Leśne gospodarstwa węglowe pod lupą: listek figowy czy realne rozwiązanie? (cz. 1/2)

Tak zwane Leśne Gospodarstwa Węglowe (LGW), mające magazynować dwutlenek węgla w drewnie polskich lasów, przedstawia się jako polską receptę na ochronę klimatu. Niestety, informacje, jaki jest rzeczywisty potencjał pochłaniania dwutlenku węgla przez polskie lasy, ile CO₂ mogą zmagazynować Leśne Gospodarstwa Węglowe i jak to się ma do całości naszych emisji oraz konieczności osiągnięcia zera emisji CO₂ netto do połowy stulecia, nie są dostępne. Postanowiliśmy więc to wszystko przeliczyć.

W niniejszym artykule przedstawimy skalę niezbędnych redukcji emisji z perspektywy globalnej, analizę funkcjonowania cyklu węglowego w ekosystemach lądowych oraz możliwą skalę pochłaniania CO₂ przez ekosystemy lądowe z perspektywy globalnej.

W drugim artykule przedstawiamy oszacowania możliwej skali pochłaniania CO₂ przez polskie lasy w zestawieniu ze skalą niezbędnych redukcji emisji.

Skala niezbędnych redukcji emisji z perspektywy globalnej

Zapobieżenie niebezpiecznej zmianie klimatu wymaga szybkiej redukcji emisji gazów cieplarnianych. Biorąc pod uwagę, że z punktu widzenia finalnego wzrostu temperatury prawie nie ma znaczenia tempo emisji CO₂, lecz przede wszystkim to, ile wyemitujemy w sumie (co jest związane z bardzo długim „czasem życia” dwutlenku węgla w środowisku), mamy do dyspozycji pewną pulę sumarycznych emisji, zwaną „budżetem węglowym”.

Przykładowo, jak pokazuje rysunek 1, w celu ograniczenia wzrostu średniej globalnej temperatury powierzchni Ziemi do 2°C z prawdopodobieństwem 66% od chwili obecnej do 2100 roku możemy wyemitować jeszcze ok. 720 miliardów ton CO₂ (GtCO₂).

Jeśli chcemy zrealizować cel Porozumienia Paryskiego – ograniczenie ocieplenia znacznie poniżej 2°C, najlepiej do 1,5°C – to pozostający do naszej dyspozycji budżet węglowy jest jeszcze mniejszy – zgodnie ze specjalnym raportem IPCC z listopada tego roku (IPCC SR1.5) dla prawdopodobieństwa 66% wynosi on ok. 400-500 GtCO₂. Przy obecnych globalnych emisjach na poziomie 42 GtCO₂/rok, powinniśmy – zgodnie z rekomendacjami IPCC – zredukować emisje o połowę w ciągu 12 lat oraz do zera kilkanaście lat później, do tego prowadząc później długotrwałe usuwanie CO₂ z atmosfery.

Podsumowując: naszym celem powinno być osiągnięcie zerowych emisji netto do połowy stulecia, a najlepiej jeszcze wcześniej.

Biorąc pod uwagę, że przez ostatnie 20 lat polskie emisje gazów cieplarnianych utrzymują się na mniej więcej stałym poziomie (rysunek 3), konieczność zmniejszenia emisji o połowę w ciągu 12 lat i do zera kilkanaście lat później oznacza konieczność szybkiej zmiany trendu.

Polskie emisje CO₂ (czerwone słupki na rysunku 3) w 2016 roku wyniosły 321 mln ton (MtCO₂). Jednocześnie nasze lasy kompensują część tych emisji (zielone słupki na rysunku 3) – w 2016 roku pochłaniając 28 mln ton CO₂ (sektor LULUCF – patrz opis pod rysunkiem).

ABC funkcjonowania cyklu węglowego w ekosystemach lądowych

Węgiel w środowisku krąży między rezerwuarami: atmosferą, ekosystemami lądowymi (organizmy żywe i gleby) oraz oceanami – to tzw. szybki cykl węglowy. Ilość węgla obecnego w tych rezerwuarach w skalach czasowych krótszych od geologicznych jest praktycznie stała: emisje wulkaniczne wprowadzają do atmosfery i oceanu dwutlenek węgla w ilości ok. 0,1 GtC rocznie (0,36 GtCO₂), jednocześnie jednak zbliżona ilość węgla jest usuwana z powietrza i wód przez procesy geologiczne, takie jak wietrzenie skał. Wydobywając i spalając węgiel, ropę i gaz wprowadzamy do szybkiego cyklu węglowego nowe atomy węgla (w postaci CO₂), zwiększając w nim tym samym ilość węgla.

