Globalna sieć FLUXNET pokazuje zestaw danych na podstawie badań eksperymentalnych obliczeń przepływu strumieni dwutlenku węgla, pary wodnej i energii w wieżach za pomocą metody kowariancji wirów. Ta sieć jest złożona z setek wież jako instrumentów w wielu różnych środowiskach ekologicznych, za pomocą których są przeprowadzane obserwacje mikrometeorologiczne w celu oszacowania wymiany wody, energii i węgla w całych ekosystemach na przestrzeni dziesięcioleci. W tym okresie czasu wieże te zdołały uchwycić szeroki zakres zmienności środowiskowej, dostarczając dokładniejszego wglądu w czułość fizjologii roślin oraz gleb w reakcji na zmiany temperatury i wilgotności, a także w zdarzenia powodujące zaburzenia, takie jak pożary i zmiana użytkowania gruntów. FLUXNET jest podstawowym narzędziem do poszerzania naszej wiedzy na temat fizjologii roślin w skali krajobrazu.
Dennis D. Baldocchi, lider projektu FLUXNET, w swojej pracy naukowej, pisze na jej wstępie: 1
Globalna sieć długoterminowych pomiarów przepływu węgla i wody istnieje od końca lat 90. Dzięki reprezentatywnemu pobieraniu próbek, związanych z przestrzeniami klimatycznymi i ekologicznymi biosfery lądowej, sieć ta dostarcza podstawowych informacji i bezpośrednich pomiarów, w jaki sposób metabolizm ekosystemu reaguje na wymuszenia środowiskowe i biologiczne oraz jak mogą się one zmieniać w cieplejszym świecie z większą ilością dwutlenku węgla.
W tym przeglądzie badamy, w jaki sposób strumienie węgla i wody w ekosystemie świata reagują na zestaw współzależnych czynników środowiskowych, takich jak światło słoneczne, temperatura, wilgotność gleby i dwutlenek węgla. Opisujemy również, jak sprzężone strumienie węgla i wody są modulowane przez czynniki biologiczne i ekologiczne, takie jak fenologia oraz zestaw właściwości strukturalnych i funkcjonalnych. Badamy czy długoterminowe trendy w przepływach węgla i wody pojawiają się w różnych przestrzeniach ekologicznych i klimatycznych oraz w jakim stopniu mogą być napędzane przez wymuszenia fizyczne i biologiczne. Ponieważ rosnąca liczba szeregów czasowych trwa do 20 lat, jesteśmy u progu uchwycenia trendów skali ekosystemu w oddychaniu zmieniającej się biosfery. W związku z tym pomiary strumienia muszą nadal przedstawiać przyszłe warunki i reakcje oraz oceniać skuteczność naturalnych rozwiązań klimatycznych.
Naukowiec zastanawiał się, jaka jest ilość rocznych sum wymiany węgla (C) netto w ekosystemach, mierzona na całym świecie i czy zmieniła się w dekadach?
—
Poczynając od 2012 roku, przeprowadzony został wielki projekt naukowy FACE (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment – wzbogacanie na świeżym powietrzu w dwutlenek węgla) – badania polegającego na obliczaniu przepływu strumieni węgla w roślinności oraz w glebach. Takie eksperymenty przeprowadzone zostały głównie w Australii (koło Sydney), Europie (koło Birmingham w Anglii), Ameryce Południowej (koło Manaus w brazylijskiej Amazonii) oraz Środkowej (na wyspie Barro Colorado w strefie Kanału Panamskiego).
W 2020 roku międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem australijsko-chińskiego modelarza ekosystemów, doktora Mingkaia Jianga z Uniwersytetu w Zachodnim Sydney, przeprowadził wstępne wyniki eksperymentów w projekcie EucFACE, przeprowadzanego niedaleko Sydney w eukaliptusowym lesie Cumberland. 2
Badanie to polegało na sztucznym wtłaczaniu przez rury metalowe dwutlenku węgla o stężeniu większym o 150 ppm aniżeli w otoczeniu. Rury te są rozmieszczone w stalowych konstrukcjach, mianowicie w sześciu pierścieniowych 25-metrowych wieżach rozmieszczonych nad koronami drzew.
