Torfowiska to ekosystem, który w badaniach zmian klimatu i przepływu węgla przed ukazaniem się 6 Raportu Oceny IPCC był niedocenionym jako kolejny poważny czynnik globalnego ocieplenia. Obecnie torfowiska nadal od początku holocenu więcej magazynują węgla niż go uwalniają do atmosfery. W szczególności jest to widoczne na wyższych szerokościach geograficznych. Bardziej częstym źródłem węgla są w obszarach tropikalnych.
Angela V. Gallego-Sala z Wydziału Geografii na Uniwersytecie w Exeter, w Wielkiej Brytanii, wraz ze swoim dużym zespołem współpracowników, poddała następującej analizie temat torfowisk pod względem dynamicznie zachodzących zmian klimatu 1.
Autorzy pracy podkreślili, że potencjał pochłaniania dwutlenku węgla przez torfowiska zależy od bilansu pochłaniania węgla przez żywe rośliny oraz ich akumulacji wraz z węglem w torfie, a także zależy od wpływu bakterii tlenowych, prowadzących do utleniania tegoż węgla poprzez rozkład mikrobiologiczny. Tempo obu tych procesów będzie wzrastać wraz z dalszym ociepleniem. Również zauważają oni, że pokazuje to wiele niepewności jak to będzie przebiegać.
—
Rys.1. Analiza przestrzenna całkowitego pochłaniacza dwutlenku węgla w gramach węgla na metr kwadratowy w ciągu całego roku, liczona w gramach na metr kwadratowy w ciągu roku (gC m-2 yr-1), obliczana na podstawie jednej z metod interpolacji statystycznych krigingu. A ściślej: krigingu obserwacyjnego (OK – observational kriging) i krigingu regresyjnego (RK – regressive kriging) (Angela V. Gallego-Sala i inni, 2020).
—
Kriging (regresja procesu Gaussa) to statystyczna metoda interpolacji, która ma zastosowanie w wielu dziedzinach wiedzy, w tym również w klimatologii. Jest to metoda, która dokonuje prognoz w niepróbkowanych lokalizacjach przy użyciu liniowej kombinacji obserwacji w pobliskich próbkowanych lokalizacjach.
Na powyższym rysunku, z zaznaczonymi trzema mapami Ziemi, widać interpolowane obszary – uzupełniane na podstawie sąsiednich przeanalizowanych i obliczonych obszarów – z roczną akumulacją węgla w gramach na metr kwadratowy (rys.1.).
Wartości zaznaczone na mapach zostały przeniesione na obszary rozmieszczenia torfowisk. a) (u góry OK) – siatkowy rozkład przestrzenny rocznego pochłaniacza dwutlenku węgla z ostatniego tysiąclecia. b) (w środku RK) – siatkowy rozkład przestrzenny rocznego pochłaniacza dwutlenku węgla w oparciu o modelowanie akumulacji węgla dla ostatniego tysiąclecia, obliczonego przy użyciu statystycznej zależności między rocznym pochłaniaczem dwutlenku węgla a zerowym fotosyntetycznie aktywnym promieniowaniem ( PAR 0 – Photosynthetically Active Radiation Zero) c) (na dole RK) – różnica między a i b pokazuje wartości ujemne zaznaczone na czerwono, oznaczające przeszacowanie pochłaniaczy na podstawie danych statystycznych modelowych, w porównaniu z obserwacjami, oraz wartości dodatnie zaznaczone na niebiesko, oznaczające niedoszacowanie rezerwuarów węgla przez przedstawiony model podczas tego badania
W powyższej pracy z 2018 roku czytamy, że modele klimatyczne wskazują, że mimo wszystko na obu półkulach, na średnich i wysokich szerokościach geograficznych, tak jak przez okres minionego tysiąca lat, torfowiska będą szybciej akumulować dwutlenek węgla niż będzie przebiegać rozkład mikrobiologiczny prowadzący do uwalniania tego gazu wraz z metanem do atmosfery. Choć pod wpływem dalszego wzrostu średniej temperatury powierzchni Ziemi, proces ten będzie znacznie wolniej przebiegał niż przez minione tysiąc lat. Jedynie na niskich szerokościach geograficznych modele klimatyczne symulują w szybszym okresie czasu dynamikę torfowisk jako źródeł emisji gazów cieplarnianych. Wnioski te naukowcy wyciągnęli na podstawie symulacji przyszłych zmian klimatu do 2100 roku, według scenariuszy RCP2.6 i RCP8.5 jeszcze zawartych w V Raporcie Oceny IPCC (2013-14).
