Torfowiska - kolejne dodatnie sprzężenie zwrotne zmiany klimatu

Rysunek 1. Prof. Maria Strack z University of Waterloo w Kanadzie w trakcie badań terenowych nad wymianą gazów cieplarnianych w torfowiskach. Źródło: University of Waterloo

Część naukowców zajmujących się torfowiskami jeszcze niedawno przychylała się do opinii, że mogą one „pomóc” w walce ze zmianami klimatu. Szacowano, że wydłużający się wraz z ociepleniem okres wegetacyjny pozwoli roślinności torfowisk efektywniej pochłaniać CO2 z atmosfery, niwelując ogrzewający wpływ emitowanego przez nie metanu. Okazuje się jednak, że torfowiska są wyjątkowo wrażliwe na zmiany klimatu (Whiting i Chanton, 2001) oraz działania ludzi, a większość z nich znajduje się blisko punktu krytycznego (Joosten, 2015), po przekroczeniu którego bilans gazów cieplarnianych ulegnie niekorzystnej zmianie. Pojawia się więc coraz więcej głosów specjalistów wskazujących, że ze względu na zachodzące zmiany, torfowiska będą raczej dokładały się do wzrostu antropogenicznego wymuszenia radiacyjnego (Zech i in., 2011, Johnston, 2014, Parker, 2017), zamiast jak do tej pory „ochładzająco” działać na klimat.

8 powodów wzrostu emisji gazów cieplarnianych z torfowisk

Rysunek 2. Rozmieszczenie torfowisk i wybranych obszarów lądowo-wodnych na Ziemi. Źródło: Strack i in., 2008

Czynnikami w największym stopniu wpływającymi na los torfowisk są temperatura, rozkład i ilość opadów oraz przekształcenia związane z gospodarką człowieka.

1. Rosnąca średnia temperatura powierzchni Ziemi pociąga za sobą wzrost temperatury gleby. Sprzyja to wzmożonej aktywności rozkładających szczątki mikroorganizmów glebowych (Dorrepaal i in., 2009, McLaughlin i Webster, 2013). Dokłada się do tego towarzysząca wzrostowi temperatury redukcja populacji żywiących się nimi drapieżników (Jassey i in., 2012) oraz lepsze przemieszczanie się składników do produkcji gazów cieplarnianych z wodą glebową (Parish i in., 2008).

2. Skutkiem poprawy warunków dla działalności mikroorganizmów jest zwiększona respiracja ekosystemów (emisja CO2) (Dorrepaal i in., 2009). Rośnie też – w warunkach beztlenowych – ilość powstającego metanu (Parish i in., 2008). Co więcej, wydzielane z rozkładanej materii organicznej ciepło dodatkowo ogrzewa glebę (Hollesen i in., 2015), uruchamiając w ten sposób sprzężenie zwrotne (ocieplenie powoduje dalsze ocieplanie).

Rysunek 3. Powiązania między cyklem węglowym torfowisk, obiegiem wody i czynnikami klimatycznymi. Źródło: Frolking i in., 2010

3. Wzrost temperatury gleby, a tym samym wody glebowej, powoduje też spadek rozpuszczalności w niej gazów cieplarnianych, przez co są one łatwiej uwalniane do atmosfery.

4. Na obszarach północnych grunt staje się coraz cieplejszy również w okresie zimowym, co ma związek z wyższymi opadami śniegu przekładającymi się na grubość mającej dobre właściwości izolacyjne pokrywy śnieżnej. Do tej pory wychładzanie gleby zimą było jednym z czynników pozwalających zachować torfowiskowe magazyny węgla w nienaruszonym stanie. Jednak prognozy IPCC dotyczące wielkości i rozkładu opadów w przyszłości pozwalając wątpić w utrzymanie tej sytuacji w przyszłości (Treat i in., 2016).

5. Wyższa temperatura gruntu na północy zagraża stabilności wieloletniej zmarzliny. Jej rozpad będzie dostarczał kolejnych substratów do produkcji gazów cieplarnianych (zwiększają się emisje metanu, Blanc-Betes, 2016) oraz związków węgla (Hodgkins, 2014), które mogą zostać wymyte z torfu do cieków wodnych. Same „jeziorka” stojącej wody, pojawiające się latem podczas topnienia wieloletniej zmarzliny, mogą zwiększać lokalne emisje metanu o 25% (McLaughlin i Webster, 2013).

