Czy zmiana klimatu wywróci prognozy przyszłego wzrostu lasów do góry nogami?

Choć lasy na świecie mogą odgrywać ważną rolę w pochłanianiu CO₂ i spowalnianiu zmiany klimatu, to wyniki nowych badań wskazują, że rosnąca koncentracja atmosferyczna CO₂ niekoniecznie poprawi stan lasów, a wyższe temperatury mogą wywołać zmiany w drzewach redukujące ich zdolność do wzrostu. Jaka jest przyszłość lasów?

Tekst ukazał się pierwotnie na stronie YaleEnvironment360

Sześć otwartych, dwudziestopięciometrowych wież, zbudowanych z białych rur, wyłania się nad czubkami drzew w eukaliptusowym lesie na zachód od Sydney w Australii. To miejsce jednego z eksperymentów FACE (ang. Free-Air Carbon Dioxide Enrichment – wzbogacenia dwutlenkiem węgla na świeżym powietrzu), przeprowadzanych też w wielu innych miejscach na świecie, m.in. w Europie, obu Amerykach i Amazonii.

Materiał dodatkowy: Film wyposażenie australijskiego eksperymentu FACE (język ang.)

W 2012 roku z otworów w rurkach zaczęto wypuszczać dwutlenek węgla, co podniosło jego stężenie wewnątrz wież o ponad 40% w stosunku do stężenia tego gazu w atmosferze (wynoszącego około 405 ppm). Przez 4 lata drzewa skąpane w „węglowej” kąpieli, użyły części atomów węgla w procesach oddychania, część z nich wbudowały też w liście, korzenie i drewno. Kiedy ekolog Mingkai Jiang z Western Sydney University wraz z kolegami zmierzyli rezultaty tych procesów byli zadziwieni. Drzewa – jak donieśli badacze w kwietniowym numerze „Nature” (Jiang i in., 2020) – nie dały rady ani trochę urosnąć, pomimo „objadania się” „pokarmem roślin” w postaci CO₂.

W pokrytej liśćmi glebie wyspy Barro Colorado w Panamie, znajdującej się niemal po drugiej stronie świata w stosunku do Sydney, wiją się druty. Przesyłany nimi prąd przez dwa lata podgrzewał glebę o 4^oC, symulując możliwe przyszłe warunki klimatyczne. Tu także odkrycia były niepokojące: ogrzana gleba traciła 55% więcej węgla niż obszar kontrolny, który nie był podgrzewany, co sugeruje, że w cieplejszej przyszłości gleby w tropikach mogą stać się silnym źródłem CO₂.

Odkąd uznano globalną zmianę klimatu za duże zagrożenie, naukowcy starają się określić jak dużo węgla, przy rosnącym stężeniu CO₂ i wyższych temperaturach, mogą „wyciągnąć” z atmosfery ekosystemy, w szczególności lasy. Podstawy fizjologii roślin oraz eksperymenty z sadzonkami drzew prowadzone w małej skali wskazują, że gdy inne warunki są niezmienione, to przy wzroście stężenia CO₂ wzrasta też intensywność fotosyntezy. Do pewnego poziomu ocieplenie także napędza wzrost roślin, co zaobserwował każdy, kto uprawiał rośliny w szklarni. Obecnie lasy pochłaniają ponad 1/4 emisji CO₂ z działalności ludzi, a w drzewach i leśnych glebach znajduje się ponad bilion ton węgla – ponad 2 razy tyle, ile wyemitowali ludzie od czasów rewolucji przemysłowej.

Jednak to, co się stanie z tym węglem w rzeczywistych ekosystemach w nadchodzących dekadach – kiedy upały, susze, pożary, burze, epidemie chorób i plagi szkodników się nasilą – jest bardziej skomplikowane. Na niektóre z wielkich pytań dotyczących przyszłości lasów i biosfery odpowiedzi szukają autorzy nowej generacji eksperymentów polowych i z dziedziny modelowania numerycznego.

Nawożenie CO₂ vs. wysokie temperatury

Wygląda na to, że badania przynoszą same złe wiadomości: wyższe koncentracje CO₂ niekoniecznie przyspieszają wzrost lasów, cieplejsze gleby emitują znacznie więcej CO₂ niż myślano wcześniej, a powodowane zmianą klimatu plagi mogą zabijać drzewa szybciej niż lasy są w stanie rosnąć, przekształcając je tym samym z „pochłaniacza” węgla w jego źródło. Najbardziej niepokoi fakt, że już same wyższe temperatury mogą powodować zmiany fizjologiczne w roślinach, redukując ich zdolność do fotosyntezy i wzrostu.