Na rysunku 4 przedstawiony jest uproszczony model obiegu węgla w środowisku lądowym (kolor czarny) i przepływającego przez niego strumienia energii (kolor czerwony).

Rośliny (producenci – PROD) pobierają dwutlenek węgla z atmosfery (ATM), przekształcając go w procesie fotosyntezy w węglowodany, stanowiące podstawę łańcucha pokarmowego. Węgiel w materii organicznej znajduje się w „wysokim stanie energetycznym”, jak naładowana bateria. Energia zawarta w masie roślinnej zasila nas, ludzi, i inne zwierzęta (konsumenci – KONS). W organizmach konsumentów wyprodukowana przez rośliny masa łączona jest z molekułami tlenu (to proces oddychania), a CO₂ będący produktem tego procesu jest uwalniany (wydychany) z powrotem do atmosfery. Pozostałymi po tym procesie częściami biomasy oraz martwymi resztkami roślin i zwierząt (martwa materia organiczna – MMO) zajmują się reducenci (RED), którzy pozyskują zawartą w martwej masie energię zamieniają ją w dwutlenek węgla (warunki tlenowe) lub metan (warunki beztlenowe) – w ten sposób reszta C wraca do atmosfery.

Kolejnym sposobem powrotu węgla znajdującego się w biomasie jest spalanie, np. pożary lasów (producenci) czy torfowisk (martwa materia organiczna). Gdy jednak po jakimś czasie (kilkadziesiąt-kilkaset lat) roślinność i torf odtworzą się, to wyemitowany wcześniej do atmosfery węgiel z powrotem znajdzie się w biomasie lądowej. Część martwej materii organicznej nie ulega od razu rozkładowi, ale gromadzi się w glebach. W ten sposób są one dużym rezerwuarem węgla, w warstwie do 1 metra jest go dwukrotnie więcej niż w atmosferze.

W cyklu rocznym obserwujemy znaczące przepływy węgla między atmosferą i roślinnością. W naszej strefie klimatycznej, latem, rozrastające się rośliny akumulują węgiel w swoich organizmach, zmniejszając koncentrację CO₂ w powietrzu. Jesienią rośliny jednoroczne umierają, drzewa zrzucają liście, a węgiel w nich zawarty uwalniany jest w procesie rozkładu, z pewnym opóźnieniem, do atmosfery. Jednak średniorocznie, w stabilnym stanie klimatycznym zawartość węgla w ekosystemach lądowych jest stała, a dopływ (proces fotosyntezy) i utrata (rozkład i spalanie) węgla się równoważą.

Stabilny ekosystem, taki jak naturalny las utrzymuje w sobie stałą ilość węgla – ilość znajdującego się w nim węgla ani nie przyrasta, ani nie maleje. Sytuacja wygląda oczywiście inaczej, kiedy zachodzą w nim zmiany. Przykładowo, gdy na terenie uprzednio niepokrytym roślinnością, takim jak np. teren poprzemysłowy czy ugór, zaczyna rosnąć las, wzrasta ilość biomasy zarówno w samej roślinności (w skali czasowej kilkuset lat), jak i w glebach (w skali czasowej tysięcy lat) – dopiero w takim horyzoncie czasowym taki rezerwuar węgla się stabilizuje.

Od zasady „stabilny ekosystem – stabilny magazyn węgla” bywają wyjątki. Przykładowo, torfowisko jest ekosystemem prowadzącym efektywną sekwestrację (czyli usuwanie) dwutlenku węgla z obiegu. Możliwość gromadzenia węgla ma związek ze specyficznymi warunkami, w jakich powstają i rozwijają się torfowiska. Kluczowa jest w tym przypadku duża wilgotność wynikająca z położenia lustra wody gruntowej blisko powierzchni terenu. Powyżej poziomu wody pojawia się cienka, biologicznie aktywna strefa tlenowa, a poniżej – zwykle grubsza, strefa beztlenowa. Szczątki roślinne oraz zwierzęce ulegają w większości rozkładowi w górnej, natlenionej warstwie, ale w sprzyjających warunkach nawet 20% biomasy trafia do nasączonej wodą warstwy beztlenowej i jest ona odkładana jako torf – masa organiczna złożona z niecałkowicie rozłożonych szczątków roślin. W sprzyjających warunkach torf może stopniowo ulec przemianie w węgiel brunatny i kamienny, w ten sposób powodując usunięcie węgla (ponownie w rozumieniu węgla pierwiastkowego) z szybkiego cyklu węglowego.

Mówiliśmy dotychczas o magazynowaniu węgla przez stabilne ekosystemy. Dynamika się zmienia, gdy na przykład wycinamy naturalny las, aby na jego miejscu posadzić nowe drzewa – choćby plantację palmy olejowej lub eukaliptusa w miejscu lasu deszczowego. W takiej sytuacji z ekosystemu w bardzo krótkim czasie znika biomasa roślinna: najszybciej, jeśli dżungla zostaje wypalona (w przeciągu godzin i dni), wolniej, jeśli drzewa zostają wykarczowane, a później przerobione na opał, papier, meble czy materiały budowlane (rozkład tych materiałów następuje wtedy w czasie od miesięcy do dziesięcioleci). Po usunięciu drzew postępuje utrata materii organicznej z odsłoniętych gleb – proces ten jest szczególnie intensywny na początku, ale może trwać przez dekady. Jest on istotny zwłaszcza w przypadku torfowisk tropikalnych, gdzie dodatkowo przyspiesza go osuszanie mokradeł, sprzyjające ich pożarom. Gdy na terenie, z którego został usunięty las, sadzi się nowe uprawy, pobierają one stopniowo dwutlenek węgla z atmosfery. Jednak w porównaniu z lasem pierwotnym jest to ekosystem bardzo ubogi (mniej gatunków i pięter roślinności oznacza mniejsze możliwości pobierania i składowania węgla), więc pochłanianie przez niego CO₂ z atmosfery, nawet przez stulecia, nie rekompensuje utraty węgla towarzyszącej usunięciu naturalnego ekosystemu.

Możliwa skala pochłaniania CO₂ przez ekosystemy lądowe z perspektywy globalnej

Myśląc o lasach trzeba przede wszystkim myśleć o ilości zmagazynowanego w tym rezerwuarze (roślinach i glebach) węgla, a nie o chwilowych przepływach między tymi ekosystemami a atmosferą.

Tak więc przywrócenie stanu lasów do sytuacji np. z czasów Mieszka I oznaczałoby zaledwie odwrócenie skutków przeprowadzonego przez nas wcześniej wylesiania i innych zmian użytkowania terenu: do ekosystemów lądowych po prostu wróciłby węgiel, który wcześniej był w nich zgromadzony. Pozostała nadwyżka CO₂, wprowadzona przez nas do szybkiego cyklu węglowego w wyniku spalania paliw kopalnych, pozostanie w nim – w atmosferze, ekosystemach lądowych i oceanach.

Należy podkreślić, że zwiększając zasobność środowisk leśnych „przerzucamy” tylko węgiel w ramach rezerwuarów szybkiego cyklu węglowego, natomiast wydobywając i spalając paliwa kopalne zwiększamy całkowitą ilość węgla w szybkim cyklu węglowym. Nie da się rozwiązać problemu wzrostu stężenia CO₂ w atmosferze poprzez próby zwiększania ilości węgla magazynowanego w lasach.

Biorąc pod uwagę, że nasze emisje spowodowały wzrost atmosferycznej koncentracji CO₂ o 130 ppm (z 278 do 410 ppm), a z wylesiania pochodziło ok. 30% całości skumulowanych emisji, przywrócenie lasów do stanu z 1000 r.n.e. pozwoliłoby na zmniejszenie koncentracji CO₂ o ok. 40 ppm. Należy tu dodać, że powrót do stanu sprzed rewolucji przemysłowej musiałby także skutkować silnym ograniczeniem lub całkowitym odstąpieniem od użytkowania gospodarczego lasu.

Dla porównania, w wyniku globalnych emisji z paliw kopalnych możemy doprowadzić do wzrostu stężenia CO₂ w atmosferze o setki a nawet tysiące ppm. Cały zaś tak szeroko zakrojony program zalesiania (przywrócenie stanu ekosystemów sprzed tysiąca lat) skompensowałby zaledwie kilkunastoletnie emisje ze spalania paliw kopalnych na obecnym poziomie zarówno w Polsce, jak i na świecie.

