В мире недостаточно деревьев, чтобы компенсировать выбросы углерода обществом — и никогда не будет

Однажды утром в 2009 году я сидел в скрипучем автобусе, который катился вверх по склону горы в центральной Коста-Рике, голова кружилась от паров дизельного топлива, когда я сжимал свои многочисленные чемоданы. В них были тысячи пробирок и пробирок, зубная щетка, водонепроницаемый блокнот и две смены одежды.

Я ехал на биологическую станцию ​​Ла-Сельва, где мне предстояло провести несколько месяцев, изучая реакцию влажных равнинных тропических лесов на все более частые засухи. По обе стороны узкой дороги деревья растворялись в тумане, как акварель в бумагу, создавая впечатление бескрайнего первобытного леса, купающегося в облаках.

Вы можете послушать другие статьи из The Conversation, рассказанные Ноа, здесь.

Глядя в окно на впечатляющий пейзаж, я задавался вопросом, как я могу когда-либо надеяться понять такой сложный пейзаж. Я знал, что тысячи исследователей по всему миру пытались решить одни и те же вопросы, пытаясь понять судьбу тропических лесов в быстро меняющемся мире.

Женщина, стоящая посреди тропического леса.
Бонни Уоринг проводит исследование на биологической станции Ла-Сельва, Коста-Рика, 2011 г. Автор предоставлен
Наше общество так многого требует от этих хрупких экосистем, которые контролируют доступность пресной воды для миллионов людей и являются домом для двух третей наземного биоразнообразия планеты. И все чаще мы предъявляем новые требования к этим лесам — чтобы спасти нас от антропогенного изменения климата.

Растения поглощают CO₂ из атмосферы, превращая его в листья, древесину и корни. Это повседневное чудо вселяет надежды на то, что растения — особенно быстрорастущие тропические деревья — могут действовать как естественный тормоз изменения климата, улавливая большую часть CO₂, выделяемого при сжигании ископаемого топлива. Во всем мире правительства, компании и природоохранные организации обязались сохранить или посадить огромное количество деревьев.

Эта история является результатом сотрудничества Conversation Insights и редакторов Apple News.
Команда Insights создает обширную журналистику и работает с учеными из разных слоев общества, которые участвовали в проектах, направленных на решение социальных и научных проблем.

Но факт в том, что деревьев недостаточно, чтобы компенсировать выбросы углерода обществом — и их никогда не будет. Недавно я провел обзор доступной научной литературы, чтобы оценить, сколько углерода леса могут реально поглотить. Если бы мы максимально увеличили количество растительности, которую могла вместить вся земля на Земле, мы бы изолировали достаточно углерода, чтобы компенсировать примерно десять лет выбросов парниковых газов при нынешних темпах. После этого не могло быть дальнейшего увеличения улавливания углерода.

Однако судьба нашего вида неразрывно связана с выживанием лесов и содержащимся в них биологическим разнообразием. Поспешно посадив миллионы деревьев для улавливания углерода, можем ли мы непреднамеренно нанести ущерб тем свойствам леса, которые делают их такими жизненно важными для нашего благополучия? Чтобы ответить на этот вопрос, нам необходимо рассмотреть не только то, как растения поглощают CO₂, но и то, как они обеспечивают прочную зеленую основу для экосистем на суше.

Подробнее: Ученые-климатологи: концепция чистого нуля — опасная ловушка

Как растения борются с изменением климата
Растения превращают газ CO₂ в простые сахара в процессе, известном как фотосинтез. Затем эти сахара используются для создания живых организмов растений. Если захваченный углерод попадет в древесину, он может быть заблокирован от атмосферы на многие десятилетия. Когда растения умирают, их ткани разрушаются и попадают в почву.

Крупный план клеток листа под микроскопом.
Лист под микроскопом: видна устьица, регулирующая кислород и углекислый газ. Shutterstock / Barbol
Хотя этот процесс естественным образом высвобождает CO₂ в результате дыхания (или дыхания) микробов, которые разрушают мертвые организмы, некоторая часть углерода растений может оставаться под землей в течение десятилетий или даже столетий. Вместе наземные растения и почвы содержат около 2500 гигатонн углерода — примерно в три раза больше, чем содержится в атмосфере.

Поскольку растения (особенно деревья) являются прекрасными естественными хранилищами углерода, логично, что увеличение численности растений во всем мире может снизить концентрацию CO₂ в атмосфере.