—
Generalnie naukowcy badając torfowiska zidentyfikowali dwa główne poziomy w torfowiskach: akrotelm, gdzie jest warstwa tlenowa oraz rozwija się wegetacja roślinna, głównie mchy torfowce, oraz katotelm, gdzie jest warstwa beztlenowa, w której przechowywany jest torf – krucha skała osadowa będąca konglomeratem szczątków roślinnych oraz kopalnego węgla.
Jednak w tym samym 2018 roku naukowy zespół Malak Tfaily z Laboratorium Nauk Molekularnego Środowiska i Narodowego Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku w Richland w USA, badając dokładniej warstwy torfowiska, odkryli pośrednią warstwę, która może być jednocześnie tlenowa i beztlenowa. Nazwali ją mezotelmem. I zasugerowali to, że, jeśli w niej występują jakieś drobnoustroje, to mogłoby być to zależne od przepływu wody z wyżej położonego akrotelmu przez pory w glebie. A więc, w tej warstwie torfu musi być też obecny tlen, gdzie są te mikroorganizmy, które wówczas w łatwy sposób utleniają węgiel w rozpuszczonej materii organicznej (DOM – Dissolved Organic Matter), po obumarłych szczątkach torfowców i innych roślin 2.
Przeprowadzając swoje badania naukowcy wykorzystali kombinację metod badawczych do szczegółowej analizy molekularnej badanych w mezotelmie związków organicznych w celu uzyskania szczegółowego obrazu:
a) metoda spektroskopowa – spektrometria mas
b) metoda fluorescencja – macierz emisji wzbudzenia (EEM – Excitation Emission Matrix)
Autorzy niniejszego artykułu głównie zwrócili uwagę na dynamikę chemii rozpuszczonej materii organicznej (DOM), która jest mocno zależna od warunków meteorologicznych i ekologicznych, takich jak: ilość opadów atmosferycznych, poziom wód gruntowych w torfowisku i obecność drobnoustrojów.
Ponadto badacze postawili hipotezę, że oscylacja między stanami mokrymi i suchymi na torfowisku, mogłaby spowolnić lub przyspieszyć straty węgla, a także azotu i siarki w glebie. Dzięki temu zainteresowali się tym, jak przebiegają dokładnie procesy metaboliczne drobnoustrojów w torfowisku.
Naukowcy zaobserwowali w swojej pracy, że rozpuszczona materia organiczna (DOM) umiejscowiona w wodach porowych torfu jest kluczowym czynnikiem w kontrolowaniu szerokiego zakresu procesów biogeochemicznych na torfowiskach (J. Elisabeth Corbett i inni, 2013). I stwierdzili następujący fakt:
Poziom i ruch wody na torfowiskach ma istotny wpływ na magazynowanie i przepływ węgla (C). Zatem każda zmiana w strumieniu DOM może skutkować regionalną redystrybucją, czyli ponownym transferem węgla.
Na przykład obniżony poziom wód gruntowych z powodu zwiększonej ewapotranspiracji wraz ze wzrostem temperatury zwiększy utlenianie torfu i prawdopodobnie zwiększy strumienie DOM. Globalna zmiana klimatu (np. ocieplenie, susza i osadzanie się składników odżywczych) prawdopodobnie w przyszłości zmieni bilans węgla w ekosystemach torfowiskowych (Nancy B. Dise, 2009), a tym samym dynamikę DOM.
—
Zrównoważona ewapotranspiracja jest niezbędnym elementem w systemie hydrologicznym obok zrównoważonych opadów deszczu, spływu rzecznego oraz magazynowania wody w glebach na lądach. Jednak ta równowaga jest coraz bardziej zachwiana.
Jedna z interesujących prac na temat torfowisk jest właśnie powiązana z kluczowym parametrem hydrologicznym – ewapotranspiracją (ET – Evapotranspiration).
Ten czynnik klimatyczny dotychczas był mierzony w lasach borealnych, pomijając tak ważne ekosystemy, kluczowe dla magazynowania węgla, jak właśnie torfowiska borealne, które są modelowe dla poniższej pracy naukowej.
W 2020 roku Manuel Helbig z Wydziału Fizyki i Nauk o Atmosferze na Uniwersytecie Dalhousie w Halifax, w Nowej Szkocji, w Kanadzie, wraz ze swoim dużym zespołem naukowym z Kanady, Rosji, USA, Niemiec i Skandynawii, na podstawie obserwacji z 95 stanowisk, na których rozmieszczone zostały wieże kowariancji wirów, zaobserwował, że przy wysokim deficycie ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit), przekraczającym 2 kPa (kilopaskale), nadmierna ewapotranspiracja (ET) przebiegająca na torfowiskach przewyższa tę ET, która przebiega w lasach, nawet o 30% 3.
