Groźne sprzężenie zwrotne: ocieplenie zubaża gleby, ich węgiel trafia do atmosfery

Ekosystemy lądowe pochłaniają aż ¼ naszych emisji dwutlenku węgla, spowalniając tym samym wzrost jego stężenia w atmosferze. Jednak szeroko zakrojone badania, opublikowane przez 50 autorów w czasopiśmie Nature (Crowther i in., 2016 [pełna wersja]) pokazują, że na horyzoncie zbierają się czarne chmury. Kolejne, opublikowane w magazynie Science, (Pries i in., 2017) sugerują, że perspektywy mogą być jeszcze gorsze.

Gleby są olbrzymim rezerwuarem węgla z resztek roślin i ich korzeni, który kumulował się w nich przez bardzo długi czas. Od wielu lat narastały obawy, że w miarę ocieplania się klimatu, żyjące w glebie mikroorganizmy będą intensyfikować swoją działalność: przyspieszać respirację i szybciej rozkładać materię organiczną. Oznaczałoby to uwalnianie do atmosfery węgla w formie silnych gazów cieplarnianych – dwutlenku węgla i metanu (zależnie od tego, czy rozkład przebiega w środowisku odpowiednio tlenowym czy beztlenowym).

Jak czytamy w opracowaniu Crowther i in., 2016:

Nasza analiza dostarcza danych pomiarowych potwierdzających obawy, że wzrost temperatury stymuluje utratę skumulowanego w glebach węgla do atmosfery, napędzając tym samym dodatnie sprzężenie zwrotne, które może przyspieszyć ocieplenie planety w XXI wieku.

Może to oznaczać, że nawet daleko posunięte redukcje naszych emisji okażą się niewystarczające, po prostu dlatego, że włączy się inne źródło emisji – gleba pod naszymi stopami.

Przyjmując globalną perspektywę, możemy dostrzec, że mamy tu do czynienia ze sprzężeniem zwrotnym. I będzie ono olbrzymie.

mówi Thomas Crowther z Netherlands Institute of Ecology, współautor artykułu.

Praca opiera się na wynikach 49 eksperymentów terenowych, prowadzonych w sześciu biomach – od Arktyki po suche lasy śródziemnomorskie. W ramach badań porównywano ilość węgla (pierwiastkowego) w glebie na położonych obok siebie powierzchniach eksperymentalnych – sztucznie ogrzewanych i referencyjnych. Zmierzona po dłuższym czasie różnica pozwalała ustalić, jak pod wpływem wzrostu temperatury zmieniają się strumienie węgla z atmosfery do gleby (związane z produktywnością roślin) oraz z gleby do atmosfery (związane z respiracją). Wiążąc zachowanie gleb z ich charakterystyką i warunkami klimatycznymi, autorzy pracy określili wrażliwość tego rezerwuaru węgla na ocieplenie w skali globalnej. Aby zestandaryzować pomiary, wzięto pod uwagę warstwę powierzchniową grubości 10 centymetrów – w niej bowiem mieści się większość biologiczne aktywnej gleby na naszej planecie.

W zależności od lokalizacji, eksperymenty przynosiły różne wyniki. W niektórych przypadkach podgrzewane gleby pochłaniały z atmosfery więcej węgla niż do niej emitowały – w szczególności, dla gleb ubogich w węgiel wpływ zmiany temperatury na emisje CO₂ był nieznaczny. Dla gleb zawierających 2-5 kgC/m² emisje stawały się istotne, znacząco rosnąc dla gleb bogatych w węgiel (≥7 kgC/m²). Jak pokazały badania, inne czynniki, takie jak strefa klimatyczna, w której umieszczono poletko eksperymentalne, struktura gleby czy współczynnik pH nie miały statystycznie istotnego znaczenia dla zmian zawartości węgla w odpowiedzi na ocieplenie.

Ogólny wzorzec zachowania gleb był wyraźny: wyzwalanie węgla z gleb wzrastało wraz ze wzrostem temperatury oraz grubością wierzchniej aktywnej warstwy gleby.