Eksperyment ten pokazał, że rośliny przy znacznie wyższym stężeniu CO2, chociaż pochłaniały go intensywnie, zaczęły słabiej rosnąć. Wyniki badań wskazały, że nawet dojrzałe lasy mogą być, przynajmniej w subtropikach Australii, słabszymi czy też nieobecnymi pochłaniaczami CO2, a nawet wręcz źródłami netto tego gazu.
W rozmowie na łamach czasopisma Science Daily, doktor John Drake, adiunkt ze Szkoły Wyższej Nauk o Środowisku i Leśnictwie (ESF – Environmental Science and Forestry) na Wydziale Zarządzania Zrównoważonymi Zasobami, będący współautorem artykułu we współpracy z badaczami z Uniwerytetu Zachodniego Sydney, zastanawia się, czy przyszłość lasów w stanie Nowy Jork w Nowej Anglii będzie podobna do eukaliptusowych lasów w australijskim Cumberland, w których przeprowadzone eksperymenty właśnie pokazały, że starsze drzewostany mniej pochłaniają dwutlenku węgla niż młodsze. 3
—
Fot.1. EucFACE jest wynikiem ponad dwuletniego planowania i rozwoju, które pozwoliły uzyskać spostrzeżenia skalowalne do rzeczywistych ekosystemów (Western Sydney University).
—
Z kolei Belinda Medlyn, wybitna profesor w Hawkesbury Institute for Environment współautorka badania mówi dla Science Daily:
Drzewa przekształcają zaabsorbowany węgiel w cukry, ale nie mogą wykorzystać tych cukrów do wzrostu, ponieważ nie mają dostępu do dodatkowych składników odżywczych z gleby. Zamiast tego wysyłają cukry pod ziemię, gdzie „żywią się” nim drobnoustroje glebowe”
Ogółem, podczas eksperymentu australijskiego, poziom koncentracji CO2 podniósł się powyżej 40%, czyli więcej niż wynosiło aktualne średnie stężenie w latach 2012-16. Po czterech latach koncentracja tego gazu w otoczeniu wynosiła wtedy około 405 ppm.
—
W 2013 roku w Anglii koło Birmingham ruszył pierwszy, i na razie jedyny w Europie, projekt FACE. Dokładniej BIFoR FACE. Jest to obiekt położony w umiarkowanym lesie liściastym w Staffordshire, w postaci 16 metalowych wież wysokich na 30 metrów i umieszczonych w sześciu płatach leśnych 160-letnich dębów, do których przez rury metalowe jest wtłaczany dwutlenek węgla ze stężeniem o 150 ppm wyższym niż w otoczeniu. Z kolei pomiary przeprowadza samotna wieża pośrodku wyposażona w naukowe oprzyrządowanie.
Ogólnie eksperyment ten polega na tym, w jakim stopniu znaczący wzrost koncentracji CO2 wpłynąłby na ekosystem leśny: liście roślin, zwłaszcza drzew, glebę leśną, grzyby, a nawet owady żyjące w glebie i na roślinach.
Profesor Rob Mackenzie ze swoim zespołem naukowym opisał szczegółowo przebieg tychże badań naukowych. 4
Naukowcy mają nadzieję, że zebrane dane pomogą w podjęciu decyzji dotyczących sposobów łagodzenia, a nawet zapobiegania skutkom wzrostu poziomu CO2 w atmosferze.
Anna Gardner, doktorantka w projekcie BIFoR FACE powiedziała:
Po wielu eksperymentach związanych ze wzbogacaniem CO₂ w laboratoriach i innych obiektach FACE, nasza baza wiedzy została zbudowana na temat tego, jak wzrost atmosferycznego CO₂ może wpływać na rośliny uprawne i młode plantacje drzew. Jednak reakcja w dojrzałych, złożonych ekosystemach leśnych może być inna, a BIFoR FACE jest jedynym obiektem na półkuli północnej, który zajmuje się wpływem zmian klimatu i środowiska na dojrzałe lasy.