Для роста растениям необходимы четыре основных ингредиента: свет, CO₂, вода и питательные вещества (например, азот и фосфор, те же элементы, которые присутствуют в удобрениях для растений). Тысячи ученых по всему миру изучают, как рост растений зависит от этих четырех ингредиентов, чтобы предсказать, как растительность отреагирует на изменение климата.

Это на удивление сложная задача, учитывая, что люди одновременно изменяют так много аспектов природной среды, нагревая земной шар, изменяя режим выпадения дождя, рубя большие участки леса на крошечные фрагменты и внедряя чужеродные виды туда, где они не принадлежат. На суше также насчитывается более 350 000 видов цветковых растений, и каждый из них уникальным образом отвечает на экологические проблемы.

Из-за сложных способов, которыми люди изменяют планету, существует много научных исследований.

Ведутся споры о точном количестве углерода, которое растения могут поглотить из атмосферы. Но исследователи единодушны в том, что экосистемы суши обладают ограниченной способностью поглощать углерод.

График дерева, показывающий накопление углерода.
Где хранится углерод в типичных лесах умеренного пояса в Великобритании. UK Forest Research, CC BY
Если мы позаботимся о том, чтобы у деревьев было достаточно воды для питья, леса вырастут высокими и пышными, создавая тенистые навесы, лишающие меньшие деревья света. Если мы увеличим концентрацию CO₂ в воздухе, растения будут охотно его поглощать — до тех пор, пока они не перестанут извлекать из почвы достаточное количество удобрений для удовлетворения своих потребностей. Так же, как пекарь, который делает пирог, растениям требуются CO₂, азот и фосфор в определенном соотношении, следуя определенному рецепту жизни.

Признавая эти фундаментальные ограничения, ученые подсчитали, что наземные экосистемы Земли могут содержать достаточно дополнительной растительности, чтобы поглотить от 40 до 100 гигатонн углерода из атмосферы. Как только этот дополнительный рост будет достигнут (процесс, который займет несколько десятилетий), на суше не останется возможностей для дополнительного хранения углерода.

Но наше общество в настоящее время выбрасывает CO₂ в атмосферу со скоростью десять гигатонн углерода в год. Природным процессам будет сложно угнаться за потоком парниковых газов, создаваемым мировой экономикой. Например, я подсчитал, что один пассажир на рейсе туда и обратно из Мельбурна в Нью-Йорк будет выделять примерно вдвое больше углерода (1600 кг C), чем содержится в дубе диаметром полметра (750 кг C).

Опасность и обещание
Несмотря на все эти общепризнанные физические ограничения роста растений, все больше и больше предпринимается масштабных усилий по увеличению растительного покрова для смягчения последствий климатической чрезвычайной ситуации — так называемое «природное» решение для климата. Подавляющее большинство этих усилий сосредоточено на защите или расширении лесов, поскольку деревья содержат во много раз больше биомассы, чем кустарники или травы, и поэтому представляют собой больший потенциал улавливания углерода.

Однако фундаментальные заблуждения относительно улавливания углерода наземными экосистемами могут иметь разрушительные последствия, приводя к утрате биоразнообразия и увеличению концентрации CO₂. Это кажется парадоксом — как посадка деревьев может негативно повлиять на окружающую среду?

Ответ кроется в тонких сложностях улавливания углерода в естественных экосистемах. Чтобы избежать ущерба окружающей среде, мы должны воздерживаться от создания лесов там, где они естественным образом не принадлежат, избегать «извращенных стимулов» вырубать существующие леса, чтобы посадить новые деревья, и учитывать, как саженцы, посаженные сегодня, могут жить в следующие несколько десятилетий.

Прежде чем предпринимать какое-либо расширение лесной среды обитания, мы должны убедиться, что деревья высажены в правильном месте, потому что не все экосистемы на суше могут или должны поддерживать деревья. Посадка деревьев в экосистемах, в которых обычно преобладают другие типы растительности, часто не приводит к долгосрочному связыванию углерода.

Подробнее: Торфяные болота: их восстановление может замедлить изменение климата и возродить забытый мир

Один особенно показательный пример — шотландские торфяники — обширные участки земли, где низменная растительность (в основном мхи и травы) растет на постоянно сырой, влажной земле. Поскольку разложение в кислых и переувлажненных почвах идет очень медленно, мертвые растения накапливаются в течение очень долгих периодов времени, образуя торф. Сохраняется не только растительность: торфяники также мумифицируют так называемые «болотные тела» — почти нетронутые останки мужчин и женщин, умерших тысячелетия назад. Фактически, торфяники Великобритании содержат в 20 раз больше углерода, чем в национальных лесах.