—
Rys.2. Wielomodelowa średnia projekcja zmian sezonu wegetacyjnego do końca XXI wieku a,b, Przedstawiono prognozy dla scenariuszy RCP4.5 (a) i RCP8.5 (b) (lata 2091–2100 versus 2006–2015). Dane wyjściowe z ośmiu modeli Systemu Ziemi (ESM – Earth System Model) CMIP5 (patrz tabela uzupełniająca 1 w oryginalnym artykule) zostały wykorzystane do określenia przyrostu deficytu ciśnienia pary wodnej w sezonie wegetacyjnym (ΔVPDGS – Vapour Pressure Deficit Growing Season), w kilopaskalach (kPa).
Dane źródłowe (Manuel Helbig i inni, 2020)
—
Szacuje się, że w latach 2091–2100 ET na torfowiskach w połowie sezonu wegetacyjnego przekroczy ET w lasach nawet o ponad 20%, i to w około 1/3 biomu borealnego dla scenariusza emisji GHG – RCP 4.5 oraz około 2/3 dla scenariusza emisji GHG – RCP 8.5.
Manuel Helbig w artykule dla Science Daily powiedział 4:
Większość obecnych globalnych modeli klimatycznych zakłada, że cały biom to las, co może poważnie zagrozić ich prognozom. Musimy uwzględnić specyficzne zachowanie torfowisk, jeśli chcemy zrozumieć borealny klimat, opady, dostępność wody i cały cykl węglowy.
Wraz z dalszym ociepleniem klimatu powietrze w klimacie borealnym staje się bardziej suche i może pomieścić w atmosferze więcej wody. W odpowiedzi na wysychanie powietrza, ekosystemy leśne, a więc drzewa, krzewy, rośliny zielne, w tym trawy, przystosowały się ewolucyjnie do takich mechanizmów obronnych, że potrafią nie tylko pochłaniać duże ilości dwutlenku węgla (choć przy tym także uwalniać tlen i wodę poprzez aparaty szparkowe w procesie transpiracji), ale i również potrafią w krytycznych ekstremalnych suchych warunkach zatrzymywać wodę, zamykając wspomniane aparaty szparkowe, dzięki czemu oszczędzają zapasy wody w razie wystąpienia dalszych ekstremalnych warunków pogodowych związanych z falami upałów i suszami.
Jednak krajobraz borealny to nie tylko lasy, to tez jeziora wraz z rozległymi torfowiskami. I te ekosystemy także potrafią gromadzić ogromne zapasy węgla i wody, ale najlepiej to potrafią czynić we względnie umiarkowanych temperaturach, przy niezakłóconym cyklu hydrologicznym. Niezaburzone, gromadzą duże ilości torfowców, których duża część po śmierci zamienia się w torf ze zmagazynowanym węglem, pod warunkiem, że będzie stabilny poziom wód w glebie torfowej. Tak ukształtowane ekosystemy, z żywymi i martwymi torfowcami, również stanowią zaporę przeciwogniową, gdyż mokry torf to zapewnia.
Jak napisali autorzy pracy dla Science Daily:
Mchy torfowe nie są roślinami naczyniowymi jak drzewa, krzewy i rośliny zielne, więc wraz z postępującym ociepleniem są bardziej podatne na wysychanie. W przeciwieństwie do lasów nie mają aktywnego mechanizmu chroniącego się przed utratą wody do atmosfery. Odwodnienie naraża ich gęste zapasy węgla na przyspieszony rozkład i zamienia je z pasów przeciwpożarowych w źródła ognia.
Badania te zostały przeprowadzone przez zespół Manuela Helbiga w laboratorium ekohydrologicznym Waddington.
—
Referencje:
- Gallego-Sala A. V. et al., 2018 ; Latitudinal limits to the predicted increase of the peatland carbon sink with Warming ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-018-0271-1
- Tfally M. M. et al., 2018 ; Vertical Stratification of Peat Pore Water Dissolved Organic Matter Composition in a Peat Bog in Northern Minnesota ; JGR Biogeoscienses ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JG004007
- Helbig M. et al., 2020 ; Increasing contribution of peatlands to boreal evapotranspiration in a warming climate ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-0763-7
- McMaster University, 2020 ; Water loss in northern peatlands threatens to intensify fires, global Warming ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200511112557.htm