Wygląda na to, że negatywne konsekwencje wzrostu temperatury przewyższają korzyści z [większej ilości] CO₂

mówi Nate McDowell, naukowiec z Pacific Northwest National Laboratory w Richland w USA. Wniosek jest taki, że zmiana klimatu już teraz wywiera presję na lasy na świecie, a jej przyszłe następstwa mogą być na tyle poważne, że negatywnie wpłyną na całkowitą sekwestrację węgla przez lasy.

Niektórzy naukowcy obawiają się jednak, że ich koledzy nie doceniają ogromnych korzyści dla klimatu, które przynoszą nawet lasy będące w kiepskim stanie: „Obawiam się, że nasza akademicka obsesja na punkcie spadku pochłaniania będzie źle interpretowana przez ludzi. Mogą pomyśleć, że utrzymanie lasów nie ma specjalnego znaczenia” mówi Peter Ellis, naukowiec z The Nature Conservancy zajmujący się węglem w lesie. „Tona węgla w lesie to zawsze tona węgla w lesie”.

Wielu naukowców wskazywało, że lasy mogą utrzymać, a nawet zwiększyć sekwestrację węgla, gromadząc go w długo żyjących drzewach – ich drewnie i korzeniach – co może w ciągu kilku najbliższych dekad znacząco pomóc w ograniczeniu zmiany klimatu. Żaden poważny naukowiec nigdy nie twierdził, że „naturalne rozwiązania klimatyczne” mogą zwolnić kraje z cięcia emisji związanych ze spalaniem paliw kopalnych, jednak niektórzy wyrażają nadzieję, że pozwoli to opóźnić najgorsze skutki zmiany klimatu.

Tę opinię wspiera wiele dowodów. W eksperymencie wzbogacania powietrza dwutlenkiem węgla (FACE), w którym „zalewano” młode drzewa rosnące na południowym wschodzie USA powietrzem z podwyższonym stężeniem CO₂, drzewa przyspieszały swój wzrost (Norby i in., 2010). W każdym razie do momentu, gdy napotykały na jakieś czynniki ograniczające np. niedobory składników pokarmowych w glebie. W szeroko zakrojonym badaniu z 2011 roku stwierdzono „duże i trwałe pochłanianie węgla w lasach” i przypisano większość z tego dojrzałym lasom tropikalnym i borealnym (Pan i in., 2011). Natomiast analiza pomiarów satelitarnych od roku 1980 pokazała spore zazielenianie powierzchni Ziemi, co niektórzy naukowcy interpretowali jako przejaw wyciągania przez lasy dużej ilości węgla z atmosfery (patrz Nawożenie roślin CO₂ jest OK. Są jednak „ale”. Liczne „ale”). Klimatyczni „sceptycy” często uczepiali się tych informacji, by poddawać w wątpliwość, że globalne ocieplenie stanowi poważne zagrożenie.

Choć naukowcy zdecydowanie odrzucają taki pogląd, to wielu entuzjastycznie promowało zdolności lasów do wyciągania węgla z atmosfery. Poprzedniego lata, główny autor bardzo znanego artykułu nazwał sadzenie drzew „najlepszym rozwiązaniem klimatycznym na obecną chwilę”, mimo że autorzy wyjaśnili później, że nie może ono zastąpić redukcji emisji (patrz „Na skróty przez las”? Nie tędy droga).

Niepokojące tempo znikania drzew

Wygląda jednak na to, że większość tego optymizmu znika wraz z coraz większą liczbą badań dokumentujących alarmujące przyspieszanie tempa ubytku drzew z powodu wylesiania, pożarów, susz i gradacji szkodników. W poprzednich dwóch latach dwa artykuły oparte na danych zbieranych w terenie przez długi czas wskazały, że w obu Amerykach tempo zamierania drzew doganiania tempo ich wzmożonego wzrostu (Zhu i in., 2018, Yu i in., 2019). Niedawne badanie 300 000 drzew przeprowadzone przez badaczy z University of Leeds w Wielkiej Brytanii i z Royal Museum for Central Africa pozwoliło zaś oszacować spadek zdolności pierwotnych lasów w Afryce do usuwania węgla z atmosfery na 14% do 2030 roku (Hubau i in., 2020). Lasy Amazonii mogą przestać być pochłaniaczem netto CO₂ już w roku 2035, gdy drzewa zaczną zamierać w takim tempie, że las, wskutek rozkładu biomasy, będzie uwalniał węgiel równie szybko, jak go pochłania. Inny naukowcy znaleźli dowody na to, że część lasu deszczowego Amazonii już teraz staje się emiterem netto węgla (Pearce 2019, Pearce 2020).