Но в конце 20 века некоторые болота Шотландии были осушены для посадки деревьев. Высушивание почвы позволило саженцам деревьев прижиться, но также ускорило разложение торфа. Эколог Нина Фриггенс и ее коллеги из Университета Эксетера подсчитали, что при разложении высыхающего торфа выделяется больше углерода, чем могут поглотить растущие деревья. Очевидно, что торфяники могут лучше всего защитить климат, если они предоставлены самим себе.

То же самое и с лугами и саваннами, где пожары являются естественной частью ландшафта и часто сжигают деревья, посаженные там, где им не место. Этот принцип также применим к арктическим тундрам, где местная растительность зимой покрыта снегом, отражающим свет и тепло обратно в космос. Посадка высоких деревьев с темными листьями в этих местах может увеличить поглощение тепловой энергии и привести к локальному потеплению.

Графика, показывающая, как посадка деревьев в различных климатических зонах влияет на экосистемы.
Последствия крупномасштабной посадки деревьев в различных климатических зонах и экосистемах. Классификация климата Стейси МакКормак / Кеппен, предоставленная автором
Но даже посадка деревьев в лесной среде обитания может привести к негативным экологическим последствиям. С точки зрения как связывания углерода, так и биоразнообразия, все леса не равны — естественно возникшие леса

s содержат больше видов растений и животных, чем лесные плантации. Они также часто содержат больше углерода. Но политика, направленная на поощрение посадки деревьев, может непреднамеренно стимулировать обезлесение устойчивых естественных местообитаний.

Недавний резонансный пример касается программы мексиканского правительства Sembrando Vida, которая предусматривает прямые выплаты землевладельцам за посадку деревьев. Эта проблема? Многие сельские землевладельцы вырубают хорошо укоренившиеся старые леса для посадки саженцев. Это решение, хотя и весьма разумное с экономической точки зрения, привело к потере десятков тысяч гектаров спелых лесов.

Двое мужчин сажают саженцы.
Президент Сальвадора Найиб Букеле и министр иностранных дел Мексики Марсело Эбрард сажают деревья в рамках проекта Sembrando Vida между Мексикой и Центральной Америкой в ​​2019 году. REUTERS / Jose Cabezas
Этот пример демонстрирует риски узкого внимания к деревьям как машинам для поглощения углерода. Многие благонамеренные организации стремятся сажать деревья, которые растут быстрее всего, поскольку это теоретически означает более высокую скорость «выброса» CO₂ из атмосферы.

Однако с точки зрения климата важно не то, как быстро дерево может расти, а то, сколько углерода оно содержит в зрелости и как долго этот углерод находится в экосистеме. По мере того как лес стареет, он достигает того, что экологи называют «устойчивым состоянием» — это когда количество углерода, поглощаемого деревьями каждый год, идеально уравновешивается CO₂, выделяемым через дыхание самих растений и триллионами микробов-разлагателей под землей. .

Это явление привело к ошибочному представлению о том, что старые леса бесполезны для смягчения последствий изменения климата, потому что они больше не растут быстро и не улавливают дополнительный CO₂. Ошибочное «решение» проблемы состоит в том, чтобы сделать посадку деревьев приоритетом перед сохранением уже укоренившихся лесов. Это аналогично сливу воды из ванны, когда кран можно открыть на полную мощность: поток воды из крана больше, чем был раньше, но общая вместимость ванны не изменилась. Зрелые леса похожи на ванны, наполненные углеродом. Они вносят важный вклад в большое, но конечное количество углерода, которое может быть заблокировано на суше, и от их беспокойства мало что можно получить.

А как насчет ситуаций, когда быстрорастущие леса вырубаются каждые несколько десятилетий и заново засаживаются, а извлеченная древесина используется для других целей борьбы с климатом? Заготовленная древесина может быть очень хорошим хранилищем углерода, если она попадает в долгоживущие продукты (например, дома или другие постройки), но для этого используется на удивление мало древесины.

Точно так же сжигание древесины в качестве источника биотоплива может иметь положительное воздействие на климат, если это снижает общее потребление ископаемого топлива. Но леса, управляемые как плантации биотоплива, мало способствуют защите биоразнообразия, и некоторые исследования ставят под сомнение преимущества биотоплива в первую очередь для климата.

Удобрить целый лес
Научные оценки улавливания углерода наземными экосистемами зависят от того, как эти системы реагируют на все возрастающие проблемы, с которыми они столкнутся в ближайшие десятилетия. Все леса на Земле — даже самые нетронутые — уязвимы для потепления, изменения количества осадков, все более серьезных лесных пожаров и загрязняющих веществ, которые переносятся атмосферными потоками Земли.

