Torfowiska: ważny gracz światowego cyklu węglowego

Torfowiska mają pewną właściwość wyróżniającą je spośród innych siedlisk roślinnych – potrafią na tysiące lat wycofać ogromne ilości węgla z szybkiego cyklu węglowego. Są to na tyle duże wartości, że część naukowców skłania się ku hipotezie, że ekosystemy te miały udział w zapoczątkowywaniu epok lodowcowych.

Dr Greta Dargie z University of Leeds i dr Simon Lewis, Wydział Geografii, University College London, na torfowiskach w Dolinie Konga, źródło.

Możliwość gromadzenia węgla ma związek ze specyficznymi warunkami, w jakich powstają i przyrastają torfowiska. Najważniejszym jest duża wilgotność wynikająca z położenia lustra wody gruntowej blisko powierzchni terenu. W ten sposób powyżej poziomu wody pojawia się cienka wierzchnia i biologicznie czynna tlenowa warstwa gleby – akrotelm, a poniżej - grubsza, beztlenowa - katotelm. Szczątki roślinne oraz zwierzęce ulegają w większości rozkładowi w akrotelemie, ale w sprzyjających warunkach nawet 20% biomasy trafia do katotelmu. Permanentne nasączenie katotelmu wodą wywołuje procesy biochemiczne, które mocno spowalniają rozkład materii organicznej. W ten sposób tworzy się torf – masa organiczna złożona z niecałkowicie rozłożonych szczątków roślin. Umożliwia to tworzenie pokładów o wielometrowej miąższości, a ponieważ torf zawiera około 50% węgla, torfowiska stają się ważnym rezerwuarem tego pierwiastka.

Szacunki dotyczące wielkości tego „magazynu” są ciągle aktualizowane – niepewności wynikają z trudności w dokładnym określeniu obszaru zajmowanego przez te ekosystemy oraz grubości warstw torfu. Ponadto w ostatnich latach odkryto ogromne torfowiska, na przykład w Dolinie Konga (Dargie i in., 2017) i w peruwiańskiej Pastaza-Marañón (Draper i in., 2014), co wpłynęło na ocenę wielkości światowych rezerwuarów węgla w torfie. Obecnie przyjmuje się, że jest to sporo ponad 600 GtC (Kleinen i in., 2016), z czego torfowiska północne (Rosja, Ameryka Północna, Europa) gromadzą około 550 GtC, a tropikalne około 95-104 GtC (w większości w Indonezji). Niewielka ilość węgla, około 15 GtC, znajduje się w torfowiskach na półkuli południowej (Kleinen i in., 2016, Köchy i in., 2015).

Gleby terenów podmokłych zawierają ok. 30% światowych zasobów glebowych węgla (Rydin H. i Jeglum J.K., 2013). Same torfowiska, choć zajmują jedynie około 5% powierzchni Ziemi, gromadzą dwa razy więcej węgla niż cała biomasa lasów świata i stanowią drugi po oceanie rezerwuar tego pierwiastka.

Węgiel znikający z atmosfery

Wielkość tych zasobów skłoniła naukowców do przyjrzenia się dokładniej roli torfowisk w cyklu węglowym. Ich badania, szczególnie dotyczące interglacjałów, przyniosły ciekawe wnioski.

Podczas zlodowaceń koncentracja CO2 w atmosferze wynosiła 180-200ppm, natomiast między nimi 250-300ppm. Pojawienie się tak dużej (około 100ppm) różnicy w stężeniu dwutlenku węgla próbowano tłumaczyć tzw. hipotezą oceaniczną, która zakładała, że oceany, które są 60 razy bardziej pojemnym zbiornikiem węgla niż atmosfera, służyły jako jego pochłaniacz w czasie glacjałów. Nie udało się jednak potwierdzić tego ani badaniami, ani za pomocą modeli. Na trop innego dużego zbiornika, który mógł mieć znaczenie dla przejść integlacjał-glacjał, naprowadziły naukę m.in. badania Rolanda Zecha ze współpracownikami (Zech i in., 2011). Wykazali oni, że podczas zlodowaceń na wysokich szerokościach w glebach gromadziło się więcej węgla niż pomiędzy epokami lodowymi. Działo się tak pomimo niższej niż w trakcie interglacjałów produkcji biomasy, bardziej suchego klimatu i dużych obszarów pokrytych lodem. Jednak w miejscach, gdzie znajdowała się wieloletnia zmarzlina, tworząca warstwę „izolacji”, gleby były nasączone wodą, co sprzyjało spowalnianiu tempa rozkładu. Na niektórych obszarach, np. dzisiejszych szelfach kontynentalnych (które po obniżeniu poziomu oceanów w trakcie glacjałów o około 120 m znalazły się nad powierzchnią morza) mogły w ten sposób tworzyć się torfowiska gromadzące węgiel w pokładach torfu.