Jeśli chodzi o moje badania nad fizjologią liści, spodziewam się, że proces fotosyntezy ulegnie zmianie pod wpływem podwyższonego poziomu CO₂, ale odpowiedź będzie się zmieniać w czasie trwania projektu długoterminowego. W BIFoR FACE jest wiele innych projektów, w tym badanie fizjologii owadów, mikrobiologii grzybów i rozwoju korzeni, z których wszystkie dostarczą danych niezbędnych do zrozumienia funkcjonowania naszych przyszłych dojrzałych lasów.
—
Fot.2. Bliższe spojrzenie na jedną z sześciu tablic FACE. Zdjęcie dzięki uprzejmości BIFoR FACE
—
Z pewnością badanie fizjologii gatunków długowiecznych, takich jak dęby, wymaga wyjątkowo długiego czasu, a badania w BIFoR FACE dopiero się rozpoczęły kilka lat temu. W ciągu dalszych następnych kilku lat placówka naukowa w lesie Staffordshire będzie przeprowadzać wiele danych z eksperymentów, które będą jednocześnie przebiegać w lasach, jak i w laboratoriach, aby przede wszystkim odpowiedzieć na nurtujące pytania związane z niepewnością naszych przyszłych ekosystemów zarówno w Wielkiej Brytanii, jak i na całym świecie.
—
W 2013 roku, w brazylijskim tropikalnym leśnym rezerwacie w Amazonii, niedaleko Manaus, ruszył eksperyment AmazonFACE. Analogicznie przeprowadzony jak w Anglii. To znaczy, także obejmujący 16 metalowych wież, do których wtłaczany jest dwutlenek węgla przez rury stalowe wraz z samotnie stojącą pośrodku wieżą pomiarową.
I analogicznie jak w Anglii projekt ten zapewnia całodobowe monitorowanie warunków atmosferycznych i glebowych w największym na świecie lesie tropikalnym. Koncentracja CO2 w badaniu jest sztucznie podwyższona o 150 ppm, powyżej tego jaka panuje w otoczeniu. Osiągane jest to poprzez pompowanie dużych ilości tego gazu do lasu w sposób kontrolowany. Podczas eksperymentu bardzo szczegółowo monitorowany jest las, czyli gleby oraz roślinność, zwłaszcza drzewa oraz ich dynamiczna fizjologia.
—
Fot.3. Program AmazonFACE zajmuje się nadrzędnym pytaniem: „Jak zmiany klimatu wpłyną na las amazoński, jego bioróżnorodność i usługi ekosystemowe, które zapewnia ludzkości?” Główną cechą programu jest eksperyment terenowy o bezprecedensowym zakresie, który narazi starodrzew amazoński na koncentrację CO2 w przyszłości w stacji badawczej w pobliżu Manaus w Brazylii przy użyciu technologii wzbogacania CO2 w powietrzu (FACE). Zwiększona wiedza na temat funkcjonowania największego na świecie lasu tropikalnego w świetle zmian klimatu oraz wykorzystanie tej wiedzy do sterowania polityką regionalną w zakresie łagodzenia zmian klimatu i adaptacji do nich są częścią spuścizny, którą próbuje ustanowić program AmazonFACE.
—
Współkooordynatorka badań w Amazonii, Anja Rammig, ekolog z Politechniki w Monachium w Niemczech, zauważyła, że dodatkowy dwutlenek węgla może faktycznie pomóc w rozkwicie lasu, ale niski poziom fosforu w glebie regionu może ograniczyć wzrost roślin.
David Lapola, klimatolog z University of Campinas w Brazylii, który przewodzi projektowi AmazonFACE stwierdził następujący fakt:
Dopóki nie będziemy eksperymentować z lasami w sposób systematyczny i kontrolowany, nie sądzę, abyśmy byli w stanie zmniejszyć niepewność.
Ogólnie badania naukowe w brazylijskiej Amazonii były utrudnione pod względem finansowym przez politykę prezydenta Jaira Bolsonaro. Naukowiec jednak postarał się, aby projekt ten nie upadł dzięki prężnej współpracy z kolegami i koleżankami z Niemiec, Holandii, Austrii, Wielkiej Brytanii, USA oraz Australii.