Однако некоторые из этих загрязнителей содержат много азота (удобрения для растений), которые потенциально могут стимулировать рост глобального леса. Производя огромное количество сельскохозяйственных химикатов и сжигая ископаемое топливо, люди значительно увеличили количество «реактивного» азота, доступного для использования в растениях. Часть этого азота растворяется в дождевой воде и достигает лесной подстилки, где может стимулировать рост деревьев в некоторых областях.

Как молодой исследователь, только что окончивший аспирантуру, я задавался вопросом, может ли тип недостаточно изученной экосистемы, известный как сезонно сухой тропический лес, особенно отзывчив к этому эффекту. Был только один способ узнать: мне нужно было удобрить целый лес.

Работая с моим научным руководителем, экологом Дженнифер Пауэрс и экспертом-ботаником Даниэлем Пересом Авилесом, я очертил участок леса размером примерно с два футбольных поля и разделил его на 16 участков, которые были случайным образом распределены для различных видов удобрений. В течение следующих трех лет (2015-2017 гг.) Участки стали одними из наиболее изученных фрагментов леса на Земле. Мы измерили рост каждого отдельного ствола дерева с помощью специальных ручных инструментов, называемых дендрометрами.

Деревья с обернутым вокруг них металлическим измерительным прибором.
Дендрометры обвивают стволы деревьев для измерения роста. Автор предоставил
Мы использовали корзины, чтобы поймать опавшие с деревьев опавшие листья, и установили сетчатые мешки в земле, чтобы отслеживать рост корней, которые были тщательно отмыты от земли и взвешены. Самым сложным аспектом эксперимента было внесение самих удобрений, на которое потребовалось много времени.

кружево трижды в год. Надев плащи и очки, чтобы защитить нашу кожу от едких химикатов, мы тащили задние опрыскиватели в густой лес, обеспечивая равномерное нанесение химикатов на лесную подстилку, пока мы потели под нашими резиновыми пальто.

К сожалению, наше снаряжение не защищало от разъяренных ос, чьи гнезда часто прятались в нависающих ветвях. Но наши усилия того стоили. Через три года мы смогли подсчитать все листья, древесину и корни, произведенные на каждом участке, и оценить углерод, уловленный за период исследования. Мы обнаружили, что большинству деревьев в лесу удобрения не приносили пользы — вместо этого их рост был сильно привязан к количеству осадков в данном году.

Синяя корзина с мертвыми листьями.
Одна из корзин для ловли опавших листьев. Автор предоставил
Это говорит о том, что загрязнение азотом не будет способствовать росту деревьев в этих лесах, пока засухи будут усиливаться. Чтобы сделать такой же прогноз для других типов лесов (более влажных или более сухих, более молодых или старых, более теплых или прохладных), такие исследования необходимо будет повторить, добавив к библиотеке знаний, накопленных в ходе аналогичных экспериментов на протяжении десятилетий. И все же исследователи соревнуются со временем. Подобные эксперименты — медленные, кропотливые, иногда изнурительные работы, и люди меняют облик планеты быстрее, чем научное сообщество может отреагировать.

Людям нужны здоровые леса
Поддержка природных экосистем — важный инструмент в арсенале стратегий, которые нам понадобятся для борьбы с изменением климата. Но наземные экосистемы никогда не смогут поглотить количество углерода, выделяемого при сжигании ископаемого топлива. Вместо того, чтобы поддаваться ложному самоуспокоению схемами посадки деревьев, нам нужно сократить выбросы в их источниках и искать дополнительные стратегии по удалению углерода, который уже накопился в атмосфере.

Означает ли это, что текущие кампании по защите и расширению лесов — плохая идея? Категорически нет. Защита и расширение естественной среды обитания, особенно лесов, абсолютно необходимы для обеспечения здоровья нашей планеты. В лесах умеренного и тропического пояса обитают восемь из каждых десяти наземных видов, но они находятся под растущей угрозой. Почти половина пригодных для жизни земель на нашей планете отведена под сельское хозяйство, и вырубка лесов под пахотные земли или пастбища продолжается быстрыми темпами.

Между тем атмосферный хаос, вызванный изменением климата, усиливает лесные пожары, усугубляет засухи и систематически нагревает планету, создавая растущую угрозу для лесов и дикой природы, которую они поддерживают. Что это значит для нашего вида? Снова и снова исследователи демонстрируют тесную связь между биоразнообразием и так называемыми «экосистемными услугами» — множеством выгод, которые мир природы предоставляет человечеству.