Prędkość gromadzenia się torfu zależy od dwóch czynników: pierwotnej produkcji roślinnej (ilości materii produkowanej przez rośliny z pochłanianego przez nie dwutlenku węgla) oraz tempa rozkładu materii organicznej. Wyższa produkcja pierwotna sprzyja akumulacji torfu tylko przy zachowaniu warunków spowalniających rozkład materii organicznej takich jak np. duża wilgotność gleby. I odwrotnie – nawet w niesprzyjających roślinom okresach, ograniczenie tempa rozkładu będzie korzystnie wpływało na gromadzenie węgla w glebach. To tłumaczy zarówno to, co zmierzył R. Zech jak i wahania stężenia CO2 podczas holocenu.

Rysunek 1. Cykl węglowy w torfowiskach, (Abrams, 2013), modyfikacje autora. Wyjaśnienia terminów: oddychanie autotroficzne – oddychanie organizmów samożywnych, oddychanie heterotroficzne – oddychanie organizmów cudzożywnych (np. bakterii glebowych).

Ocieplenie na początku holocenu spowodowało rozpad zmarzliny, uwalniając uwięziony w glebie węgiel zarówno w postaci gazów (CO2 i CH4), jak i poprzez wypływy z wodą rozpuszczonego węgla pochodzenia organicznego (DOC – dissolved organic carbon) i cząsteczkowego (zawieszonego) węgla organicznego (POC – particulate organic carbon). Wywołało także inne skutki: wyższe stężenie CO2 oraz wydłużenie okresu wegetacyjnego przyspieszyły wzrost roślinności. Na uwolnionych spod lodu obszarach Syberii i Ameryki Północnej zaczęły tworzyć się torfowiska, dokładając do atmosfery swoją porcję metanu – w początkowym okresie powstawania tych ekosystemów emisje CH4 przeważają bowiem nad pobieraniem CO2. Jednak już około 12 tys. lat temu, dzięki nowym torfowiskom na północy globu, ekspansji torfowisk tropikalnych i przesuwaniu linii lasów ku wyższym szerokościom geograficznym nastąpił spadek zawartości CO2 w atmosferze o 7ppm (Zech i in., 2011).

Szybkie tempo kumulacji torfu na początku holocenu wynikało także z ówczesnych warunków pogodowych. Wyraźna była różnica między porami roku: lata były ciepłe, sprzyjające wyższej produkcji pierwotnej roślinności, a zimy mroźne, z małą pokrywą śnieżną, co powodowało wychładzanie gleby i tym samym hamowanie procesów rozkładu. O tym, jak nawet drobne wahania klimatu przekładają się na odpowiedź torfowisk, można przekonać się chociażby obserwując zmiany tempa gromadzenia torfu w zależności od ilości opadów. Bardziej wilgotne okresy w holocenie - szczególnie 6900, 5500 i 4000 lat BP (czyli przed 1950 rokiem) związane są z większą kumulacją torfu i powstawaniem nowych torfowisk (Yu i in., 2003); natomiast w trakcie okresów suchych tempo magazynowania węgla przez torfowiska spadało do mniej więcej połowy obecnego. Zmiany te są widoczne zarówno w torfowiskach północnych, jak i starszych, tropikalnych, które zaczęły się formować na niektórych obszarach południowo-wschodniej Azji już pod koniec plejstocenu (ponad 20 tys. lat temu, np. Nakaikemi w Japonii).