Tymczasem dokładne analizy danych satelitarnych przeprowadzone przez zespół Rangi Myneni z Boston University pokazały, że większość obserwowanego we wcześniejszych badaniach zazieleniania wynikała nie z szybszego wzrostu lasów, ale raczej z rozległych, trwających dziesiątki lat nasadzeń prowadzonych w Chinach oraz gwałtownej intensyfikacji rolnictwa w Chinach i Indiach wynikającej z faktu, że właściciele ziemi uzyskali dostęp do finansowania oraz wdrożyli na dużą skalę nawożenie i nawadnianie (Chen i in., 2019).

W badaniu zamieszczonym w maju na serwerze z artykułami czekającymi na recenzję przed publikacją, zespół Myneniego posunął się nawet dalej, donosząc, że długoterminowy trend zazieleniania widoczny na danych satelitarnych mógł już zacząć spadać, co byłoby zgodne z badaniami polowymi lasów (Winkler i in., 2020). „Zaczynamy już dostrzegać pojawianie się sygnałów 'brązowienia’” mówi Myneni.

Podsumowania tego, co wynika z rożnych badań, czasem o nawet sprzecznych wynikach, opublikowały ostatnio dwa zespoły, publikując swoje wyniki w artykułach w „Science” w maju i czerwcu tego roku (McDowell i in., 2020, Anderegg i in., 2020). Oba widzą powody do podniesienia alarmu.

Autorzy majowego artykułu, którzy analizowali poprzednie badania i dane demograficzne drzew, donieśli, że drzewa w lasach pierwotnych na całym świecie umierają dwukrotnie szybciej niż w przeszłości, co zmniejsza zarówno ilość pochłanianego przez nie węgla jak i redukuje czas jego zmagazynowania w ich tkankach.

Choć pożary, susze i inne czynniki mają znaczenie, to wygląda na to, że lasy po prostu przestawiają się z okresu zdominowanego przez nawożenie CO₂ na okres zdominowany przez zjawisko znane jako „deficyt ciśnienia pary wodnej” (określany w polskiej literaturze jako „niedosyt wilgotności powietrza”), mówi główny autor badania, Nate McDowell z Pacific Northwest National Lab. Deficyt ciśnienia pary wodnej to różnica pomiędzy tym, jak wiele wody może być zawarte w powietrzu i ile jej de facto jest w określonym miejscu i czasie. Gdy deficyt ciśnienia pary wodnej rośnie – np.: gdy wzrostowi temperatury nie towarzyszy odpowiednio wysoki wzrost wilgotności, deficyt pary wodnej się powiększa, a rośliny unikają strat wody zamykając aparaty szparkowe. Te (podobne do ust) komórki znajdujące się na powierzchni liści, stanowią swego rodzaju otwory wentylacyjne, przez które roślina jednocześnie uwalnia parę wodną (proces parowania) jak i pozyskuje CO₂ z atmosfery. W ten sposób zamykanie aparatów szparkowych chroni roślinę przed nadmierną utratą wody, ale równocześnie spowalnia fotosyntezę poprzez obniżenie stężenia CO₂ w liściu. W dłuższym terminie ogranicza to wzrost rośliny, a tym samym efektywność pochłaniania CO₂ z atmosfery.

Jak stwierdza Nate McDowell:

[Niedosyt wilgotności powietrza] to coś, na co rośliny rzeczywiście reagują (…) To zapewne najważniejszy kluczowy czynnik będący globalną przyczyną rosnącego tempa zamierania drzew

Drugi artykuł z „Science”, opublikowany w czerwcu, dodał wyraźne ostrzeżenie dla rządów i innych podmiotów mających nadzieję na walkę ze zmianę klimatu poprzez programy sadzenia drzew czy odtwarzania lasów. „Zagrożenia klimatyczne mogą zasadniczo zagrozić pochłanianiu węgla przez lasy w XXI w.”, czytamy między innymi.

Jak stwierdza biolog William Anderegg z University of Utah, główny autor artykułu:

Jeśli całkowicie zlekceważymy zagrożenia dla lasów od strony zaburzeń związanych ze zmianą klimatu, to mogą one bardziej niż zniweczyć efekty polityk bazujących na pochłanianiu węgla przez lasy

Prognozy dla lasów

Wciąż jednak, pomimo rozwoju badań wykorzystujących zestawy danych pochodzących z lasów oraz dane satelitarne, postęp w tworzeniu prognoz jest blokowany przez małą liczbę eksperymentów, które pokazywałyby, jak rzeczywiste lasy będą reagować na przyszłe warunki. Takie eksperymenty (tzw. eksperymenty manipulacyjne) są drogie, czasochłonne i skomplikowane logistycznie – szczególnie w tropikach, gdzie duża wilgotność, intensywne opady i zwierzęta mogą uszkadzać sprzęt. „Wszystko tam jest przeciwko tobie”, mówi Katrin Fleischer, ekolog z Politechniki w Monachium.

