Nawożenie roślin CO2 jest OK. Są jednak „ale”. Liczne „ale”.

Wpływamy na ziemskie ekosystemy na wiele sposobów. Prowadząc działalność rolniczą, usuwamy rośliny wcześniej żyjące na uprawianych przez nas terenach. Używając nawozów możemy przyspieszać tempo wzrostu roślin i powodować zazielenianie wystawionych na działanie nawozów obszarów. Do tego dochodzi zwiększanie stężenia dwutlenku węgla w atmosferze. Wiemy, że większa dostępność tego gazu powoduje przyspieszony wzrost roślin. Oczywistym pytaniem więc jest „jak zmiana koncentracji CO2 wpływa na wzrost roślin?”

Rysunek 1: Las tropikalny w Australii, zdjęcie Dirk Ercken, Dreamstime.com.

Intensywniejszy wzrost roślin

Opublikowane w Nature Climate Change badanie (Mao i in., 2016 [pełna wersja]) pomaga znaleźć odpowiedź na to pytanie. Analiza skupiała się na lądach północnej półkuli poza regionami tropikalnymi. Za pomocą obserwacji satelitarnych zmierzono, jak zmieniało się w latach 1982-2011 zazielenienie terenu, określone tzw. Współczynnik Ulistnienia (Leaf Area Index – LAI) czyli stosunek sumy powierzchni liści roślin do powierzchni gruntu. Badania pokazały, że w tym 30-letnim okresie badane tereny faktycznie się bardziej zazieleniły. Jednak kolejne pytanie brzmi: co właściwie jest przyczyną zaobserwowanego wzrostu zazieleniania? Aby udzielić odpowiedzi, autorzy wykorzystali równoległe symulacje komputerowe, w jednych uwzględniając wpływy antropogeniczne, a w innych je pomijając. Przez „wpływy antropogeniczne” rozumie się cały szereg efektów, takich jak wzrost lub spadek powierzchni terenów uprawnych, zmiany wykorzystania nawozów, wzrost stężenia CO2 w powietrzu i wiele innych. Autorzy analizy stwierdzili, że zgodne z obserwacjami są jedynie te symulacje, w których uwzględnione zostały następstwa działań ludzkości; same czynniki naturalne nie mogły być przyczyną zaobserwowanych zmian. Co więcej, zgodność była najwyższa w symulacjach, w których wpływ zmian stężenia CO2 grał dużą rolę.

Rysunek 2. Obserwowane i symulowane serie czasowe anomalii Współczynnika Ulistnienia (LAI) w okresie 1982-2011. Liniami zaznaczono średnie po okresach trzyletnich w czasie sezonu wegetacyjnego (kwiecień-październik) na terenach lądowych leżących na szerokościach geograficznych 39-75°N. Linia kropkowana odpowiada serii obserwacji satelitarnych LAI3g, linia przerywana serii GEOLAND2, linia czarna to średnia z tych dwóch serii. Pozostałe linie to średnie z symulacji modelami CMIP5 – niebieska z tych uwzględniających jedynie czynnik naturalne (NAT), żółta – zmiany stężeń gazów cieplarnianych (GHG) oraz a pomarańczowa z symulacji łączących wymuszenia naturalne i antropogeniczne (ALL). Zakresy symulacji dla każdego zestawu wymuszeń pokazane są odpowiednio zakolorowanymi obszarami reprezentującymi przedział ufności 5-95%. Zakreskowany kolorem szarym obszar pokazuje analogiczny przedział ufności dla zakresu zmienności dla przedindustrialnych symulacji kontrolnych o długości stulecia bez wymuszeń (CTL). Źródło Mao i in., 2016.

Rysunek 3. Rozmieszczenie trendów Współczynnika Ulistnienia (LAI) podczas sezonu wegetacyjnego (kwiecień-październik) na terenach lądowych leżących na szerokościach geograficznych 39-75°N. Na górze średnia z pomiarów satelitarnych. Na dole symulacje modelami komputerowymi systemu ziemskiego (Earth System Models): po lewej z uwzględnieniem jedynie czynników naturalnych, po prawej z uwzględnieniem zarówno czynników naturalnych jak i antropogenicznych. Źródło: Oak Ridge National Laboratory.