Znaczenie ma nawet zachmurzenie (gdy jest większe, zmniejsza się produkcja pierwotna roślinności): gromadzenie torfu może wtedy pozostać na wysokim poziomie tylko jeśli spadnie także tempo rozkładu. Taka sytuacja miała np. miejsce podczas przejścia ze Średniowiecznego Optimum Klimatycznego do Małej Epoki Lodowcowej. Stężenie CO2 w atmosferze spadło wtedy o 1ppm mimo mniej korzystnych dla roślin warunków tylko dlatego, że m.in. zmniejszyło się heterotroficzne oddychanie glebowe (patrz rysunek 1) (Jungclaus i in., 2010; Pongratz i in., 2009).

Wyniki analiz pokazują, że uwzględnienie akumulacji węgla przez torfowiska oraz drugiego „wolnego” procesu cyklu węglowego - uwalniania CO2 z CaCO3 w płytkich wodach (podczas podnoszenia się poziomów morza) pozwala lepiej tłumaczyć historyczne wahania poziomu CO2 w atmosferze. Dotyczy to zarówno modeli stworzonych dla holocenu, jak i interglacjału eemskiego czy ciepłego interglacjału MIS 11 (Marine Isotope Stage) ok. 400 tys. lat temu (Kleinen i in., 2016).

Rysunek 2. Koncentracja CO2 w holocenie (modele i dane z rdzeni lodowych): Odniesienie – model uwzględnia tylko wymuszenie orbitalne, Torfowiska1 – model uwzględnia dodatkowo akumulację torfu, Torf1+Koral – model uwzględnia wszystkie naturalne procesy, w tym torf i wytrącanie osadów CaCO3 podczas formowania się raf koralowych. Torf1+Koral – podobnie, ale przyjęto minimalny obszar torfowisk. T1+K+Ant – jak poprzednio, ale model uwzględnia czynniki naturalne i antropogeniczne. ‘Pomiary’ dotyczą danych uzyskanych za pośrednictwem proksy z rdzeni lodowych. Źródło: T. Kleinen i in. 2015.

Obecnie, jak i w prawie całym holocenie, torfowiska nadal działają jak „pochłaniacze” węgla. Na całym świecie akumulują w biomasie, ściółce, warstwie torfu, warstwach mineralnych podglebia i wodzie glebowej 0,1-0,2 GtC rocznie (0,1 GtC = 100 MtC = 370 mln ton CO2), w tym tropikalne torfowiska 0,06-0,093 Gt.

Ma to istotny wpływ na kształtowanie klimatu. Przez prawie 12 tysięcy lat ekosystemy te wchłonęły z atmosfery ogromną ilość CO2, magazynując węgiel w torfie w tempie powyżej 5 GtC na stulecie (Yu i in., 2010). Chłodzący wpływ torfowisk północy w holocenie szacuje się na -0,2 (Frolking i Roulet, 2007) do -0,5 W/m2 (Frolking i in., 2010). Same torfowiska Indonezji zgromadziły od ostatniego maksimum zlodowacenia ilość węgla odpowiadającą 26 ppm stężenia CO2 w atmosferze (Dommain i in., 2014). Wiązanie węgla przez torfowiska zapoczątkowało trend ochładzający klimat, a dzięki powiększaniu się obszarów objętych wieloletnią zmarzliną (a tym samym zmniejszaniu tempa rozkładu materii organicznej) pojawiło się ujemne sprzężenie zwrotne, które mogłoby się przyczynić – gdyby nie emisje antropogeniczne – do zainicjowania kolejnej epoki lodowej.