Rysunek 4. Prognozowane zmiany temperatury gleby w czasie lata na Syberii w 2050 roku (w °C). Źródło: Anisimov, 2007. Warto porównać z rysunkiem 2 – największe zmiany dotyczą w dużej mierze obszaru zachodniej Syberii z rozległymi obszarami torfowisk.

6. Coraz cieplejszy klimat, a także obecna przyczyna jego zmian – rosnące stężenie CO2 – utrudniają życie podstawowej roślinie torfotwórczej porastającej siedliska na wysokich szerokościach geograficznych – mchom Sphagnum. Niekorzystnie wpływa na nie także coraz częstsze i bardziej długotrwałe opadanie lustra wód gruntowych latem, wynikające m.in. ze zmian w opadach. Zgodnie z prognozami IPCC, wraz z postępowaniem zmiany klimatu wzrośnie na świecie długość okresów suchych, zmniejszy się w ich trakcie ilość deszczu i zwiększy temperatura – opadów będzie więcej jedynie w porze mokrej/chłodnej. Według Roulet 1992, przy wzroście temperatury na obszarach borealnych oraz subarktycznych o 3 stopnie i opadów o 1 mm dziennie, poziom wód gruntowych w torfowiskach może się obniżyć o ponad 20 cm. To nie tylko zmieni warunki życia roślinności torfowisk, ale także grubość czynnej, wierzchniej warstwy torfu – akrotelmu, napędzając w ten sposób emisje CO2.

7. Na dodatek krzewy wrzosowate czy trawy wkraczające na miejsce Sphagnum wpływają na skład społeczności mikroorganizmów glebowych, uruchamiając sprzężenie zwrotne dalej przebudowujące szatę roślinną. Substancje wydzielane przez ich korzenie wspomagają mikrobiologiczny rozkład wcześniej „zablokowanej” (trudnej do rozłożenia) materii organicznej z głębszych pokładów torfu (Bragazza i in., 2012). Powoduje to, że aż do 40% emisji CO2 z ekosystemu może wynikać z „pomocy” roślin w utlenianiu torfu (Walker i in., 2016).

8. Wydawałoby się, że w sytuacji opadającego poziomu wód gruntowych można by się chociaż spodziewać spadku emisji metanu z torfowisk. Niestety nie zawsze się tak dzieje. Na torfowiskach porośniętych roślinami naczyniowymi emisje metanu są większe, niż na torfowiskach z mchami Sphagnum, a to dlatego, że resztki tych roślin łatwiej, w warunkach beztlenowych, ulegają rozkładowi niż szczątki mchów (Olefeldt i in. 2012, Bragazza i in., 2012). Dodatkowo na glebach zalanych wodą rośliny naczyniowe rozwinęły specyficzną cechę adaptacyjną – porowatą tkankę – (tzw. miękisz powietrzny aerenchyma), ułatwiającą transport tlenu do korzeni, oraz pozwalającą rozpuszczonym lub uwięzionym w podłożu gazom (np. metanowi) na ucieczkę do atmosfery (Parish i in., 2008). Badania przeprowadzone w Szwecji pokazały, że wzrost o 6,5-10% pokrycia danego obszaru subarktycznych torfowisk przez rośliny naczyniowe powodował wzrost emisji metanu o 22-66% (Anisimov, 2007).

Rysunek 5. Mikrofotografia elektronowa pokazująca aerenchymę w korzeniu trzęślicy modrej (Molinia caerulea) na głębokości 15cm. Źródło: Smith i in., 2003

Rysunek 6. Mchy Sphagnum tworzą symbiozę z bakteriami utleniającymi metan, co pozwala dodatkowo wytłumaczyć, dlaczego torfowiska zdominowane przez te mchy wydzielają mniej metanu niż torfowiska z roślinami naczyniowymi. Źródło: Chen i Murrell, 2010

Wędrujące drzewa i coraz częstsze pożary

Zmiana szaty roślinnej na północnych terenach globu, zwłaszcza gdy zaczynają na nie wkraczać drzewa i krzewy, wpływa nie tylko na emisje gazów cieplarnianych, ale także albedo tych obszarów (Lohila i in., 2010). Torfowiska odbijają więcej promieniowania słonecznego niż gęsto zalesione tereny, szczególnie zimą, gdy leży śnieg. Choć zbiorowiska leśne są bardziej produktywne od torfowiskowych (pochłaniają więcej CO2), to ewentualne „klimatyczne” korzyści z tego faktu niwelowane są przez ich niższe albedo, wyższe emisje N2O (silnego gazu cieplarnianego) (Danevcic, 2010), a także wpływ na cyrkulację atmosferyczną (IPCC, 2013) i związane z nią wzorce opadowe. W rezultacie przesuwanie się linii drzew na wyższe szerokości może skutkować silniejszym pochłanianiem promieniowania słonecznego i przyczyniać się do wzrostu globalnej temperatury (Aurela i in., 2004).

