Magazyny węgla, których nie możemy stracić

Lasy, torfowiska, tereny przybrzeżne… Ziemskie ekosystemy to wielkie pochłaniacze i magazyny węgla. Zastanawiając się, ile dwutlenku węgla „możemy jeszcze wyemitować” aby średnia temperatura powierzchni Ziemi nie wzrosła o więcej niż 1,5 lub 2 stopnie względem czasów przedprzemysłowych, często zbyt optymistycznie zakładamy, ile węgla będą w stanie wychwycić i przechować w przyszłości. Tymczasem wylesianie, wysychanie czy zmiany ograniczenia w dostępności substancji odżywczych mogą zmniejszyć ich możliwości.

Ciągły wzrost stężenia gazów szklarniowych w atmosferze jest głównym powodem globalnego ocieplenia, a obecne oszacowania wskazują, iż aby ograniczyć ocieplenie Ziemi do maksymalnie 2^oC powyżej wartości temperatury z okresu przedprzemysłowego (z prawdopodobieństwem >67%) możemy wyemitować w sumie jeszcze nie więcej niż ok. 288-298 GtC (gigaton węgla organicznego, stan na koniec roku 2023) (Noon i in., 2021, Friedlingstein, 2023). Dla porównania, obecne podniesienie temperatury powierzchni Ziemi o ok. 1,1°C to efekt wprowadzenia przez człowieka do atmosfery 651 GtC w wyniku spalania paliw kopalnych i zmian pokrycia terenu, przy czym ponad połowa tego została pochłonięta przez ekosystemy lądowe i oceany. Ponieważ obecne działania mitygacyjne są jedynie symboliczne, budżet węglowy dla celu 2^oC będzie się dalej kurczył – dzieje się to teraz w tempie ok. 10 GtC rocznie. Jeśli te emisje nie zostaną ograniczone, w ciągu ok. 30 lat zostanie w ten sposób całkowicie wyczerpany. (Noon i in., 2021). 

Nasz budżet węglowy a pochłanianie CO₂ przez rośliny

To mogą być jednak optymistyczne szacunki. Część naukowców wskazuje bowiem, że modele projektu CMIP6, na których bazują raporty IPCC, mogą zawyżać możliwość pochłaniania CO₂ z atmosfery przez ekosystemy lądowe, a tempo niszczenia lasów, torfowisk itp. jest zbyt duże, by te magazyny węgla organicznego mogły nimi dalej pozostać. Należy tu dodać, iż degradacja tcyh ekosystemów powoduje dodatkowe emisje CO_2.,  część uwolnionego w ten sposób węgla, np. z gleb organicznych, nie ma szansy być ponownie zasekwestrowana przez te ekosystemy (zakładając, że nadal będą istnieć) szybciej niż za setki lub tysiące lat. Jeśli te ekosystemy staną się źródłami a nie  pochłaniaczami netto CO₂, to budżet węglowy wyczerpie się dużo szybciej niż za 3 dekady (Noon i in., 2021, Friedlingstein i in., 2022, raport IPCC AR6, 2022)

Obecnie ekosystemy lądowe pochłaniają ok. 3 GtC netto rocznie, co wraz z absorbcją CO₂ przez oceany, spowalnia tempo wzrostu stężenia tego gazu w atmosferze. Ludzie mają bezpośredni wpływ na to pochłanianie, bo takie sektory gospodarki, jak rolnictwo, leśnictwo, czy górnictwo odkrywkowe zmieniają szatę roślinną poszczególnych obszarów, a tym samym ich zdolność do akumulacji węgla. Emisje CO₂ związane ze zmianami użytkowania terenu (głównie wylesianiem) wynoszą ok. 1 GtC rocznie, co zmniejsza faktyczną ilość węgla sekwestrowanego przez te ekosystemy. 

Jeśli chcemy zatrzymać ocieplenie klimatu na poziomie 2^oC względem epoki przedprzemysłowej, emisje tego typu muszą zostać „wyzerowane”, tak samo, jak te związane ze spalaniem paliw kopalnych. IPCC wskazuje, że musi to nastąpić najpóźniej do ok. 2033 r. Można to osiągnąć poprzez ochronę naturalnych terenów, zalesianie czy zwiększanie zawartości materii organicznej w glebach uprawnych. Działania te, wdrożone na dużą skalę, mogą nie tylko „wyzerować” emisje z sektora AFOLU (rolnictwo, leśnictwo i inne użytkowanie terenu), ale zapewnić według IPCC nawet 20-30% globalnego ograniczenia emisji, potrzebnego do zatrzymania wzrostu średniej temperatury Ziemi poniżej 2^oC. 

