Сплячі помпи: як ліси, річки та струмки можуть перетворитися на джерела вуглекислого газу

Вчені продовжують вивчати процеси, які лежать в основі змін клімату. В останні роки вийшло одразу декілька впливових публікацій, які розкривають принципово нові шляхи перетворення одного з найбільш значних чинників, що впливають на клімат – вуглецю.

Замкнуте коло

Традиційно, кругообіг вуглецю в природі розглядають у найпростішій зі схем. Живі організми споживають із навколишнього середовища органічні сполуки, розщеплюють їх для отримання енергії, а відходи у вигляді вуглекислого газу викидають у повітря. Цей вуглекислий газ споживають рослини в процесі фотосинтезу. Якщо дихання (у глобальних масштабах) переважає фотосинтез, починаються проблеми з накопиченням СО2.

Вуглецевий цикл
Вуглецевий цикл. Джерело: Diagram adapted from U.S. DOE, Biological and Environmental Research Information System.

Насправді ж у різних екосистемах існує купа локальних шляхів утилізації вуглецевого газу, які насправді є не такими вже й незначними. Прикладом можуть служити ліси та річки.

Цікаво, але зазвичай ліси розглядаються як величезний споживач СО2. І мало хто розглядає ліс як величезний склад вуглецю, який потім частково перетворюється на вуглекислий газ, а частково зберігається в землі.

Як ліси зберігають вуглець

У 2016 році команда дослідників з Орегонського державного університету досліджувала ліси Північного Заходу Північної Америки. Ці ліси є надзвичайно багатими на те, що вчені називають “надземним живим вуглецем” – сукупність вуглецю, який міститься у стовбурах, гілках, листі та інших надземних частинах рослин. Чим більшим є вміст вуглецю в живих деревах, тим менше його потрапляє до атмосфери.

Вчені дослідили 702 ліси, як за допомогою наземних вимірювань вмісту вуглецю у деревах, так і методом картографування лісів за допомогою лідарів (лазерних радарів) з літаків. Їх цікавило те, які чинники впливають на вміст вуглецю у загальному об’ємі лісу.

Ліс
Luca Bravo

Виявилося, що у лісах віком менш як 150 років найбільш визначним фактором є те, наскільки давно в лісі відбувалася вирубка. Цей фактор виявився навіть більш значущим, аніж зміни клімату, якість ґрунтів, сонячна активність та пожежі. А ось для лісів, вік яких більший за 150 років, основними виявилися саме природні чинники. Тобто старі дерева, що вижили протягом принаймні двох останніх сторіч – це переважно дерева, які пережили пожежі.

Також цікавим виявилося дослідження того, як впливає висота, на якій знаходиться ліс, на температуру в ньому й на те, яка кількість вуглецю в ньому міститься. Навіть без наукових досліджень можна сказати, що високогірні ліси прохолодніші. І можна було б сподіватися, що вони накопичують більше вуглецю. Але дослідники виявили протилежну тенденцію: чим вище ліс над рівнем моря, тим менший вміст у його масі вуглецю.

Від лісів – до струмків

Але рано чи пізно дерева помирають від старості, а їхні рештки починають дуже повільно розкладатися, виділяючи накопичений вуглець. Частина їх потрапляє у лісові струмки та річки, які несуть вуглець до океанів. У тому ж 2016 році дослідники все з того самого Орегонського державного університету вивчали вміст вуглецю у струмках Північного Заходу США.

Ріка у лісі
Uintah Mountains, Tony Butler

Раніше дослідники взагалі ігнорували цей шлях збереження та транспортування вуглецю, вважаючи, що на фоні глобальних процесів перетворення він є незначним. Разом із тим виявилося, що до 6% від тієї величезної маси вуглецю, яка накопичується в лісах, зрештою опиняється у струмках та річках, які протікають крізь них.

Вчені використовували дані, зібрані з 2006 по 2013 рік у лісі, який був повторно висаджений за 50 років до того на схилах Каскадних гір. Виявилося, що вміст вуглецю у потоці змінюється відповідно до сезону. Вихід вуглецю із потоками води збільшується восени, коли збільшується кількість дощів та досягає свого піку в січні. Потім вміст вуглецю починає знижуватися. Влітку більша частина вуглецю з водойм переходить безпосередньо в атмосферу, а не виноситься з лісу з водою.

Вуглець присутній у воді струмків як у вигляді гілок, листя та інших залишків рослин, так і у вигляді вуглекислого газу, що розчинений у воді та поступово надходить до атмосфери. При цьому виявилося, що об’єм СО2, який надходить до атмосфери з малих струмків на Північному Заході США, такий самий, як і від великих річок в інших регіонах планети.

Чим тепліший струмок – тим менше кисню він виробляє

2018 року велика міжнародна група вчених опублікувала дослідження струмків та річок, проведене у різних місцях на Землі – від Пуеро-Ріко та Орегону до Аляски та Австралії. Об’єктом дослідження був баланс між фотосинтезом, який відбувається в ріках, та виділенням вуглекислого газу.

Для кожного з потоків була визначена температура води, рівень освітленості її поверхні, а також вміст розчиненого кисню. Також було досліджено зміну об’ємів фотосинтезу та дихання при зміні температури води у струмку на 1 градус. Загалом, дослідження показало, що в середньому струмки продукують на 24 відсотки більше СО2, ніж вважалося.

Дослідження струмка
Вчені досліджують струмок в експериментальному лісі в штаті Орегон. Джерело: US Forest Service

Водночас, у більш прохолодних струмках спостерігається зміщення балансу в бік фотосинтезу, у той час як у теплих водоймах переважає дихання. Цей результат є прямо протилежним тому, який показали ліси. Виходить так, що в холодних високогірних лісах самі дерева переробляють вуглекислий газ відносно слабо, і там струмки дійсно є потужним джерелом кисню. Однак по мірі того, як струмки спускаються на більш теплі низини, вони поступово нагріваються, і провідна роль у відновленні кисню переходить до дерев.

Пересохлі річища

Нещодавно вийшла стаття, у якій описано дослідження, присвячене продукуванню СО2 сухими річищами. Вчені з Центру тропічних вод та акватичних екосистем та Університету Джеймса Кука, що в Австралії, дослідили 212 річищ, розташованих у 22 країнах.

Brad Helmink

Дослідження показало, що викиди вуглекислого газу з сухих річищ досі недооцінювали. Те, що в сухих річищах немає водної рослинності, яка б могла поглинати СО2, зрозуміло. Однак на додачу до того в сухих річищах та струмках, які з’являються на поверхні землі, тільки у певні періоди року, накопичуються рештки рослин. Коли ці рештки знову потрапляють у воду, вони можуть викликати короткочасні викиди вуглекислого газу, кожен із яких усього за кілька хвилин може викинути у повітря 10% тієї кількості СО2, яку річка продукує за добу.

Це дослідження є надзвичайно важливим, оскільки, за оцінками вчених, майже половина всіх річок на Землі час від часу пересихають, і раніше роль цих об’єктів у кругообігу вуглецю була невідомою.

Нині стає зрозуміло, що при побудові моделей глобальних змін клімату треба враховувати новий фактор. По мірі того, як середня температура на Землі почне зростати, річки та струмки ставатимуть теплішими, збільшуючи викиди СО2 та зменшуючи його споживання. Згодом вони почнуть пересихати, остаточно перетворюючись на джерела вуглекислого газу.

Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2016), doi: 10.1002/2015JG003050; Nature Geoscience (2018), doi: 10.1038/s41561-018-0125-5; Nature Geoscience (2018), doi: 10.1038/s41561-018-0134-4.

Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 37 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.