Jak interpretować wyniki? Czy nasze emisje gazów cieplarnianych są w tym aspekcie jednoznacznie korzystne? Niezupełnie. Zwiększony wzrost roślin może mieć dobre i złe strony. Po stronie plusów możemy odnotować potencjalny wzrost plonów i przyspieszone pochłanianie dwutlenku węgla z atmosfery przez rośliny. Jednak wzrost ilości biomasy dotyczy nie tylko upraw, ale też chwastów. Dodatkowo może też wiązać się ze spadkiem wartości odżywczej roślin (pisaliśmy o tym m.in. w artykule Rosnące stężenie CO2 a wymieranie pszczół). Trzeba pamiętać, że zmieniający się klimat oznacza, że jednocześnie zachodzi wiele zmian. W szczególności zmieniają się temperatura i opady, a nowe warunki mogą oddziaływać na roślinność negatywnie, prowadząc nawet do wymierania gatunków (czytaj także: Wrażliwość ekosystemów na wahania klimatu). Zmiana klimatu wpływa na zróżnicowaną w przestrzeni i czasie migrację gatunków, wskutek czego zależne od siebie gatunki roślin, grzybów, owadów, ptaków i innych zwierząt mogą zacząć się „rozmijać”, co przekłada się na osłabienie całego ekosystemu. Wspominając o migracji nie należy zapominać o tym, że rośliny nie posiadają zdolności do aktywnego przemieszczania się. Ten fakt sprawia, że migracja roślin w warunkach zmian klimatu może się odbywać jedynie z pokolenia na pokolenie. To znacznie ogranicza zdolność do „przemieszczania się” zwłaszcza w przypadku roślin, które później osiągają zdolności reprodukcyjne.

Zmiana klimatu to nie tylko więcej CO2 dla roślin

Chociaż obecnie obserwujemy (średnio rzecz biorąc) wzrost współczynnika ulistnienia (Zhu i in., 2016), trend ten nie dotyczy całej planety (zwróćcie uwagę na Amerykę Południową lub Australię na rysunku 4). Zmiana klimatu nie ogranicza się jednak do wzrostu koncentracji CO2, oznacza także częstsze susze i inne ekstrema pogodowe. Naukowcy spodziewają się, że te negatywne czynniki zaczną z czasem neutralizować „dobroczynny” wpływ dwutlenku węgla.

Rysunek 4. Procentowe zmiany ulistnienia między rokiem 1982 a 2015. Ilustracja przygotowana przez prof. R Myneniego na podstawie danych z publikacji (Zhu i in., 2016).

Jak zauważa prof. Janusz Olejnik z Katedry Meteorologii Wydziału Melioracji i Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu:

W wielu miejscach na świecie, wraz ze wzrostem temperatury nie rośnie niestety wartość opadów, a im cieplej, tym parowanie wody z takich terenów jest intensywniejsze. Oznacza to, że na przykład w Polsce, a zwłaszcza w Wielkopolsce, będzie jej coraz bardziej brakowało. Już teraz brak wody praktycznie zlikwidował rolnictwo w części wschodniej Australii. Podobnie dramatyczna sytuacja może w niedługim czasie wystąpić w basenie Morza Śródziemnego. W Polsce nie będzie tak źle, ale tylko pod warunkiem, że zadbamy o zaopatrzenie w wodę poprzez jej retencjonowanie.

Wzrost średniej temperatury oznacza, że coraz bardziej prawdopodobne są (i będą) gorące dni w ciągu lata (czytaj więcej: Fale upałów, czyli Letnia Opowieść). Niestety jak wskazują badania (Schlenker i Roberts, 2009, Hawkins i in., 2012) jest to niekorzystne dla upraw. Zboża „lubią” ciepło, ale nawet krótka fala upałów (im gorętsze dni, tym mniej ich potrzeba!) potrafi drastycznie obniżyć plony.