Największy potencjał w ograniczaniu antropogenicznych emisji mają takie działania, jak: ochrona i lepsze zarządzanie naturalnymi ekosystemami (ok. 1,5-2 GtC rocznie) a także odtwarzanie lasów i innych ekosystemów (ok. 1-1,5 GtC rocznie) (raport IPCC AR6, 2022) (zobacz też: Rolnictwo wpływa na klimat, klimat wpływa na rolnictwo).

Problemy z szacowaniem pochłaniania CO2 przez ekosystemy

Problem w tym, że szacunki, w myśl których ekosystemy naturalne i antropogeniczne (np. rolnicze) miałyby pochłaniać coraz więcej CO₂, są oparte na kilku założeniach nie oddających w pełni rzeczywistości. Po pierwsze, aby uzyskać wartości z górnych granic przedziałów wyliczanego potencjału trzeba byłoby  natychmiast zaprzestać niszczenia naturalnych ekosystemów. 

Po drugie większość modeli wykorzystanych do obliczeń cytowanych przez IPCC nie uwzględnia m.in. pełnej odpowiedzi roślin na zmiany w środowisku i nie różnicuje tempa odtwarzania różnych ekosystemów. 

Ponadto istnieją duże (ok. 1,5 GtC) rozbieżności w wyliczeniach rocznych emisji antropogenicznych z AFOLU wynikające z różnic w metodologiach używanych w krajowych inwentaryzacjach gazów cieplarnianych i modelach globalnych. Jeśli weźmiemy pod uwagę krajowe ewidencje, odkryjemy, że pozostały budżet węglowy wspomniany na początku artykułu może być przez IPCC zawyżony. Dobrym przykładem opisu niepewności w szacowaniu emisji z odwodnionych torfowisk jest praca Kotowskiego (2021).

Określenie, w jakim stopniu naturalne ekosystemy mogą nam pomóc w ograniczaniu tempa zmiany klimatu nie jest więc takie proste! (raport IPCC AR6, 2022). W dalszej części tekstu przedstawimy powody, dla których możliwości magazynowania węgla w przyszłości w ekosystemach mogą być przeszacowane.

„Nawożenie” CO₂  nie zawiezie nas daleko

Według raportów takich jak IPCC AR5 (2015), specjalny raport „Zmiana klimatu i lądy” (2018) i AR6 (2022), obserwowany w ostatnich dekadach wzrost pochłaniania CO₂ przez ekosystemy to przede wszystkim efekt „nawożenia CO₂”. Oznacza on wzrost efektywności fotosyntezy w odpowiedzi na większą zawartość tego gazu w atmosferze. Dzięki temu przyrasta biomasa roślin, a tym samym ilość węgla organicznego gromadzonego w ich tkankach. 

Nawet za połowę tego wzrostu okresie 1995-2014 mogły odpowiadać tropiki. AR6 prognozuje, że w XXI w. ten region Ziemi nadal będzie „pochłaniaczem” węgla. Jednak wiele badań pokazuje, że efekt „nawożenia CO₂” z czasem słabnie – efektywność fotosyntezy nie może rosnąć w nieskończoność a i rośliny mają ograniczoną możliwość wykorzystania produkowanych w niej związków (utrudniają to coraz wyższe temperatury, częstsze susze, i ograniczona dostępność składników odżywczych np.: azotu). (Wieder i in., 2015, Fernández-Martínez i in., 2019, Zang i in., 2019, IPCC AR6, 2022)

Zespół Songhana Wanga na podstawie danych naziemnych i satelitarnych określił, że na większości obszarów lądowych efekt nawożenia już de facto osłabł w ostatnich 3-4 dekadach, co dobrze koreluje ze zmianami dostępności składników odżywczych i wody w glebie (Wang i in., 2020). 

Do tego obserwowana w ostatnich dekadach zwiększona produkcja pierwotna netto („zazielenianie”) w dużej mierze dotyczy terenów nie będących lasami – głównie pól uprawnych. Nie są one jednak w stanie pełnić tak ważnej roli w mitygacji zmiany klimatu jak obszary naturalne, chociażby ze względu na to, że właściwie nie gromadzą węgla w biomasie nadziemnej (plony są co roku zbierane i procesie trawienia z powrotem zamieniane na takie gazy, jak CO₂ i CH₄) (Zang i in., 2019) (zobacz także: Ziemia się zieleni – ale gdzie i dlaczego?).