Улавливание углерода — лишь одна экосистемная услуга в невероятно длинном списке. Биоразнообразие экосистем обеспечивает головокружительный набор фармацевтически активных соединений, которые вдохновляют на создание новых лекарств. Они обеспечивают продовольственную безопасность как прямым (подумайте о миллионах людей, основным источником белка которых является дикая рыба), так и косвенным (например, большая часть сельскохозяйственных культур опыляется дикими животными).

Природные экосистемы и миллионы видов, населяющих их, по-прежнему вдохновляют технологические разработки, которые революционизируют человеческое общество. Например, возьмите полимеразную цепную реакцию («ПЦР»), которая позволяет криминалистическим лабораториям ловить преступников, а в вашей местной аптеке — провести тест на COVID. ПЦР возможна только благодаря особому белку, который синтезируют простые бактерии, обитающие в горячих источниках.

Как эколог, я опасаюсь, что упрощенный взгляд на роль лесов в смягчении последствий изменения климата непреднамеренно приведет к их упадку. Многие усилия по посадке деревьев сосредоточены на количестве посаженных саженцев или их начальной скорости роста — и то, и другое является плохим показателем максимальной способности леса хранить углерод и еще более плохим показателем биоразнообразия. Что еще более важно, рассмотрение природных экосистем как «климатических решений» создает обманчивое впечатление, будто леса могут функционировать как бесконечно впитывающая швабра, очищая постоянно увеличивающиеся наводнения, вызванные выбросами CO₂, вызванными деятельностью человека.

К счастью, многие крупные организации, занимающиеся расширением лесов, включают здоровье экосистем и биоразнообразие в свои показатели успеха. Чуть более года назад я посетил огромный эксперимент по лесовосстановлению на полуострове Юкатан в Мексике, проводимый Plant-for-the-Planet — одной из крупнейших в мире организаций по посадке деревьев. Осознав проблемы, присущие крупномасштабному восстановлению экосистем, «Растение для планеты» инициировало серию экспериментов, чтобы понять, как различные вмешательства на ранних этапах развития леса могут улучшить выживаемость деревьев.

Но это еще не все. Во главе с директором по науке Леландом Верденом исследователи на месте изучат, как эти же методы могут ускорить восстановление естественного биоразнообразия, обеспечивая идеальную среду для

семена прорастать и расти по мере развития леса. Эти эксперименты также помогут землеустроителям решить, когда и где посадка деревьев принесет пользу экосистеме и где восстановление леса может происходить естественным путем.

Рассмотрение лесов как хранилищ биоразнообразия, а не просто хранилищ углерода, усложняет принятие решений и может потребовать изменений в политике. Я слишком хорошо осведомлен об этих проблемах. Я провел всю свою сознательную жизнь, изучая и думая о круговороте углерода, и я тоже иногда не могу видеть лес за деревьями. Однажды утром несколько лет назад я сидел на полу тропического леса в Коста-Рике, измеряя выбросы CO₂ из почвы — процесс, требующий относительно больших затрат времени и выполняемый в одиночку.

Пока я ждал окончания измерения, я заметил лягушку-дротик с клубничным ядом — крошечное яркое, как драгоценный камень, животное размером с мой большой палец — прыгало по стволу ближайшего дерева. Заинтригованный, я наблюдал, как она приближается к небольшому бассейну с водой, заключенному в листьях колючего растения, в котором праздно плавали несколько головастиков. Как только лягушка достигла этого миниатюрного аквариума, крошечные головастики (как выяснилось, ее дети) возбужденно завибрировали, в то время как их мать откладывала им неоплодотворенные яйца. Как я позже узнал, лягушки этого вида (Oophaga pumilio) очень старательно заботятся о своем потомстве, и долгое путешествие матери будет повторяться каждый день, пока головастики не превратятся в лягушек.

Ядовитая лягушка-дротик клубники сидела на ветке.
Лягушка-дротик с клубничным ядом сидит на ветке в Коста-Рике. Все фотографии Канады / Фото Alamy Stock Photo
Когда я собирал оборудование, чтобы вернуться в лабораторию, мне пришло в голову, что вокруг меня параллельно разыгрываются тысячи таких маленьких драм. Леса — это гораздо больше, чем просто запасы углерода. Они представляют собой непостижимо сложные зеленые сети, связывающие воедино судьбы миллионов известных видов, а еще миллионы все еще ждут своего открытия. Чтобы выжить и преуспеть в будущем, которое претерпит драматические глобальные изменения, нам придется уважать эту запутанную сеть и свое место в ней.