Budując projekcje wielkości oraz jakości przyszłych plonów, trzeba wziąć pod uwagę powyższe efekty, ale też wiele innych (np. różnice gatunkowe, prawdopodobieństwo powodzi, zmiany w występowaniu szkodników, przesuwanie się stref klimatycznych…), projekcje są więc niepewne. Naukowcy opracowujący ostatni raport IPCC podjęli jednak wysiłek podsumowania wniosków opublikowanych analiz na ten temat. Wnioski przedstawili na zamieszczonym poniżej wykresie (patrz rysunek 5). Jak widać, z większości badań wynika, że plony będą w XXI wieku maleć. Im dalej w przyszłość, tym więcej analiz wskazuje na poważny spadek plonów (nawet o ponad połowę).

Rysunek 5. Projekcje zmian plonów w ciągu XXI wieku. Projekcje dotyczyły niskich i umiarkowanych szerokości geograficznych oraz obejmowały różne scenariusze emisji oraz przypadki z działaniami adaptacyjnymi i bez. Kolorami pomarańczowymi przedstawiono, jaka część badań przewiduje spadek plonów (o 0-5%, 5-10% itd.). Kolorami niebieskimi przedstawiono, jaka część badań przewiduje wzrost plonów (o 0-5%, 5-10% itd.).

Więcej na temat piszemy w artykule Mit: Im więcej CO2, tym lepiej dla roślin.

Jak długo ekosystemy lądowe będą intensywnie pochłaniać emitowany przez nas CO2?

Na razie ekosystemy pochłaniają mniej więcej ¼ emitowanego przez nas dwutlenku węgla, czego skutkiem jest widoczny wzrost zieloności powierzchni lądów. Jednak im bliżej przyglądamy się kwestii „nawożenia CO2”, tym więcej pojawia się wątpliwości. Jeśli kontynuowalibyśmy dalsze spalanie paliw kopalnych, podążając scenariuszem emisji RCP8.5 (biznes jak zwykle), to jest bardzo możliwe, że już w najbliższych dekadach ekosystemy lądowe, zamiast pochłaniać nasze emisje dwutlenku węgla, staną się ich źródłem netto.

Badania opublikowane w Nature Geoscience przez Willa Wiedera wraz z kolegami (Wieder i in., 2015) pokazują, że po uwzględnieniu lokalnych ograniczeń dostępności składników odżywczych takich jak azot i fosfor, prognozowany wzrost przyrostu biomasy spada do 1/3 poziomu prognozowanego w wykorzystywanych w AR5 IPCC modelach CMIP5. Tak więc efekt nawożenia CO2 będzie zachodził, ale będzie on znacznie słabszy, niż byłby przy braku ograniczeń w dostępności składników odżywczych.

Wzrost produktywności roślin, związany ze wzrostem atmosferycznego stężenia CO2 oraz nakładające się na to ograniczenia w dostępności azotu i fosforu to tylko część historii. Trzeba też wziąć pod uwagę, że wyższe temperatury oznaczają szybszy utlenianie martwej materii organicznej i w efekcie przyspieszanie wyzwalanie się węgla (CO2) do atmosfery. W ciągu najbliższych zaledwie 35 lat z gleb może trafić do atmosfery 55 GtC węgla – gdyby w całości został on wyemitowany jako CO2, oznaczało by to emisje ok. 200 mld ton CO2, co odpowiada skalą 35-letnim emisjom Stanów Zjednoczonych (Crowther i in., 2016).

Do tego należy doliczyć susze oraz pożary związane z przesuwaniem się stref klimatycznych, co spowoduje dalsze emisje.

Jak zauważa Weider:

Będziemy mieć do czynienia z sytuacją, w której ekosystemy lądowe zamiast pochłaniać CO2 z atmosfery, [staną się źródłem emisji i] będą przyczyniać się do wzrostu problemu.

