege de aanval door de invasieve wollige adelgide, wiens penetratie zo ver naar het noorden is vergemakkelijkt door de steeds warmer wordende winters in de regio.

De groep bezocht de Environmental Monitoring Site, waar 's werelds eerste onderzoekstoren werd gebouwd om de in- en uitstroom van gassen te meten terwijl het bos ademt. Onderzoek bij de toren, ontwikkeld door Steven Wofsy, Harvard's Abbott Lawrence Rotch hoogleraar Atmosferische en Milieuwetenschappen, en nu onder toezicht van senior research fellow in atmosferische chemie J. William Munger, toonde aan dat herstellende bossen zoals die van New England - duidelijk in koloniale tijden - bijdragen aan de bestrijding van klimaatverandering door atmosferische koolstof in hun hout op te sluiten naarmate de bomen dikker worden en hoger worden.

De dag eindigde met een dambord van bruin op de besneeuwde bosbodem. De sneeuwloze plots zijn het kenmerk van een langlopend experiment in bodemopwarming. Met behulp van verwarmde kabels die ondergronds zijn begraven, de bijna 30 jaar oude inspanning probeert te begrijpen hoe bodemmicroben en ademhaling van boomwortels kunnen reageren op een opwarmende wereld.

Gehandhaafd op 5 graden Celsius boven de omringende grond om de hoge schattingen van de opwarming voor het einde van de eeuw te weerspiegelen, de plots hebben aangetoond dat de opgewarmde microben en wortels in een hogere versnelling komen, de hoeveelheid vrijgekomen koolstof die in de bodem was opgesloten, nam snel toe. Na het bereiken van een hoogtepunt, de uitstoot daalde, jarenlang gestabiliseerd, en toen - in nog een andere experimentele verrassing - steeg naar een tweede hoogtepunt.

"We dachten dat we een driefasig fenomeen hadden en we zijn doorgegaan met het doen van metingen, " zei Jerry Melillo, vooraanstaande wetenschapper aan het Marine Biological Laboratory van de Universiteit van Chicago en een senior onderzoeker in het bos. "We zitten nu in een tweede rustperiode. Nog 20 of 30 jaar zullen we waarschijnlijk dicht bij een antwoord komen."

Melillo zei dat de LTER-financiering cruciaal was voor het experiment, ten eerste omdat het belangrijk basisgeld opleverde dat werd aangevuld met financiering uit andere bronnen, zoals het Amerikaanse ministerie van Energie. Vervolgens, toen de belangstelling afnam nadat de eerste piek van de CO2-uitstoot was afgenomen, de LTER-financiering hield het experiment draaiende. Zonder het, Melillo zei, de tweede uitbarsting van koolstofemissies - en het verbeterde begrip van de effecten van opwarming op bosbodems - zou onopgemerkt zijn gebleven.

LTER and a 'signature experiment'

Melillo, who has conducted research at Harvard Forest for 40 years, played an important role in getting the initial LTER experiments up and running, Foster said. Not long after the LTER designation, Melillo counseled that the forest needed something exciting to help it stand out.

"'What we need is a signature experiment, '" Foster recalled Melillo saying. "'We need something that they'll talk about at NSF, that'll be unlike something that anybody else has done.'

"I said, 'Jerry, what is that?' And he said, 'I don't know, but we gotta have it.'"

Foster eventually seized on replicating one of the most devastating forces that mold the New England forest landscape:major hurricanes that blast ashore every 100 to 150 years. But how to do it? He rejected the idea of bulldozing trees because it would tear up the forest floor and disrupt the invisible but nonetheless critical cycling of nutrients and gases between the floor and the atmosphere.

When Foster suggested winching trees down instead, the idea was ridiculed as unworkable by a visiting scientist:The roots were far too strong. Foster chewed over the problem until he mentioned it to John Wisnewski, a Harvard Forest staffer with experience logging.

"'I'd just pull them over, '" Foster recalled Wisnewski saying. "'We do it all the time.'"

Wisnewski, today Harvard Forest's woods crew supervisor, told Foster that loggers need a flat area to stage removal of logs from the forest. So instead of cutting trees, which would leave stumps behind, they simply pull them down with a winch and cable, lop off the trunks, and pile the roots to one side.

An experimental path cleared, Foster turned to the forest's archive to plan the simulated storm In 1938, graduate student Willett Rowland recorded the Great Hurricane's damage at the forest, showing that about half of the large trees came down and that some species, such as white pine, were more susceptible to wind damage.