Wysiłek wkładany w podgrzanie tropikalnych gleb jest adekwatny do wyzwań, z którymi trzeba się mierzyć. Andrew Nottingham, ekolog z Uniwersytetu Edynburskiego w Wielkiej Brytanii, uruchomił badanie w Panamie, żeby uzupełnić lukę w literaturze naukowej: dziesiątki eksperymentów z podgrzewaniem gleby w lasach umiarkowanych i tajdze pokazało wzrost strat węgla, ale około 1/3 węgla glebowego znajduje się w lasach rosnących w już teraz ciepłych tropikach. Nottingham zdobył pozwolenie na okablowanie kawałka gruntu w wiekowym Smithsonian Tropical Research Institute, znajdującym się w strefie Kanału Panamskiego. Po zebraniu i przeanalizowaniu danych z dwóch lat stwierdził, że emisje z gleb wzrosły o ponad połowę, przy czym efekt ten nie był przewidziany w pracach teoretycznych. Jego badania zostaną wkrótce opublikowane. Jak podsumowuje Nottingham:

W modelach [klimatu] brakuje dużego źródła CO₂ pojawiającego się wraz ze wzrostem temperatury gleb tropikalnych

Badanie niedaleko Sydney było jednym z pierwszych eksperymentów dotyczących nawożenia CO₂ wykonanych w jakimkolwiek dojrzałym lesie na świecie. Trzy pierścienie rurek wypuszczały CO₂, a trzy inne nie, służąc jako punkt odniesienia. Kolejne trzy obszary kontrolne nie były w ogóle otoczone pierścieniami. Przez 4 lata naukowcy śledzili losy węgla w jego drodze od liści drzewa, poprzez pień, po korzenie. Około połowy dodatkowego węgla dostało się do gleby i zostało uwolnione w procesach oddychania mikroorganizmów do atmosfery. Większość pozostałych została oddana [do atmosfery] przez same drzewa w procesach oddychania – podobnie jak my wydychamy CO₂. Drzewa na poletkach eksperymentalnych nie urosły większe niż te na kontrolnych.

Eksperyment przyniósł jeden z najmocniejszych dowodów pokazujących, że „nawożenie węglem” w dojrzałych lasach nie jest skuteczne (wcześniejsze badanie zrobione w dojrzałym lesie liściastym w Szwajcarii przyniosło podobne rezultaty, jednak w tamtym eksperymencie CO₂ był wypuszczany rurkami tylko na pnie drzew, a nie na cały las). Trzeci podobny eksperyment prowadzony niedaleko Birmingham w Wielkiej Brytanii trwa już ponad 3 lata i dostarczy kolejnych danych.

Jednak nawet te eksperymenty nie odpowiedzą na wszystkie pytania. Badane do tej pory lasy są stosunkowo jednolite – las niedaleko Sydney jest zdominowany przez jeden gatunek (eukaliptusa) – podczas gdy w niektórych tropikalnych lasach na hektarze może znajdować się ponad 200 gatunków drzew. Te lasy są także przez cały rok ciepłe i skąpane w słońcu, co podwyższa tempo wzrostu. Dlatego grupa badaczy starała się latami o uruchomienie kolejnego eksperymentu FACE niedaleko Manaus w Brazylii, w sercu Amazonii, by zbadać jak dojrzały, niezwykle zróżnicowany las tropikalny będzie rósł w bogatej w węgiel atmosferyczny przyszłości. Pośród ważnych pytań jest to, jaką rolę grają ubogie w fosfor gleby – często spotykane w lasach tropikalnych, choć nie w innych miejscach – w regulowaniu wzrostu lasu. „Dopóki nie będziemy prowadzić eksperymentów z lasami systematycznie i pod kontrolą, nie sądzę byśmy byli w stanie zredukować wątpliwości”, mówi David Lapola, klimatolog z University of Campinas w Brazylii, przewodniczący amazońskiemu programowi FACE. Sytuację komplikuje niepewność finansowania i antynaukowe nastawienie brazylijskiego prezydenta Jaira Bolsonaro.