Jaka byłaby niezbędna skala zalesiania, żeby usunąć z atmosfery dwutlenek węgla wprowadzony do niej wcześniej w wyniku wylesiania? Przytoczone na rysunku 1 historyczne emisje CO₂ z wylesiania, równe 550 GtCO₂ (150 GtC) prawie dokładnie odpowiadają ilości węgla zmagazynowanego na 7 mln km² lasu deszczowego Amazonii. Niestety, nie może to być jakiekolwiek 7 mln km² – na nieurodzajnych terenach półpustynnych nie dałoby się wyhodować tak zasobnego lasu. W praktyce musielibyśmy wtórnie zalesić tereny, na których lasy i mokradła znajdowały się już wcześniej. Polska wyglądałaby jak w czasach Mieszka I – w większości pokrywałyby ją bory, puszcze i mokradła. Taka propozycja jest niemożliwa do realizacji, a przyczyna tej niemożności tkwi w zasadzie, która leży u podstaw nowoczesnej gospodarki. Obowiązująca strategia tworzenia terenów leśnych powstawała bowiem przy założeniu, że gospodarką leśną obejmuje się przede wszystkim tereny nieprzydatne rolniczo. W obecnej sytuacji zwiększenie lesistości Polski musiałoby odbyć się kosztem redukcji terenów, na których produkowana jest żywność. Dodatkowym utrudnieniem w realizacji planu powiększania powierzchni leśnej jest intensywnie rozwijająca się nasza infrastruktura.

Co więcej, posadzone dziś drzewa za kilka dekad mogą znaleźć się w nieodpowiedniej dla siebie strefie klimatycznej (spróbuj wyobrazić sobie Puszczę Białowieską w klimacie Grecji…). Zgromadzony w lasach węgiel wróci wtedy do atmosfery – w rezultacie fal upałów, pożarów czy inwazji szkodników. A jeśli będziemy wycinać drzewa i pozyskane w ten sposób drewno wykorzystywać gospodarczo? Jeśli je spalimy, węgiel od razu wróci do atmosfery. Jeśli przerobimy je na papier, stanie się to w przeciągu kilku lat. Jeśli zrobimy z niego meble, deseczki do krojenia lub inne przedmioty codziennego użytku, węgiel po kilku dziesięcioleciach też w większości powróci do cyklu węglowego; w przypadku materiałów budowlanych zajmie to około stulecia. Krótko mówiąc, to nie są sposoby na trwałe usunięcie dwutlenku węgla z obiegu. Wyprodukowane drewno trzeba by bezpiecznie zmagazynować: jeśli spłonie lub się rozłoży, zwróci węgiel do atmosfery. Biorąc pod uwagę długość czasu życia dwutlenku węgla w środowisku, czas uwięzienia w drewnie powinien być obliczony na dziesiątki tysięcy lat (w zasadzie kryterium to spełnia tylko biowęgiel lub zakopywanie na dużej głębokości).

Czy więc ochrona istniejących lasów i zalesianie nie mają znaczenia? Mają, i to całkiem spore: choć zwiększanie zasobności środowisk leśnych samo w sobie nie rozwiąże problemu i nie pozwoli na dalsze spalanie paliw kopalnych, to jest istotną częścią działań na rzecz ograniczenia zmiany klimatu. Działania te pomogą też skompensować „resztkowe”, trudne do wyeliminowania emisje CO₂, takie jak na przykład te mające miejsce przy produkcji cementu lub stali (patrz rysunek 5).

Po tym wprowadzeniu, przedstawiającym kontekst koniecznych redukcji emisji i podstawy obiegu węgla w ekosystemach lądowych, jesteśmy już gotowi do wzięcia pod lupę potencjału Leśnych Gospodarstw Węglowych.

Czytaj dalej: Leśne gospodarstwa węglowe pod lupą: listek figowy czy realne rozwiązanie? (cz. 2/2)

Marcin Popkewicz i dr hab. Bogdan H. Chojnicki, konsultacja merytoryczna: dr hab. Zbigniew Karaczun, prof. dr hab. Tomasz Wesołowski