Zbyt mało fosforu i azotu

Większość modeli systemu ziemskiego (ESM) wykorzystywanych w obliczeniach odzwierciedla głównie wpływ zmian użytkowania terenu, zmiany klimatu i stężenia CO₂ na produkcję pierwotną netto i oddychanie organizmów cudzożywnych (tj. zwierząt, większości bakterii itd.) bez uwzględniania różnych niuansów. Ilość węgla zgromadzonego na lądzie jest wyliczana po prostu na podstawie różnicy między całkowitą produkcją (pochłanianie netto CO₂ przez rośliny) a oddychaniem heterotroficznym w ekosystemie (rozkład martwej biomasy).  

Choć w projekcjach dla XXI w. ocieplenie powoduje nasilenie oddychania, to obliczenia pokazują, że jednocześnie nawożenie CO₂ będzie na tyle stymulować wzrost produkcji pierwotnej netto, że węgiel nadal będzie odkładał się w ekosystemach. AR6 przewiduje, że emiterem netto CO₂ staną się one raczej po 2100 r. (IPCC AR6, 2022)

Sytuacja wygląda jednak inaczej, gdy w modelach uwzględni się np. dostępność dwóch kluczowych dla roślin składników odżywczych – azotu i fosforu. Dostępność azotu biorą pod uwagę tylko 2 z wielu modeli fazy 5 programu Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5), używanych do prognoz w raporcie AR5 oraz ponad połowa fazy 6 CMIP (raport AR6). 

Fosfor uwzględnia natomiast tylko 1 model CMIP6. Jego niedobory są  jednak dość powszechne na lądach i w przyszłości jego dostępność dla roślin może spadać. Będzie to ograniczać produkcję pierwotną, szczególnie w tropikach. Uwzględnienie ograniczeń związanych azotem i fosforem obniża prognozowane na koniec XXI w. szacunki produkcji pierwotnej netto o ok. 25% w stosunku do modeli CMIP5. W wyniku tego powierzchnia lądów staje się emiterem netto CO₂ jeszcze przed 2100 r. (Wieder i in., 2015, Kawamiya i in., 2020)

Wylesianie – to się wciąż dzieje

W większość modeli systemu ziemskiego używanych do obliczania redukcji emisji antropogenicznych  koniecznych do wypełnienia założeń Porozumienia Paryskiego, przyjęto, że obecne, ogromne naturalne magazyny węgla np. lasy pozostaną raczej nienaruszone i że obszary te nadal  będą sekwestrować węgiel (ewentualnie – z coraz mniejszą efektywnością, w miarę starzenia się drzewostanów). 

W rzeczywistości jednak wiele naturalnych magazynów jest niszczonych. W latach 2000-2015 globalny obszar lasów kurczył się średnio o 12 mln ha co 5 lat, a w niektórych regionach na północy globu, szczególnie w Ameryce Północnej, średni obszar płonących rocznie torfowisk więcej niż podwoił się w ostatnich dekadach. Ocieplenie zwiększyło także częstotliwość pojawiania się susz, pożarów i dużej ilości owadów żerujących na drzewach w takim stopniu, że zachodnia Kanada i Syberia mogły już stać się źródłami emisji netto CO₂ (Yang i in., 2015, Goldstein i in., 2020, Tagesson i in., 2020).

Zakłócenia, takie jak wycinki, uszkodzenia przez roślinożerców czy pożary wpływają także na sposób odtwarzania się lasów. Oznacza to, że zniszczony las może odrastać w wolniejszym tempie, mieć inny skład gatunkowy, a nawet przekształcić się w inny ekosystem. Będzie to miało oczywiście znaczenie dla sekwestracji węgla na określonym obszarze (Brienen i in., 2020). 

Co więcej, przy większym stężeniu CO₂ w atmosferze rośliny wprawdzie szybciej rosną, ale niektóre też (np. drzewa) szybciej się starzeją, co w konsekwencji skraca ich życie. Efekt ten prawdopodobnie jest już obserwowany w tropikach i na wysokich szerokościach geograficznych i może częściowo tłumaczyć wzrost śmiertelności drzew w tych miejscach. Oznacza to oczywiście skrócenie czasu magazynowania węgla w ekosystemie. Jeśli efekt ten będzie się utrzymywał czy wręcz nasilał, to z czasem lasy będą pochłaniać coraz mniej dwutlenku węgla netto, a mogą wręcz zacząć go emitować. (Zang i in., 2019, Brienen i in., 2020, raport IPCC AR6, 2022) (zobacz też: Tajga płonie. Coraz częściej., Bagna a klimat. Wysuszone torfowiska na świecie emitują 2 mld ton CO2 rocznie).