Koniec końców odkrycia z eksperymentów, badań obrazów satelitarnych i sieci poletek w lasach zasilają niezwykle skomplikowane modele systemów ziemskich, wykorzystywanych do prognozowania przyszłych zmian klimatu. Modele wykorzystywane na potrzeby kolejnego raportu IPCC, który ukaże się w następnym roku, zostały bardzo ulepszone w ciągu ostatnich kilku dekad. Są w nich reprezentowane różne typy lasów, a wiele zawiera także dynamiczne reprezentacje cyklu azotowego i poprawione statystyki śmiertelności drzew.

Pomimo tego, ze względu na wciąż istniejące niepewności, niektóre modele systemu ziemskiego prognozują, że w 2100 roku ekosystemy mogłyby pochłaniać aż do 36,7 miliardów ton CO₂ rocznie – około 4 razy więcej niż pochłaniają obecnie – podczas gdy inne prognozują uwalnianie nawet 22 miliardów ton CO₂ rocznie. Ta ogromna różnica – 59 miliardów ton – dalece przekracza dzisiejsze roczne emisje ze wszystkich źródeł i może stanowić różnicę pomiędzy okropnym, ale możliwym do zaadaptowania klimatem, a globalną katastrofą.

„Niezależnie od tego, jak wiele węgla pochłoną lasy w przyszłości, ich utrzymanie pozostaje kluczowe dla stabilizacji klimatu”, mówi Ellis z The Nature Conservancy, mocno promujący naturalne rozwiązania klimatyczne polegające na magazynowaniu węgla w lasach, w ziemi rolnej oraz innych ekosystemach. Ellis martwi się przy tym, że dalsze roztrząsanie szczegółów może opóźnić wdrożenie sprawdzonych rozwiązań.

Jednak Anderegg z Uniwersytetu Utah ostrzega, że jeśli organizacje promujące naturalne rozwiązania klimatyczne nie uwzględnią przyszłych zagrożeń dla lasów, rezultaty ich wysiłków na rzecz ochrony klimatu mogą okazać się niewielkie lub w ogóle zerowe. „Podchodzę z rezerwą do przerwania [badań] zbyt szybko bez [posiadania] najlepszych danych naukowych, tak by mogły stanowić punkt odniesienie dla naszych polityk i działań” mówi Anderegg. „Wolałbym żebyśmy robili to dobrze i trochę wolniej, niż szybko i byle jak”.

Tłumaczenie Anna Sierpińska na podst. Will Climate Change Upend Projections of Future Forest Growth? i za zgodą YaleEnvironment360; śródtytuły od tłumaczki. Konsultacja merytoryczna dr hab. Bogdan H. Chojnicki

Komentarz Bogdana Chojnickiego

Przedstawione powyżej badania wskazują na niezwykłą złożoność procesów wymiany węgla między lasami, a atmosferą. Jednocześnie należy pamiętać, że obecna zmiana klimatu poprzez swoją dynamikę stała się wielkim wyzwaniem zarówno dla funkcjonowania, jak i stabilności ekosystemów leśnych na całym świecie. Postrzegamy las jako skuteczny pochłaniacz CO₂ z atmosfery, jednak związany w procesie fotosyntezy węgiel jest gromadzony zarówno w biomasie nadziemnej, jak i glebowej tych ekosystemów. Ten olbrzymi zbiornik biosferycznego węgla doświadcza obecnie głębokiej destabilizacji wynikającej zarówno z bezpośredniego (np. niewłaściwa gospodarka leśna), jak i pośredniego (np. zmiana klimatu) oddziaływania człowieka. Optymistyczne prognozy mówiące o wzroście potencjału pochłaniania CO₂ przez las muszą niestety znaleźć swoje uzasadnienie w faktach, jednak zarówno ograniczona zawartość składników pokarmowych w glebie, jak i presja atmosfery objawiająca się wzrostem niedosytu wilgotności powietrza sprawiają, że wzrost zdolności do akumulacji węgla przez lasy wydaje się nie tylko ograniczony, ale wręcz zagrożony. Należy też pamiętać, że wielkości glebowego zbiornika węgla w lasach ulegnie zmniejszeniu pod wpływem wzrostu temperatury (pisaliśmy o tym w teście Groźne sprzężenie zwrotne: ocieplenie zubaża gleby, ich węgiel trafia do atmosfery). Coraz bardziej niepewna przyszłość lasów sprawia, że powinniśmy z dużą rezerwą podchodzić do lasów jako narzędzia służącego ograniczaniu wzrostu stężenia CO₂ w atmosferze, a błędem jest myślenie, że leśna sekwestracja węgla jest remedium na antropogeniczne emisje CO₂ do atmosfery.