Poczynając od 2012 roku, został przeprowadzony 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.
Swoje spostrzeżenia naukowcy opublikowali na łamach czasopisma Nature 8 kwietnia 2020 roku w artykule „The fate of carbon in a mature forest under carbon dioxide enrichment” [„Losy węgla w dojrzałym lesie w warunkach wzbogacania dwutlenkiem węgla”].
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 przy znacznie wyższym stężeniu CO2, chociaż rośliny łapczywie pochłaniały go, to jednak przestawały rosnąć. Wyniki badań wskazały, że nawet dojrzałe lasy mogą być, przynajmniej w subtropikach Australii, słabszymi pochłaniaczami CO2, czy też nieobecnymi, a nawet wręcz źródłami netto tego gazu.
W rozmowie na łamach czasopisma Science Daily, w artykule “Don’t look to mature forests to soak up carbon dioxide emissions” [“Nie oczekuj, że dojrzałe lasy pochłoną emisje dwutlenku węgla”], doktor John Drake, adiunkt w Departamencie Zarządzania Zrównoważonymi Zasobami ESF, będący współautorem artykułu we współpracy z badaczami z Western Sydney University, 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.
Fot.1. Budowanie wież w australijskim eksperymencie FACE. Fot. Western Sydney University – Hawkesbury Institute for the Environment
—-
Belinda Medlyn, wybitna profesor w Hawkesbury Institute for Environment współautorka badania mówi z kolei też 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” drobnoustroje glebowe”.
Ogółem, podczas eksperymentu australijskiego, poziom koncentracji CO2 podniósł się powyżej 40 % niż wynosiło aktualne średnie stężenie w latach 2012-16. Po czterech latach koncentracja tego gazu w otoczeniu wynosiła wtedy około 405 ppm.
—-
Od 2013 roku w Anglii koło Birmingham ruszył pierwszy projekt FACE, dokładniej BIFoR FACE w umiarkowanej strefie klimatu. Jest to obiekt położony w umiarkowanym lesie liściastym w Staffordshire, w postaci 16 metalowych wież wysokich na 30 metrów 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 opublikowując go 22 kwietnia 2016 roku w serwisie Harvardu ADS, w pracy „BIFoR FACE: A Free-Air Carbon Dioxide Enrichment (FACE) facility in old-growth temperate deciduous woodland” [„BIFoR FACE: Zakład wzbogacania tlenkiem węgla (FACE) w wolnym powietrzu w starych lasach liściastych o umiarkowanym klimacie”].
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 tak mówiła:
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.
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.
—-
Fot.2. Obiekt BIFor FACE widziany z góry, przedstawiający 25-metrowe stalowe wieże, które pompują „wzbogacone powietrze” na 30-metrowe działki leśne. Zdjęcie dzięki uprzejmości Norbury Estate
—-
W 2013 roku ruszył eksperyment AmazonFACE w brazylijskim tropikalnym leśnym rezerwacie w Amazonii, niedaleko Manaus, 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 zapewniający 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.
Współkooordynatorka badań w Amazonii, profesor Anja Rammig, ekolog z Politechniki w Monachium w Niemczech, zauważa, 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 Amazon FACE stwierdza 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 są utrudnione pod względem finansowym przez politykę prezydenta Jaira Bolsonaro. Lapola jednak postarał się aby projekt ten nie upadł dzięki prężnej współpracy z kolegami i koleżankami z Niemiec, Holandii, Austrii, Wielkiej Brytanii, USA oraz Australii.
W pracy „Amazon Forest Ecosystem Responses to Elevated Atmospheric CO2 and Alterations in Nutrient Availability: Filling the Gaps with Model-Experiment Integration” [„Odpowiedzi amazońskiego ekosystemu leśnego na podwyższone atmosferyczne CO2 i zmiany w dostępności nutrientów: wypełnienie luk w modelu eksperymentalnego Integracji”], zaprezentowanej w Biogeoscience 26 lutego 2016 roku, zespół naukowy Floriana Hofhansi’ego przedstawił dwa eksperymenty manipulacji w skali ekosystemu, które zostały przeprowadzone w Amazonii, w celu zbadania reakcji ekosystemów tropikalnych na eCO2 oraz zmiany w dostępności składników odżywczych.
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) zmienności lasów tropikalnych, aby wzmocnić przewidywania modelowe reakcji ekosystemów na przewidywaną globalną zmianę środowiska .
—-
Fot.3. Wieża z amazońskiego eksperymentu FACE, Fot. João M. Rosa/AmazonFACE
——
Z kolei w Panamie na wyspie Barro Colorado projekt FACE polegał na czymś innym, na podgrzewaniu elektrycznym gleby 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 w już teraz ciepłych tropikach.
Lourdes Sugasti i Reinhardt Pinzón z Technicznego Uniwersytetu w Panama City w pracy „First Approach of Abiotic Drivers of Soil CO2 Efflux in Barro Colorado Island, Panama” [„Pierwsze podejście do abiotycznych czynników powodujących wypływ CO2 z gleby na wyspie Barro Colorado, Panama”], przedstawionej 21 września 2020 roku na łamach Sage Journals mówią, że w wyniku globalnego ocieplenia przepływy CO2 z gleby z lasów tropikalnych do atmosfery wzrosną.
W ramach badań obu naukowców było użycie 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/m 2 s), który był znacznie niższy niż oczekiwano dla tego typu lasów tropikalnych.
Lourdes Sugasti i Reinhardt Pinzón piszą we wstępie swojego artykułu:
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, w swoim artykule “Will Climate Change Upend Projections of Future Forest Growth?” [“Czy zmiany klimatyczne przekreślą prognozy przyszłego wzrostu lasów?”] pisze:
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.
—-