Ponadto sprzyjające sukcesji krzewów i drzew na tereny torfowisk opadanie poziomu wód gruntowych nie tylko wpływa na zwiększenie emisji CO2 i N2O (Nykanen 2003) – jest także czynnikiem zwiększającym ryzyko pożarów. Potwierdzają to m.in. obserwacje oscylacji ENSO. El Niño związane jest ze zmianą temperatury na powierzchni Oceanu Spokojnego, co oddziałuje na warunki meteorologiczne na wielu obszarach świata. Skutkiem mogą być słabsze opady, inne ich rozłożenie w czasie oraz wyższe temperatury. W przypadku torfowisk może to zwiększać podatność na pożary, szczególnie tam, gdzie siedliska te dodatkowo są wylesiane i poddawane zabiegom agrotechnicznym.

Rysunek 7. Odchylenie temperatury powierzchni morza (SST) w regionie NINO 3-4 wykazuje korelację z epizodami wzmożonych pożarów w Azji południowo-wschodniej (na wykresie zostały zaznaczone czerwonymi ikonkami). Źródło: Global Fire Monitoring Center (GFMC).

Korelację pomiędzy temperaturą powierzchni morza a pożarami zauważono zresztą nie tylko w Azji Południowo-Wschodniej (dane KNMI Climate Explorer, NASA, 2007, NASA, 2016, The Conversation, 2015, Drobyshev, I. i in., 2016). Silniejsze, częstsze El Niño oraz kilka innych czynników przyczyniło się w ostatnich dziesięcioleciach do dużego powiększania się wypalanych obszarów na całej planecie (Strack i in., 2008). W przypadku torfowisk oznacza to dodanie do CO2 z oddychania ekosystemu dodatkowych gigaton węgla „puszczanych z dymem”. Problem jest o tyle duży, że torf może tlić się miesiącami, nawet w wilgotnych warunkach, a pożary głębokich pokładów naruszają „stary węgiel” (Turetsky i in., 2014), który nie był częścią obecnego szybkiego cyklu węglowego przez stulecia, a nawet tysiąclecia. W przypadku torfowisk Azji Południowo-Wschodniej około 80% węgla uwalnianego w pożarach pochodzi z torfu (Frolking i in., 2011), a emisje roczne mogą przy tym sięgać nawet około 1 GtC (Parish i in., 2008, G. R. van der Werf, 2010). To 10-krotnie więcej węgla, niż w ciągu roku są w stanie zmagazynować wszystkie torfowiska świata (Frolking i in., 2011).

Prognozy wskazują, że w cieplejszych, bardziej suchych warunkach związanych z postępującą zmianą klimatu, emisje z pożarów lasów borealnych, z których spora część porasta torfowiska, mogą wzrosnąć nawet 4-krotnie (I. Yang  i in., 2015). O ile jednak las może odrosnąć, „wyciągając” z powrotem część węgla z atmosfery, to torf – ze względu na niezwykle wolne tempo akumulacji – jest tracony właściwie bezpowrotnie. Pożary przyczyniają się też pośrednio do zmiany klimatu, wpływając na albedo terenów Arktyki i okolic (A. V. Rocha i in., 2012), szatę roślinną, produktywność roślinną, zmarzlinę oraz uwalniając do atmosfery dym z produktami spalania materii organicznej, zwiększający wymuszenie radiacyjne (M. Turetsky i in. , 2002, R. K. Chakrabarty i in., 2016).

Rysunek 8. „Wyspy” mchów Sphagnum na spalonym torfowisku. Źródło: grupa robocza ds. pożarów północnych torfowisk University of Guelph

Rysunek 9. Średnia ilość węgla tracona podczas pożarów w latach 1997-2009 (w g na m2 wypalonego obszaru). Źródło: van der Werf i in. (2010). Jest ona wyraźnie większa na obszarach zajmowanych przez torfowiska (Kanada, Rosja, Indonezja, Kongo – porównaj z mapą z rys. 3).

