Взрослые деревья демонстрируют незначительное увеличение поглощения углерода в атмосфере, обогащенной углекислым газом

Будут ли леса поглощать достаточное количество углерода из атмосферы, чтобы смягчить климатические изменения с повышением уровня углекислого газа? Эксперимент в эвкалиптовом лесу дает новые доказательства.

Эвкалиптовый лес

Когда концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается, наземные экосистемы поглощают больше углерода из атмосферы в результате усиленного фотосинтеза-процесса, известного как удобрение CO2. Долгое время считалось, что удобрение CO2 замедлит темпы роста уровней CO2 в атмосфере 1, что потенциально смягчит изменение климата. Чтобы количественно оценить эффект, экологи провели эксперименты, в которых атмосфера вокруг ограниченной среды обогащается CO2 — главным образом в экосистемах, для которых растительность имеет низкий рост, чтобы снизить затраты. Небольшое число опытов по обогащению было проведено в молодых лесах, но о влиянии удобрений CO2 в зрелых лесах известно мало.

Цзян и его коллеги провели исследование в вечнозеленом лесу с теплым умеренным климатом, который не был нарушен в течение последних 90 лет и в котором преобладают эвкалиптовые деревья (Eucalyptus tereticornis). Они собрали данные по всем основным углеродным пулам и потокам в трех кольцевых разрезах (каждые 490 квадратных метров; Рис.1), в которых концентрация CO2 в атмосфере была увеличена на 150 ppm в течение 4 лет, с 2013 по 2016 год. данные были сопоставлены с данными трех контрольных участков, которые не были обогащены CO2.

Обогащение углекислым газом в австралийском эвкалиптовом лесу.

Рисунок 1 Обогащение углекислым газом в австралийском эвкалиптовом лесу. Атмосферная концентрация углекислого газа увеличилась в круглых областях, чтобы наблюдать влияние на основные углеродные бассейны и потоки в лесу. Краны использовались для транспортировки исследователей на вершину леса, а кольцевые конструкции транспортировали и перекачивали углекислый газ на участки. Фото: Джон У. Кейт

Авторы сообщают, что обогащение CO2 привело к увеличению поглощения углерода на 12%, что эквивалентно дополнительным 247 граммам углерода на квадратный метр в год за счет валового первичного производства (ГПЗ; конверсия CO2 в органический углерод посредством фотосинтеза). Из них 28% приходится на чистую первичную продукцию (атомные электростанции; доля газоперерабатывающих заводов, которые используются для роста биомассы и не потребляются для метаболических процессов) и 12,8% — на увеличение общего углеродного пула экосистемы (т. е. в лесу и почве). Их результаты добавляют еще большую неопределенность к уже весьма изменчивым оценкам содержания CO2 в удобрениях, полученным в результате предыдущих экспериментов по обогащению CO2.

Как соотносится оценка Цзяна и его коллег относительно эффекта оплодотворения CO2 в этом зрелом лесу с результатами других исследований? Одно из отличий касается площади листьев лесного полога (общая площадь листовой поверхности, считая только одну сторону листьев), которая является основным усилителем влияния удобрения на эффективность карбоксилирования 3-биохимической реакции, превращающей CO2 в органические соединения. Предыдущее исследование 4 того же леса показывает, что повышенные уровни CO2 не оказывают большого влияния на индекс площади листьев (LAI, показатель общей площади листьев полога) в этом месте , в то время как обогащение CO2 стимулировало расширение площади листьев в полевых экспериментах в других экосистемах 5, 6.

Кроме того, эффективность использования углерода заводами — соотношение атомных электростанций и газоочистных сооружений — в австралийских лесах, как и в других зрелых лесах7, относительно низка по сравнению с таковой в молодых лесах. Эта низкоуглеродистая эффективность значительно снижает эффект удобрения CO2. Таким образом, два рассмотренных выше фактора вместе привели к небольшому эффекту CO2-удобрения в австралийском лесу.

Как мы можем интерпретировать результаты Цзяна и его коллег с более теоретической точки зрения? С увеличением концентрации CO2 в атмосфере стимулируется карбоксилирование. Эта биохимическая стимуляция масштабируется через биологическую иерархию, которая идет от фотосинтеза листьев к пологу ГЭС, атомным растениям с растительностью и к чистым изменениям размера углеродного пула растений и почвы 3. В этих масштабах стимуляция карбоксилирования усиливается одними процессами, но уменьшается другими.

Например, если дополнительный углевод, вырабатываемый при увеличении уровня CO2, используется для расширения площади листа, чтобы захватить больше CO2, то стимуляция усиливается в купольном масштабе (т. е. через ГПП). Напротив, стимуляция уменьшается, когда дополнительный углерод, поглощенный в масштабе полога, высвобождается для дыхания растений или передается микроорганизмам для дыхания. Эта теоретическая структура иерархических реакций дает приблизительную оценку влияния удобрений на ГПЗ и другие процессы углеродного цикла для сценария, в котором LAI не сильно меняется и где концентрация CO2 увеличивается на 150 ppm. Действительно, оценки Цзяна и его коллег, основанные на наблюдениях увеличения ГПЗ на 12%, из которых 12,8% приходится на углеродные пулы, очень близки к нижним пределам теоретически полученных оценок.

Эвкалипты леса в Австралии

Данные Цзяна и его коллег, а также данные аналогичных исследований могут помочь оценить глобальное воздействие удобрений CO2. Величина этого эффекта напрямую зависит от чувствительности карбоксилирования к повышенным уровням CO2 в атмосфере; эта чувствительность должна быть аналогична эвкалиптовому лесу и во всех других местах по всему миру, согласно теоретическому анализу 8. Однако по мере увеличения уровней CO2 способность фотосинтетического карбоксилирования перерабатывать большее количество CO2 уменьшается, что снижает чувствительность карбоксилирования к дальнейшему увеличению уровней CO2. Другими словами, эффект оплодотворения CO2 снижается на биохимическом уровне. Для определения глобального эффекта оплодотворения чувствительность к карбоксилированию умножают на ежегодное увеличение концентрации CO2 в атмосфере, которое увеличивается с течением времени. Ежегодное увеличение содержания CO2 компенсирует уменьшение эффекта CO2.

Еще одним фактором, влияющим на величину глобального эффекта оплодотворения CO2, является LAI 3. Изменение LAI наблюдается в австралийском исследовательском центре в ответ на обогащение CO2 в нижней части широкого диапазона изменений LAI, которые наблюдались в других местах 4-6. Однако в глобальном масштабе LAI со временем увеличивается — спутниковые наблюдения показывают, что земля буквально становится зеленее. Увеличение LAI усиливает действие CO2-удобрения.

Использование углерода растениями, о котором сообщается в настоящем исследовании, также находится на более низком уровне в широком диапазоне сообщаемых значений 7 и способствует низкому содержанию CO2 в удобрениях, наблюдаемому в исследовании. Однако мы мало знаем о том, как эффективность использования углерода растениями изменяется с течением времени в региональном и глобальном масштабе. Это затрудняет оценку того, изменится ли глобальный эффект оплодотворения в связи с изменением этой эффективности.

Суть заключается в том, что в настоящее время трудно точно оценить величину глобального эффекта CO2. Чтобы решить эту проблему, нам нужно больше узнать об иерархических ограничениях не только в пространственном масштабе, от секций экосистем до регионов и земного шара, но и в биологическом масштабе — от молекулярного уровня биохимических реакций до масштаба листа и полога и в более широком масштабе.

Читайте также: