Od 30 lat naukowcy obserwują oddech słonych bagien w środkowej części stanu Maryland. To znaczy, badali, w jaki sposób jeden ekosystem Chesapeake Bay wyciąga dwutlenek węgla z atmosfery, magazynuje część węgla pod ziemią i uwalnia część z powrotem do powietrza w postaci metanu.
Po drodze manipulowali środowiskiem, aby naśladować przyszły świat z większą ilością dwutlenku węgla (CO 2 ) w atmosferze, gazem cieplarnianym najbardziej odpowiedzialnym za globalne ocieplenie, wyższy poziom mórz i więcej składników odżywczych w wodzie z zanieczyszczonego spływu. Kiedy sezon wegetacyjny rozpocznie się tej wiosny, będą badać kolejny kawałek układanki w nadziei, że uzyskają wyraźniejszy obraz tego, co przyniesie przyszłość. Chcą wiedzieć, co stanie się z bagnem, gdy temperatura wzrośnie.
„Od 30 lat podnosimy poziom CO 2 na tym bagnie, ale [podwyższony] poziom CO 2 wiąże się z ociepleniem”, mówi Pat Megonigal, główny badacz nowego badania w Global Change Research Wetland w Smithsonian Environmental Research Center (SERC) . „Ciepłe powietrze z czasem przenosi się na glebę. Właśnie zaczynamy atakować tę jego część. ”
Jako zastępca dyrektora w Centrum Badań Środowiskowych, Megonigal nadzoruje to miejsce, w którym dziesiątki naukowców prowadzą eksperymenty. Tutaj bagno jest zaśmiecone poletkami testowymi, które wyglądają jak przezroczyste plastikowe pokoje zbudowane na kawałkach trzcin i traw. Plastikowe urządzenia kropkują krajobraz przecinający promenady, kable i węże. Tu i tam promenady są przerywane drewnianymi skrzynkami, w których mieszczą się różne stanowiska kontrolne.
Naukowcy tacy jak Megonigal badali zmiany klimatu na tym 125-akrowym bagnie w nierozwiniętej części rzeki Rhode od ponad trzech dekad. To, czego się nauczyli, ma ważne implikacje, nie tylko dla przyszłości mokradeł, ale także dla zbliżającej się zmiany klimatu, ponieważ utrata mokradeł, takich jak mokradła i torfowiska, może uwolnić miliony ton dwutlenku węgla do atmosfery.
Pomimo zajmowania zaledwie czterech do sześciu procent powierzchni lądowej Ziemi, mokradła, takie jak mokradła, torfowiska i lasy namorzynowe, zawierają jedną czwartą całego węgla zmagazynowanego w ziemi.
Wszystkie rośliny pobierają dwutlenek węgla z atmosfery i zamieniają węgiel w liście, łodygi i korzenie. Ale węgiel jest uwalniany z powrotem do atmosfery, gdy bakterie w glebie rozkładają opadłe liście i inny martwy materiał roślinny.
Jednak na mokradłach częste zalewanie wodą pozbawia bakterie tlenowe kochających tlen i spowalnia je. Martwy materiał roślinny nie rozkłada się tak szybko, jak w bardziej suchym środowisku, dlatego gromadzi się, zagęszcza i zamienia w bogaty w węgiel torf. Przechowywanie węgla w ten sposób buforuje atmosferę przed wzrostem dwutlenku węgla.
Ale historia ma ciemniejszą stronę. Mokre mokre warunki są przygotowane do fermentacji, która wytwarza metan, kolejny gaz cieplarniany na bazie węgla, który jest 25 do 45 razy silniejszy niż dwutlenek węgla. W rzeczywistości tereny podmokłe stanowią największe pojedyncze źródło metanu, wytwarzając około 22 procent wszystkich światowych emisji metanu.
W grudniu 2015 r. Przywódcy ze 195 krajów zawarli porozumienie w Paryżu ograniczające globalne ocieplenie do nie więcej niż 2 stopni Celsjusza (3, 6 stopnia Fahrenheita) powyżej poziomów z okresu przedindustrialnego. Ponadto zobowiązali się do stosowania metod, które zmniejszyłyby tę liczbę do 2, 7 stopnia Fahrenheita powyżej poziomów z epoki przemysłowej.