Dalsze efekty zmian w krajobrazie

Oprócz uwzględnianych w modelach bezpośrednich emisji CO_2, zmiana pokrycia terenu powoduje także inne efekty wpływające na cykl węglowy. Na przykład wylesianie tropików modyfikuje obieg wody i bilans energetyczny przy powierzchni ziemi, co ma znaczenie dla krążenia węgla w ekosystemie np. poprzez wpływ na tempo rozkładu oraz akumulacji materii organicznej. Z tego powodu badacze wskazują, że np. prognozowany wzrost potencjału magazynowania węgla w ekosystemach należałoby zmniejszyć o ok. 25% (Quesada i in., 2018, Noon i in., 2021). 

Według części badań już obecnie pochłanianie węgla przez nienaruszone lasy tropikalne jest niemal neutralizowane (wyzerowane) przez emisje związane z wylesianiem. Do tego niektóre bazy danych służące do określania pochłaniania i emisji ekosystemów lądowych np. ESA-CCI, za las uznają zarówno pierwotny las tropikalny, jak i plantację palm oleistych. W ten sposób z bilansów „umykają” zmiany zawartości węgla w danym miejscu po jego przekształceniu: pierwotny las jest bowiem zupełnie innym magazynem i pochłaniaczem węgla niż plantacja. Przykładowo, zróżnicowany gatunkowo i wiekowo las naturalny lepiej radzi sobie w niekorzystnych warunkach, dzięki czemu pochłanianie CO₂ jest w nim bardziej stabilne (Fernández-Martínez i in., 2019, Osuri i in., 2020, Tagesson i in., 2020).

Niszczenie ekosystemów likwiduje magazyny węgla na dekady, a w niektórych przypadkach nawet tysiąclecia. Odliczenie tego od budżetu węglowego dla celu ograniczenia ocieplenia poniżej 2 °C zmniejsza go. Wprawdzie szybko regenerujące się ekosystemy, np. trawiaste, mogą częściowo wyrównać tą lukę, to nadal jakaś pozostanie, gdyż np. zniszczone torfowiska potrzebują setek czy tysięcy lat na odtworzenie.

 Biorąc pod uwagę, że emisje netto zero powinniśmy osiągnąć w 2050 r., niszczenie długo regenerujących się ekosystemów będzie zmniejszać ilość CO₂, który możemy wyemitować w ramach działalności gospodarczej dla danego budżetu węglowego. 

Zespół Moniki Noon wskazał w niedawnej pracy ekosystemy magazynujące węgiel, których po zniszczeniu nie byłoby szansy odbudować w ciągu kolejnych 3 dekad. To właśnie one przechowują ok. 20% węgla zasekwestrowanego w ekosystemach lądowych i wybrzeżach bez wliczania wieloletniej zmarzliny. Około 140 GtC z tego znajduje się w „magazynach”,których utratę można stosunkowo  łatwo zahamować, rezygnując z przekształcania terenów lub podejmując działania adaptacyjne (np. ponowne nawadniając (odtwarzając) tereny podmokłe). (Noon i in., 2021). 

Zidentyfikowanie obszarów, w których znajdują się największe nieodtwarzalne magazyny węgla pozwoliłoby skoncentrować wysiłki na ochronie miejsc mających największy wpływ na ziemskie bezpieczeństwo klimatyczne. Zespół Noon wymienia tu tropikalne lasy i torfowiska Amazonii (31,5 GtC), dolinę Kongo (8,2GtC), wyspiarską część południowo-wschodniej Azji (13,1GtC), umiarkowane lasy północno-zachodniej Ameryki Północnej (5GtC), lasy i torfowiska wschodniej Kanady i zachodniej Syberii (12,4GtC) oraz namorzyny i zalewowe tereny podmokle wybrzeży na całym świecie (4,8GtC). Ochrona tych miejsc jest kluczowa, dla realizacji celów Porozumienia Paryskiego. 

Obecnie jednak z nieodtwarzalnych magazynów ubywa co roku około 0,4 GtC (co odpowiada ok. 3,5% wielkości emisji CO₂ ze spalania paliw kopalnych i wylesiania). To efekt przede wszystkim pozyskiwania drewna, ekspansji rolnictwa i pożarów. Im bardziej wzrosną temperatury, tym te straty będą wyższe (m.in. w wyniku zamierania drzew, zapalania lub rozkładu pokładów torfu, wzrostu poziomu morza, cyklonów niszczących lub zalewających ekosystemy na wybrzeżach, czy przekraczania punktów krytycznych ekosystemów, za którymi będą stawały się źródłem CO₂ a nie „pochłaniaczem”). (Noon i in., 2021). 