With that knowledge in hand, Foster laid out an east-west plot 50 meters by 160 meters in the Tom Swamp tract and marked the trees to come down. Preparations complete, they drove in the skidder and hauled the cable into the forest, pulling down tree after tree, all oriented so their crowns pointed northwest, as if felled by a hurricane's prevailing winds.

Most trees came right over, Foster said, but some broke and were left to regrow as they were. Only one tree—a large old oak—resisted the skidder's tow.

"We decided that, goed, in a hurricane that tree wouldn't have fallen, " Foster said. "We went and found one of equal size downslope and pulled it over."

Then began the lengthy task of monitoring. An early revelation was the stability of key indicators like soil temperature, overall productivity, and carbon dioxide and nitrogen gas cycling among the trees, the soil, and the atmosphere.

Another was that the trees didn't die right away. Ninety percent of trees damaged by the winch leafed out regardless, photosynthesizing, drawing water from the earth, and contributing to the forest ecosystem even though they were flat on the ground. As they slowly died, the understory took over. Saplings that had been awaiting their chance shot upward, sprouts grew from the fallen trees' roots, and newly seeded trees got started. Lost production—measured in the amount of leaf litter each fall—recovered in just six years.

"Despite the fact that this looked like a destroyed forest, because it was physically altered in such a major way, it was functioning as an absolutely intact ecosystem, " Foster said.

In trying to understand the forest's unexpected stability, researchers realized that most experience with disturbed sites was at places subjected to the common practice of salvage logging, where fallen trees are cut and dragged out using soil-churning heavy equipment. In sommige gevallen, as after the 1938 hurricane, the piled debris left behind is burned.

"We're used to looking at sites that were subsequently disturbed after a major wind storm or ice storm by people going in and logging, " Foster said. "The 1938 hurricane was the biggest salvage logging exercise in U.S. history. And it pretty comprehensively turned the 1938 hurricane into one great big cutting operation.

"In almost every case you can think of, if your intent is to encourage the recovery of the forest and ecosystem function with minimal change … doing nothing becomes a viable alternative."

When Audrey Barker-Plotkin arrived at the site eight years after the pulldown, just walking around was a challenge. Today a senior researcher and the author of several studies on the site, she recalled having to weave through tangled branches and wrestle with wiry new growth that all seemed to be at "face level."

"It was like walking through a jungle gym. The plot seems a lot smaller now that you can see through it, " Barker-Plotkin told the visiting scientists. "Just the changes I've seen in 20 years have been really remarkable. … [The site] was different every single year."

Another thing scientists didn't expect, Barker-Plotkin said, was the stability of the tract's species makeup. Researchers thought that more pioneer species like cherry and paper birch—usually fast-growing colonizers of disturbed sites—would take hold. But the stability of even the damaged ecosystem didn't provide much of an opening. While those species did appear in disturbed soil around upturned roots, that was less than 10 percent of the forest floor. Invasive species, another threat at disturbed sites, were also absent, ze zei.

Vandaag, ze zei, the experimental plot has largely recovered structurally, but is still struggling to catch up with the surrounding forest's growth. Tree volume has reached about 80 percent of what it was before the pulldown, but measurements of the nearby control plot show that the surrounding forest has grown 25 percent over the intervening decades as part of New England forests' continued recovery from Colonial-era clear-cutting.

New leaders and a landscape full of questions

Like the long-term processes they measure, the hurricane pulldown and other experiments continue to produce data even as their original investigators' careers come to a close. A smooth transition to new leadership will be essential in maintaining both research continuity and excellence, Foster said. At several sites the group visited, experimental founders handed off presentations to younger researchers, as Foster did to Barker-Plotkin at the hurricane site and Melillo did to University of New Hampshire Professor Serita Frey, a soil microbe expert, at the soil warming experiments.

LTER's new principal investigator, Thompson, spoke of the importance of ensuring the continuity of key long-term experiments even as researchers move on from work that has run its scientific course.

"In sommige opzichten, the experiments they set up in the '80s just look so prescient now, " hij zei.

An important question still to be explored is how long recovering forests will keep absorbing carbon, Thompson added. That answer has potentially crucial implications for climate change, since global forests absorb roughly 20 percent of the excess carbon humans emit.

Een deel van het probleem, Thompson said, is that though remnant old-growth patches exist, they may not be good models for understanding forests regrowing on former farmland, since they're typically in poor growing locations, which is why they weren't cut in the first place.

"We know how much [carbon] is in the forests, " Thompson said, "but we don't know how much carbon can be in these forests."

This story is published courtesy of the Harvard Gazette, Harvard University's official newspaper. For additional university news, visit Harvard.edu.