Błędne koło utraty torfowisk

Powtarzające się okresy suszy oraz intensywne odwadnianie mogą prowadzić nawet bez pożarów do zaniku funkcjonalności torfu. Spękana powierzchnia łatwiej ulega erozji wietrznej i wodnej (Parish i in., 2008), a długie i częste susze mogą powodować poważne zmiany w składzie społeczności mikroorganizmów glebowych (Nunes i in., 2015). Światowe emisje z osuszania torfowisk wynoszą aż 0,6-0,9 GtC, czyli kilka procent emisji z paliw kopalnych (raport Global Environment Centre i Wetlands International, 2008, Joosten, Couwenberg, 2009, Hatano i in., 2010, Joosten i in., 2012), natomiast uwolnienie całego węgla z samych torfowisk Indonezji doprowadziłoby do wyemitowania aż (14-40 GtC). W Europie ponad 90% regionalnych emisji CO2 z rolnictwa pochodzi z użytkowanych rolniczo, zdegradowanych torfowisk, choć stanowią one jedynie 3% gruntów uprawnych. Do tego odwadniające zabiegi agrotechniczne nie obniżają emisji metanu – jest on uwalniany np.: z wody stojącej w kanałach melioracyjnych. Fizyczna ingerencja w strukturę gleby organicznej oraz jej nawożenie są z klimatycznego punktu widzenia niekorzystne – dodawanie azotu do torfu powoduje zwiększenie emisji metanu o 97%, redukuje jego pochłanianie o 38% i ponad trzykrotnie zwiększa emisje N2O (Liu i Graever, 2009) – torfowiska przekształcone rolniczo to zresztą główni światowi emitenci N2O – gazu mającego w przeliczeniu na tonę 300 razy wyższy niż CO2 potencjał ocieplający w horyzoncie 100-letnim (Jauhiainen i in., 2012).

Rysunek 10. Zmiana wymuszenia radiacyjnego w wyniku przekształcania obszarów lądowo-wodnych w rolnicze. Źródło: Petrescu i in., 2015

Rysunek 11. Prognozowane zmiany emisji metanu w połowie XXI wieku z sezonowo odmarzających zbiorowisk lądowo-wodnych w Rosji. Źródło: Anisimov, Reneva, 2006

Wszystkie te informacje wskazują na to, że torfowiska podlegające degradacji zaczynają „grzać” klimat, zamiast go chłodzić (Wu, 2014, Euskirchen i in., 2014). Do tego im bardziej warunki klimatyczne, szczególnie na północy globu, zaczną wykraczać poza normę holocenu, tym większe i trudniejsze do przewidzenia zmiany będą zachodzić w tych ekosystemach. Naukowcy wskazują bowiem, że „ocieplenie w XXI wieku będzie gwałtowne i duże w porównaniu do zmian w ostatnich kilku tysiącleciach – w takiej sytuacji torfowiska mogą zachować się w sposób nieudokumentowany w zapisach współczesnych czy paleologicznych” (Frolking i in., 2011).

Ze względu na ogrom torfowiskowego magazynu oznacza to stałe, trwające stulecia i tysiąclecia, „dokładanie się” tych ekosystemów do podgrzewania atmosfery (Friborg i in., 2003, Zimmerman, Labonte, 2015). Jak duży będzie to wkład, zależy m.in. od scenariusza przyszłych emisji antropogenicznych. Davidson i Janssens (2006) szacują, że do 2100 roku torfowiska mogą uwolnić do atmosfery nawet 100 GtC, co odpowiada kilkunastu latom spalania paliw kopalnych na obecnym poziomie. Obecne cele klimatyczne mogą więc zostać przekroczone w wyniku chociażby samych – słabo uwzględnianych w modelach i prognozach – zmian na torfowiskach (Abbot i in., 2016).

FILM (około 10 min.) Odtwarzanie torfowisk w Rosji

W 2011 roku rządy Niemiec i Rosji rozpoczęły program odtwarzania torfowisk w Rosji w celu zmniejszenia ilości pożarów, a tym samym emisji CO2 z naturalnych źródeł.

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna dr hab. Bohdan H. Chojnicki

Jeśli zainteresował Cię temat torfowisk, polecamy także artykuły:
Torfowiska: ważny gracz światowego cyklu węglowego
Topnienie zmarzliny niszczy lądowe magazyny węgla

Opublikowano: 2017-07-10 15:53
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.