Niszczenie torfowisk prawie jak spalanie ropy naftowej

Badania takie, jak zespołu Moniki Noon pokazują, że część emisji będących wynikiem przekształcania ekosystemów naturalnych powinna być de facto traktowana jak emisje z paliw kopalnych – np. w przypadku torfowisk. Inaczej wyliczenia wpływu np. zalesiania na równoważenie emisji z lądów mogą być zawyżone. To pokazuje, że mitygacja oparta na obszarach naturalnych może być de facto mniej efektywna, niż pokazują podsumowania wyników badań przedstawione w dotychczasowych raportach IPCC. 

Biorąc pod uwagę, jak wiele ważnych czynników bywa pomijane w obliczeniach, nie dziwią duże rozbieżności co do prognoz pochłaniania węgla przez lądy w XXI w. Na przykład zespół Vanessy Haverd oszacował, że przy scenariuszach niskich emisji, w XXI w. ekosystemy właściwie utrzymają obecne tempo sekwestracji (ok. 1,8 GtC rocznie). Według IPCC pod koniec XXI w. pochłanianie będzie w tym przypadku wynosić 0,4 GtC rocznie (scenariusz SSP1-2.6), a w przypadku wysokich emisji (scenariusz SSP5-8.5) sięgać ok. 5,6 GtC (Haverd i in., 2020, IPCC AR6, 2022). 

Część naukowców uważa jednak, że wzrost pochłaniania węgla przez ekosystemy, w scenariuszach wysokich emisji IPCC (zobacz ilustracja 9), załamie się tak naprawdę już w połowie wieku, co może skutkować dodatkowym przyrostem ilości CO₂ w atmosferze. Tym bardziej, że w przyszłości, szczególnie w przypadku scenariuszy wysokich emisji (RCP 8.5), należy spodziewać się zdecydowanego zwiększania częstości klimatycznych ekstremów niszczących naturalne ekosystemy. Choć modele fazy 5 CMIP wskazywały, że tropiki i północne szerokości pozostają  głównymi pochłaniaczami CO₂ do 2100, to obserwacje wskazują, że być może już teraz mamy w  ich przypadku raczej do czynienia z emisjami niż pochłanianiem (Yang i in., 2015, Green i in., 2019, Friedlingstein i in., 2022, IPCC AR6, 2022). 

Lasy nas nie uratują

Wszystko to oznacza, że poleganie na ekosystemach jako sposobie na mitygację zmiany klimatu nie jest najlepszym pomysłem, mimo ich dużego potencjału technicznego*. Niestety wiele projektowanych obecnie działań skupia się raczej na wykorzystaniu naturalnych „pochłaniaczy” CO₂ zamiast na obcinaniu emisji ze spalania paliw kopalnych. Wśród nich są m.in. „rolnictwo węglowe” w EU, rynek kredytów węglowych dla lasów, wzmocnienie programów typu REDD+ czy biokredyty. Wielu naukowców wskazuje jednak, że te pomysły mają de facto niewiele wspólnego ze skuteczną ochroną klimatu, mogą za to przynieść w niektórych przypadkach negatywne skutki np. dla realizacji Celów Zrównoważonego Rozwoju. 

Ponieważ modele systemów ziemskich są ciągle ulepszane, możliwe jest też, że kolejny raport IPCC pokaże mniej optymistyczne szacunki dotyczące pochłaniania węgla przez lądy. Do tego dalsze doprecyzowanie poziomu historycznego ocieplenia i  zakresu niepewności związanych z odpowiedziami klimatu na inne, niż CO₂, emisje (CH₄, N₂O i aerozole), może zmienić (zwiększyć lub zmniejszyć (!)) budżety węglowe o 150 GtC i 60 GtC odpowiednio. Spowoduje to konieczność dalszego zwiększania wysiłków potrzebnych do osiągnięcia celów klimatycznych w dużo krótszym czasie niż mamy obecnie. Tym bardziej, że tempo niszczenia ekosystemów raczej nie spada, a tym samym magazyny węgla organicznego kurczą się, wśród nich są te uznawane za nieodnawialne. 

Budżet węglowy dla celu 2^oC jest więc mocno zagrożony wyczerpaniem się szybciej niż za 30 lat. Ochrona ekosystemów może być kluczowym elementem dającym nam więcej czasu, jednak nie ma szansy zastąpić zdecydowanych działań w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych (IPCC AR6, 2022) (zobacz też: „Na skróty przez las”? Nie tędy droga.).

Anna Sierpińska, konsultacja merytoryczna: dr hab. Bogdan Chojnicki