Widać to na wykresie poniżej. Bez uwzględnienia ograniczeń w dostępie substancji odżywczych, modele prognozują przyrost ilości węgla zmagazynowanego w glebie i biomasie na lądach (czarna linia). Jednak po uwzględnieniu ograniczeń dostępności azotu (linia czerwona) oraz azotu i fosforu (linia niebieska), okazuje się, że lądy będą emitować więcej CO2 niż absorbować.

Rysunek 6. Zmiany w ilości węgla magazynowanej w rezerwuarach lądowych (gleba i biomasa) według modeli CMIP5 w scenariuszu RCP8.5. Czarna linia pokazuje symulację bez uwzględnienia ograniczeń dostępności składników odżywczych, czerwona ograniczenia w dostępności azotu, a niebieska w dostępności zarówno azotu jak i fosforu. Wieder i in., 2015.

Zamiast zaabsorbować do końca stulecia 125 GtC naszych emisji, ekosystemy lądowe stracą 156 GtC. Te dodatkowe 281 GtC węgla z ekosystemów lądowych będzie musiało gdzieś się podziać. W jakimś stopniu zostanie więc podzielone między atmosferę i oceany. Aby tego uniknąć, należałoby zredukować antropogeniczne emisje o 281 GtC – a jest to odpowiednik blisko 30-letnich obecnych emisji ze spalania paliw kopalnych.

Do bilansu należy doliczyć węgiel wyzwalany z tającej wiecznej zmarzliny w Arktyce, który nie jest uwzględniany w modelach IPCC AR5. Najnowsze oszacowania (Schuur i in., 2015, opis Permafrost feedback update 2015: is it good or bad news?) pokazują, że dla scenariusza RCP8.5 możemy spodziewać się w tym stuleciu emisji z wiecznej zmarzliny na poziomie 145 GtC. To emisje odpowiadające średnio 1,45 GtC rocznie, czyli prawie dokładnie tyle, ile wynoszą emisje USA. Możemy więc patrzeć na emisje z wiecznej zmarzliny jak na dodatkowe Stany Zjednoczone, które do końca stulecia będą emitować gazy cieplarniane.

O ile, jak pokazuje m.in. badanie zespołu Mao, lasy umiarkowanych szerokości geograficznych efektywniej pochłaniają dwutlenek węgla, o tyle obserwujemy słabnięcie pochłaniania CO2 przez lasy deszczowe, szczególnie Amazonię. Wiele zespołów badawczych jest zdania, że kombinacja coraz dłuższej pory suchej, coraz wyższych temperatur i fragmentacji lasów wskutek wylesiania pod uprawy rolne może w ostatecznym rozrachunku doprowadzić do zmiany znacznej części południowej Amazonii z lasu deszczowego w sawannę.

Więcej na ten temat piszemy w artykułach Dodatkowe emisje ze źródeł naturalnych a przyszła zmiana klimatu, Coraz dłuższa pora sucha w Amazonii.

Liczy się saldo

Skutki zmiany klimatu są rozmaite i bardzo skomplikowane, często bywają zarówno pozytywne jak i negatywne. Skupiając się na efekcie nawożenia CO2 i kwestii pochłaniania tego gazu przez ekosystemy lądowe tracimy z oczu takie następstwa emisji, jak groźne dla życia ludzi fale upałów, wzrost poziomu morza, zakwaszanie i odtlenianie oceanów, szkodliwość wysokich stężeń CO2 dla ludzi i cały szereg innych następstw. Dlatego właśnie druga część raportu IPCC, która o tych następstwach opowiada, jest tak obszernym dokumentem. Naukowcy odnoszą się tam do kolejnych kwestii, analizując dostępne wyniki badań i syntetyzując je. W raporcie znajdziemy zarówno informacje o tym, że część obszarów Ameryki Południowej przestanie się nadawać do uprawiania kawy, jak i że w innych częściach kontynentu warunki zaczną tym uprawom sprzyjać. Jednak sumaryczny efekt – saldo – to zmniejszenie, a nie powiększanie się areału użytkowego