Zespół naukowy, którym kierował Florian Hofhansi, przedstawił dwa eksperymenty w skali ekosystemu, które zostały przeprowadzone w Amazonii, w celu zbadania reakcji ekosystemów tropikalnych na ekwiwalent dwutlenku węgla (eCO2) oraz zmiany w dostępności składników odżywczych. 5
Ponadto naukowcy wyjaśnili reprezentację kluczowych procesów ekologicznych za pomocą modeli ekosystemowych, dzięki czemu zwrócili uwagę na obecne luki w naszym zrozumieniu reakcji ekosystemów tropikalnych na przewidywane globalne zmiany w świetle założeń ekofizjologicznych uwzględnianych w obecnych modelach ekosystemów. Ostatecznie doszli do takiego wniosku, że jest potrzebna bardziej szczegółowa, oparta na procesach ekologicznych, reprezentacja zmienności przestrzennej (np. typ gleby; typ funkcjonalny roślin) i czasowej (sezonowej i międzyrocznej) lasów tropikalnych, aby wzmocnić przewidywania modelowe reakcji ekosystemów na przewidywaną globalną zmianę środowiska .
—
W Panamie na wyspie Barro Colorado projekt FACE polegał na czymś innym, na podgrzewaniu elektrycznym gleby w tropikalnym lesie przez 2 lata do tego stopnia, że przy wzroście jej temperatury o 4 stopnie Celsjusza następował w niej szybszy rozkład materii organicznej przyspieszający znacząco emisje dwutlenku węgla do atmosfery.
Andrew Nottingham, ekolog z Uniwersytetu Edynburskiego w Wielkiej Brytanii, uruchomił w 2020 roku 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 już teraz w ciepłych tropikach.
Lourdes Sugasti i Reinhardt Pinzón, z Technicznego Uniwersytetu w Panama City, w swojej pracy naukowej powiedzieli, że w wyniku globalnego ocieplenia przepływy CO2 z gleby w lasach tropikalnych do atmosfery wzrosną.
Obaj naukowcy użyli metody zamkniętej komory do pomiaru pompowanego CO2 do gleby. W latach 2016-2017 jej wilgotność miała istotny wpływ na strumień CO2 (średnio 4,36 μmol/m2/s), który był znacznie niższy niż oczekiwano dla tego typu lasów tropikalnych.
Lourdes Sugasti i Reinhardt Pinzón napisali we wstępie swojego artykułu: 6
Odkrycia te będą przyczyniać się do lepszego zrozumienia skomplikowanych i dynamicznych współzależności pomiędzy obiegiem wody i węgla, jak również czynników abiotycznych wpływających na przepływy CO2 w glebie. Wykorzystanie przez nas komór do oddychania gleby i systemów analizatora gazów na podczerwień stanowi innowacyjny wkład w związek wodno-węglowy Panamy i potencjalnie innych krajów.
Ogólnie jednak eksperyment ten pokazał, że gleba ogrzana traciła aż 55% węgla więcej niż obszar kontrolny nie ogrzewany.
Gabriel Popkin w serwisie popularno-naukowym Yale Environment 360 tak napisał 7:
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.
—
Referencje:
- Dennis D. Baldocchi, 2019 ; How eddy covariance flux measurements have contributed to our understanding of Global Change Biology ; Global Change Biology ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.14807
- Jiang M. et al., 2020 ; The fate of carbon in a mature forest under carbon dioxide enrichment ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-020-2128-9
- The State University of New York, 2020 ; Don’t look to mature forests to soak up carbon dioxide emissions ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200408113300.htm
- MacKenzie R. et al., 2016 ; BIFoR FACE: A Free-Air Carbon Dioxide Enrichment (FACE) facility in old-growth temperate deciduous woodland ; ADS ; https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016EGUGA..18.4919M/abstract
- Hofhansi F. et al., 2016 ; Amazon Forest Ecosystem Responses to Elevated Atmospheric CO2 and Alterations in Nutrient Availability: Filling the Gaps with Model-Experiment Integration ; Biogeoscience ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2016.00019/full
- Sugasti L. et al., 2020 ; First Approach of Abiotic Drivers of Soil CO2 Efflux in Barro Colorado Island, Panama ; Sage Journals ; https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/1178622120960096
- Popkin G., 2020 ; Will Climate Change Upend Projections of Future Forest Growth? ; Yale Environment 360 ; https://e360.yale.edu/features/will-climate-change-upend-projections-of-future-forest-growth