Rysunek 3. Znaczenie torfowisk dla światowego cyklu węglowego podczas holocenu: A) dane z Grenlandii dotyczące CH4 (ciągła linia) i różnica między Grenlandią a Antarktydą (północ minus południe), B) zmiany tempa wzrostu obszaru torfowisk (dla torfowisk północnych - NP, tropikalnych TP i południowych SP), C) zmiany w czasie w całkowitym zbiorniku węgla dla torfowisk północnych, tropikalnych i południowych, D) koncentracja CO2 w atmosferze na podstawie antarktycznych rdzeni lodowych. „Dziś” znajduje się po lewej stronie wykresu. (Z. Yu i in. 2010)

Niszczenie torfowisk: tykająca bomba klimatyczna

Nie tylko emisja gazów cieplarnianych, ale też i inne nasze działania mają znaczący wpływ na zmianę roli torfowisk w cyklu węglowym oraz stabilność tych znaczących magazynów węgla. Wylesianie, osuszanie, użytkowanie rolnicze i pożary powodują m.in. uwalnianie gazów cieplarnianych. Naruszone torfowiska charakteryzują się także zwiększonym o 50% w stosunku do dziewiczych wypływem DOC, do tego głównie z głębszych warstw torfu, powstałych setki a nawet tysiące lat temu (Moore i in., 2013). Samo uwzględnienie tych procesów podwyższa szacunki strat węgla z niszczonych torfowisk o 22%. Ponadto część dziewiczych obszarów, głównie tropikalnych i znajdujących się na wieloletniej zmarzlinie, nie kumuluje już torfu z powodu ocieplania się klimatu. Szacuje się w związku z tym, że rzeczywiste tempo gromadzenia dziś węgla nie przekracza dla całego świata 0,1 GtC rocznie.

Rysunek 4. Próbka torfu z torfowiska w Dolinie Kongo. Fot.: Simon Lewis

Wolne tempo formowania torfu powoduje, że powinien być traktowany jako zasób nieodnawialny – obecna prędkość jego znikania przewyższa 20-krotnie prędkość tworzenia, co powoduje roczny spadek objętości światowych torfowisk o około 20 km3. Niektóre badania pokazują, że pozyskiwanie i spalanie torfu z dziewiczych torfowisk pod względem wpływu na klimat właściwie niewiele się różni od spalania węgla. Zresztą węgiel brunatny czy kamienny to właśnie przekształcona materia organiczna skumulowana w ogromnej ilości w czasach wysokiego stężenia CO2 w karbonie i trzeciorzędzie właśnie przez prehistoryczne torfowiska. Proces przekształcania torfu w węgiel brunatny można zaobserwować nawet obecnie – choćby na datowanym na plejstocen torfowisku Phillipi w Grecji (to najprawdopodobniej najgłębsze torfowisko na świecie o miąższości 190 m).

Torfowiska magazynują w sobie podobną ilość węgla jak światowe rezerwy paliw kopalnych. EIA (Energy Information Administration) w 2012 roku szacowała je na 978 Gt, co - zakładając średnią zawartość węgla 65% - daje 635 GtC. Całkowite zniszczenie torfowisk odpowiadałoby około 100 latom spalania węgla w obecnym tempie, mogłoby więc wprowadzić do atmosfery poważną ilość dwutlenku węgla.

Miejscem, które ma szczególne znaczenie w kontekście ochrony klimatu, jest Azja południowo-wschodnia. Torfowiska tropikalne mają bowiem o wiele większą potencjalną zdolność do pochłaniania węgla: mimo że stanowią jedynie 10% powierzchni światowych torfowisk odpowiadają aż za 37% tego potencjału. W porównaniu do ekosystemów na glebach mineralnych zawierają 10 razy więcej węgla na hektar (torfowiska w strefie subpolarnej i borealnej odpowiednio 3,5 i 7 razy), a średnia grubość torfu w tropikach jest dużo większa niż na północy globu – około 5m (do 20m) w porównaniu do np. 1,2m w Finlandii. Powoduje to, że uwięzione w nich jest około 20% węgla zgromadzonego w torfowiskach świata. Najwięcej torfowisk tropikalnych znajduje się w Indonezji, gdzie są systematycznie niszczone m.in. pod plantacje palmy oleistej. W wyniku melioracji terenów pod plantacje następuje utlenianie torfu i uwalnianie zgromadzonego w nim węgla. Dodatkowo takie obszary są o wiele bardziej narażone na pożary, które głęboko wypalają wysuszoną glebę. W najgorszym pod tym względem roku 1997 tylko z indonezyjskich torfowisk uwolnione zostało około 0,8-2,6 GtC (Page i in., 2002), co stanowi 13-40% średnich rocznych emisji ze spalania paliw kopalnych na świecie. Pożary niszczą także te wartościowe magazyny węgla na północy globu, jednak wieloletnia zmarzlina w dużym stopniu ogranicza głębokość wypalania torfu. W związku z samymi zmianami użytkowania terenów w latach 1990-2015 rezerwuar węgla w tropikalnych torfowiskach południowo-wschodniej Azji zmniejszył się o około 2,5 GtC, co odpowiada kilkuset albo nawet kilku tysiącom lat procesów akumulacji węgla w torfowiskach (Miettinen i in., 2015). Podobne niekorzystne zmiany zachodzą także na półkuli północnej – samo zniszczenie torfowisk w Kanadzie pod obecne i projektowane kopalnie piasków bitumicznych uwolni w sumie 0,14-4,73 GtC (Rooney i in., 2011).

Rysunek 5. Osuszone tereny bagiennych lasów w Indonezji są bardziej narażone na pożary. Fot. Martin Wooster/NASA.

Rysunek 6. Dymy z pożarów torfowisk na południu Borneo, październik 2015. Fot. NASA

Los tych ogromnych magazynów węgla zależy więc głównie od naszych działań gospodarczych, zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio, bo powodowana przez nas zmiana klimatu na pewno wywrze wpływ na torfowiska. Ocieplenie będzie oddziaływać na poszczególne siedliska w sposób zróżnicowany – inaczej na torfowiska wysokie, inaczej na niskie, inaczej na tropikalne, inaczej na te leżące na wieloletniej zmarzlinie. Zmiana wzorców opadowych także ma duże znaczenie, np. im bardziej sucho, tym torfowiska stają się bardziej podatne na pożary.

Mimo olbrzymiego znaczenia torfowisk dla światowego cyklu węglowego, naukowcy nadal mają niepełną wiedzę na ten temat. Bardziej kompleksowe zrozumienie procesów zachodzących na styku torfowisk i klimatu pozwoliłoby np. lepiej określić czułość klimatyczną globalnego cyklu węglowego na wzrost temperatury (czyli jak duży wzrost koncentracji CO2 w atmosferze spowoduje 1 stopień ocieplenia), która obecnie jest niezbyt precyzyjnie znana: od 1,7-21,4ppm CO2 (Frank i in., 2010) do 40-60ppm (Cox i Jones, 2008) na 1 stopień wzrostu temperatury. Nadal także wiele modeli próbujących oszacować przyszłe zmiany klimatu nie uwzględnia ani sprzężeń związanych z torfowiskami ani z rafami koralowymi (CaCO3). Okazuje się, że włączenie do wyliczeń węgla uwięzionego na terenach z wieloletnią zmarzliną powoduje zmiany wyników symulacji przyszłego wzrostu temperatur globalnych. Są one, w zależności od scenariusza emisji, od 10 do 40% wyższe niż w modelach nieuwzględniających tego sprzężenia (Crichton i in., 2016). Jak duża będzie ta różnica, zależy od emisji antropogenicznych (przeczytasz o tym więcej w tekście Dodatkowe emisje ze źródeł naturalnych a przyszła zmiana klimatu). Analizy dotyczące historycznych zmian ilości CO2 atmosferycznego w odpowiedzi na procesy zachodzące w torfowiskach wskazują, że ekosystemy te mogą stać się jednym z większych „graczy” wpływających na przyszłe zmiany klimatu. Dlatego zarówno dalsze badania, jak i ochrona tych cennych siedlisk powinna być priorytetowym działaniem w kontekście globalnego ocieplenia.

Film: Badacze szacują ilość węgla zgromadzoną w torfowiskach Peru (6 min.)

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna prof. Bogdan Chojnicki

Jeśli zainteresował Cię temat torfowisk, polecamy także artykuły:
Torfowiska - kolejne sprzężenie zwrotne zmiany klimatu
Topnienie zmarzliny niszczy lądowe magazyny węgla

Opublikowano: 2017-06-04 23:43
Tagi

dwutlenek węgla

Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.