Wspomnieć także należy, że fotosynteza roślin uprawnych opiera się zasadniczo na dwóch schematach, opisywanych jako typ C3 i C4. Tylko w przypadku roślin typu C3 wzrost stężenia CO2 w powietrzu podnosi wydajność fotosyntezy, bo proces typu C4 jest „pomyślany tak”, że jego wydajność nie zależy od zawartości CO2 w atmosferze. Należy tu dodać, że rośliny typu C4 to kukurydza i proso, tak więc nie należy się spodziewać, aby produktywność dwóch ważnych w skali świata upraw wzrosła z powodu „nawożenia CO2”.

Rysunek 7. Pole kukurydzy w czasie suszy (Texas, 2013). Zdjęcie Boba Nicholsa zamieszczamy dzięki uprzejmości U.S. Department of Agriculture. Licencja: CC BY 2.0.

Wzrost temperatury to tylko teoretyczny wzrost dostępnych powierzchni uprawowych w „roztapianych” obecnie regionach. Przykładem może tu być Skandynawia, na której terenie „odkrywane” jest obecnie podłoże mineralne, które jeszcze przez setki lat nie będzie można określić mianem gleby, a potencjalny wzrost produktywności tamtejszych gleb wynikający ze wzrostu temperatury jest bardzo mały.

Należy też zauważyć, że produkcja w terenach umiarkowanych, gdzie odczuwalny jest wzrost temperatury może być bardziej ryzykowna. Bardzo dobrym przykładem są drzewa owocowe, których coraz wcześniejsze kwitnienie jest determinowane wzrostem wiosennej temperatury powietrza, jednak wcześniejsze pojawienie się kwiatów zwiększa ryzyko strat spowodowanych pojawieniem się przymrozków.

Podobne pesymistyczne wnioski dotyczą wielu innych upraw i dziedzin działalności człowieka. Po stronie plusów nie da się wpisać wzrostu światowego poziomu morza, zaniku lodowców stabilizujących dostawy wody, zakwaszania, odtleniania i coraz bardziej stabilnej stratyfikacji oceanów, migracji setek milionów ludzi czy wymierania gatunków.

Część problemów można będzie w jakimś stopniu ograniczyć poprzez budowę infrastruktury, zmianę uprawianych gatunków, odmian roślin lub lokalizacji upraw, ale po pierwsze wymaga to zaakceptowania faktu, że taka adaptacja jest konieczna, a po drugie – oznacza to konieczność poniesienia poważnych kosztów finansowych i społecznych (np. migracji, zmian tradycyjnego sposobu życia itd.). Jak pokazują wszystkie zestawienia przygotowywane przez profesjonalne ośrodki naukowe, bilans plusów i minusów zmiany klimatu będzie zdecydowanie niekorzystny.

Rysunek 8. Następstwa zmiany klimatu w zależności od wzrostu temperatury z podziałem na kwestie: wody, ekosystemów, żywności, wybrzeży i zdrowia. Źródło AR4 IPCC.

Jak stwierdza profesor Szymon Malinowski,

To, czego się obawiamy, to nie to, że klimat się zmienia, lecz że zmienia się za szybko. Co gorsza, będzie się to działo jeszcze szybciej, gdyż zmiany są bardzo opóźnione w stosunku do naszych emisji gazów cieplarnianych, ze względu czynnik opóźniający, jakim jest duża pojemność cieplna oceanów. Te zmiany mogą być na tyle szybkie, że sobie z nimi nie poradzimy. Może to nas dużo kosztować, gdyż jesteśmy całkowicie uzależnieni od przyrody, w stu procentach, choć może się nam wydawać, że tak nie jest.

Więcej na ten temat znajdziecie w naszym tekście Mit: Globalne ocieplenie, nawet jeśli będzie, wcale nie będzie takie złe.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna: dr hab. Bogdan H. Chojnicki.

Opublikowano: 2016-12-08 12:41
Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.