Dobrze wiadomo, że tempo rozkładu materii organicznej w procesach biogeochemicznych szybko wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, uzyskany rezultat nie jest więc zaskakujący. Jeśli początkowa ilość materii organicznej w ekosystemie jest niewielka, przyspieszony rozkład może zostać skompensowany przyspieszonym wzrostem roślinności. Jednak na glebach bogatych w węgiel, przyspieszony rozkład materii organicznej jest tak duży, że przewyższa akumulację wynikającą ze zwiększonej produktywności roślin, w rezultacie prowadząc do znaczącego uwalniania węgla z gleby do atmosfery.

Najbardziej znacząca utrata węgla jest prognozowana w rejonach arktycznych, gdzie gleby są w niego bogate i gdzie wzrost temperatury jest szybki. Węgiel tracą też gleby leżące w strefie umiarkowanej. Prognoza wzrostu ilości węgla zgromadzonego w glebach tropików i regionów pustynnych – obecnie prawie nie zawierających węgla – obarczona jest wysokim stopniem niepewności ze względu na bardzo ograniczone zbiory danych z tych okolic.

Utrata węgla w glebach wyższych szerokości geograficznych (szczególnie w wieloletniej zmarzlinie) znacząco przewyższy niewielkie zwiększenie jego ilości w glebach niskich szerokości geograficznych.

Co będzie dalej? Zakładając, że zachowanie gleb nie ulegnie w najbliższych latach zasadniczym zmianom, że węgiel w glebie reaguje na wzrost temperatury z rocznym opóźnieniem (w rzeczywistości może to zachodzić szybciej), oraz że temperatura wzrośnie do 2050 roku o 2°C (scenariusz, w którym nasze emisje gazów cieplarnianych rosną z roku na rok, tak jak dotąd), do 2050 roku gleby naszej planety uwolnią 55±50 mld ton węgla (GtC). Jeśli będzie on wyzwalany przede wszystkim w formie dwutlenku węgla, a tylko w niewielkim stopniu metanu, odpowiada to emisji z gleb do atmosfery około 200 mld ton CO₂.

Czy to dużo? To wielkość porównywalna z obecnymi emisjami CO₂ przez Stany Zjednoczone. Aby uniknąć wzrostu temperatury o ponad 2°C względem poziomu przedprzemysłowego możemy wyemitować jeszcze około 800 mld ton CO₂ (patrz Carbon Budget 2016, rys. 22), a emisje z gleb mogą doprowadzić do przekroczenia tego progu. O zagrożeniu tym piszemy dokładniej w tekście Dodatkowe emisje ze źródeł naturalnych a przyszła zmiana klimatu.

Jak zauważa Crowther, ze względu na znaczące niepewności związane z emisjami CO₂ z gleb, wiele modeli klimatu, także wykorzystywanych w raportach IPCC, w ogóle nie uwzględnia tego zjawiska. Z tego powodu wzrost temperatury przy określonym poziomie emisji antropogenicznych może być wyższy od prognozowanego.

Także w pracy Crowthera i kolegów przyszłe emisje mogą być niedoszacowane: w badaniu brano pod uwagę utratę węgla tylko z górnej 10-centymetrowej warstwy gleby. Jeśli ocieplenie zacznie uwalniać węgiel z głębszych warstw wiecznej (dotychczas) zmarzliny – co staje się coraz poważniejszą obawą – to przedstawione w pracy liczby mogą okazać się zaniżone.

Z drugiej strony, przyspieszony rozkład materii organicznej w glebach jest częściowo kompensowany przyspieszonym wzrostem roślin w atmosferze z wyższą koncentracją dwutlenku węgla. Jednak liczne badania pokazują, że efekt ten będzie niewystarczający i już w najbliższych dekadach ekosystemy lądowe mogą stać się źródłem emisji netto. Więcej na ten temat przeczytasz w artykule Nawożenie roślin CO₂ jest OK. Są jednak „ale”. Liczne „ale”. Co więcej, jak zauważają autorzy pracy, prognozowany proces utraty materii organicznej przez gleby będzie przekładał się na wolniejszy wzrost roślinności i nasilenie stresu wodnego.

Autorzy pracy otwarcie stwierdzają, że nie stawia ona ‘kropki nad i’ w badaniach nad zmianami ilości węgla w glebach w warunkach zmiany klimatu. Postulują pogłębione badania zachowania węgla na większych głębokościach (>10 cm) oraz przeprowadzenie dłuższych i bardziej kompleksowych eksperymentów terenowych, pozwalających na dostarczenie dokładniejszych danych dla modeli klimatu i generowanych przez nie prognoz.

