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.

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.

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.

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.