Głęboki problem

Szacuje się, że ponad połowa znajdującego się w glebach węgla organicznego leży poniżej głębokości 20 cm. Tymczasem większość przeprowadzonych dotychczas eksperymentów skupiała się na badaniu górnych 5-20 cm gleby. Postawione przez badaczy z grupy Crowthera pytania: w jakim stopniu głębokie warstwy gleb odpowiadają na ocieplenie i jak to się przekłada na wyzwalanie z nich dwutlenku węgla, mają więc fundamentalne znaczenie.

Ich ciekawość została wyjątkowo szybko zaspokojona. W marcu 2017, w renomowanym czasopiśmie Science opublikowane zostały wyniki eksperymentu naukowców z Departamentu Energii Lawrence Berkeley National Laboratory (Pries i in., 2017) dotyczącego zachowania materii organicznej uwięzionej w ocieplających się glebach do głębokości 100 centymetrów.

Badacze przeprowadzili eksperyment w terenie, podczas którego monitorowali emisje dwutlenku węgla z rozkładu materii organicznej na trzy sposoby. Każda powierzchnia doświadczalna była wyposażona w komorę mierzącą automatycznie, co 30 minut, przepływ węgla na powierzchni gleby. Dodatkowo raz w miesiącu naukowcy dokonywali ręcznych pomiarów w siedmiu punktach każdej z powierzchni doświadczalnych. Trzecią metodą było mierzenie stężenia CO₂ na pięciu różnych głębokościach, od 15 do 90 cm przez umieszczone pod ziemią próbniki. Znając koncentracje CO₂ i inne własności gleby, naukowcy mogli za pomocą modelowania określić za jakie emisje dwutlenku węgla na powierzchni odpowiadają leżące na różnych głębokościach warstwy gleby.

Projekcje ocieplenia pokazują, że w scenariuszu „biznes-jak-zwykle” średni wzrost temperatury gleb do 2100 roku wyniesie 4°C. Badacze stwierdzili, że przy takim ociepleniu badane przez nich gleby ekosystemu lasu strefy umiarkowanej będą emitować dwutlenek węgla w tempie o 34-37% wyższym niż obecnie, przy czym aż 40% wzrostu emisji pochodzić będzie z warstw gleby leżących na głębokości poniżej 15 cm. Okazało się też, że czułość gleby na ocieplenie nie zmienia się praktycznie z głębokością.

Jeśli uogólnić uzyskane przez badaczy z Berkeley Lab wyniki na inne podobne gleby (nie zamarznięte ani nie nasycone w pełni wodą), to wzrost emisji będzie prowadził do znaczącego naruszenia równowagi między pochłanianiem dwutlenku węgla a jego emisją, przekładające się w 2100 roku na odpowiednik dodatkowych emisji rzędu 10 mld ton CO₂ rocznie. Inaczej mówiąc, z przedstawionych rezultatów badań wynika, że same gleby staną się źródłem emisji CO₂ dwukrotnie większym niż obecnie Stany Zjednoczone (ok. 5 mld ton CO₂ rocznie).

Autorzy artykułu są zdania, że dotychczasowe szacunki wpływu emisji organicznego węgla z gleb są zaniżone. Są to oczywiście wyniki pojedynczego eksperymentu, nie należy więc traktować ich jako ostatniego słowa w badaniach emisji z gleb. Czy w rzeczywistości mogą one okazać się mniejsze? Owszem, i miejmy nadzieję, że tak będzie. A czy mogą okazać się wyższe? Niestety, mogą.

Warto zauważyć, że szacowane na 4°C ocieplenie w scenariuszu „biznes-jak-zwykle” jest średnią globalną. Wzrost temperatury nad lądami będzie większy. Szczególnie wysoki będzie zaś nad lądami na wysokich szerokościach geograficznych, tam, gdzie znajdują się gleby najbogatsze w materię organiczną.

Jeśli dodatkowe emisje z gleby osiągną tak olbrzymią skalę, może się okazać, że naszym spalaniem paliw kopalnych uruchomiliśmy sprzężenie zwrotne na tyle potężne, że nawet całkowite wstrzymanie emisji nie zatrzyma dalszego ocieplania się klimatu. Zegar tyka.

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