Uśrednione dla całego świata temperatury wzrosły już o 1, 4 stopnia F w ciągu ostatnich 120 lat, więc osiągnięcie tak ambitnych celów będzie wymagało szybkiej redukcji globalnej emisji gazów cieplarnianych, czego nie można monitorować bez racjonalnie dokładnego rozliczenia bilansu między emisją dwutlenku węgla a składowaniem węgla na całym świecie. W tym celu światowi liderzy muszą zrozumieć, co dzieje się na mokradłach.
„Nic nie można zdjąć ze stołu”, mówi Virginia Burkett , główny naukowiec ds. Zmian klimatu i użytkowania gruntów w US Geological Survey. „Wszystkie systemy będą musiały zostać ocenione pod kątem ich zdolności do magazynowania węgla, a nie tylko samych emisji. Sekwestracja węgla i sposób, w jaki ludzie mogą zwiększyć zdolność systemów takich jak mokradła do magazynowania węgla, jest również niezbędny do zrozumienia, aby dokonać tych ogromnych redukcji, które są przewidywane, oczekiwane i zobowiązane przez społeczność międzynarodową. ”
Naukowcy tacy jak Pat Megonigal (po lewej) badali zmiany klimatu na tym 125-akrowym bagnie w niezagospodarowanym skrawku rzeki Rhode od ponad trzech dekad. (Smithsonian Environmental Research Center) Uwzględnienie naturalnych ekosystemów w równaniu nie będzie jednak łatwe.
Ile pochłaniają mokradła węglowe, ile uwalniają, jak szybko gleba się gromadzi i czy mokradła pływowe dotrzymają kroku lub zostaną połknięte przez podnoszące się morza - wszystkie te czynniki są ze sobą powiązane i zależą od różnych wpływów.
Jak szarpanie jednej linii w splątanej sieci lin, gdy jedna pętla się rozluźnia, druga zaciska, zmieniając kształt całego pakietu. Na bagnach temperatura, zasolenie, dwutlenek węgla i zanieczyszczenia spływające z ziemi zmieniają się jednocześnie. Przez lata naukowcy zaczęli zbierać węzły, rozwikłaniając złożoność, ale jest o wiele więcej do zrozumienia.
Gdy tej wiosny rozpocznie się eksperyment rozgrzania gleby Megonigal, będzie on zbierał ciepło z wierzchołków roślin aż do dna strefy korzeniowej, cztery i pół stopy pod powierzchnią.
Do wiosny jego zespół doda 30 nowych wykresów testowych do swojego rogu bagna. Używając szeregu lamp ciepła na podczerwień i siatki kabli elektrycznych zatopionych w glebie, Megonigal będzie podnosić temperaturę na swoich poletkach stopniowo. Wzrost będzie wynosił od 0 stopni do 7, 2 stopni Fahrenheita ponad otaczającym środowiskiem, zbliżając się do najcieplejszych warunków przewidywanych na rok 2100, jeśli nic nie zostanie zrobione w celu ograniczenia zmian klimatu.
Jego głównym celem jest zrozumienie czynników wpływających na rozkład i gromadzenie martwej materii roślinnej w słonym bagnie. Jeśli gleba torfowa powstaje wystarczająco szybko, może nadążyć za wzrostem poziomu morza. Jeśli nie, bagno może po prostu utonąć.
Pytanie to jest bolesne dla społeczności zależnych od mokradeł, które zapewniają żerowiska dla ważnych ryb handlowych i chronią nisko położone tereny przed falami sztormowymi i falami uderzeniowymi.
Teren, na którym dziesiątki naukowców prowadzą eksperymenty, jest usiany plastikowymi urządzeniami i poprzecinany promenadami, kablami i wężami. (Kimbra Cutlip) Według rdzeni glebowych słone bagno w Centrum Badań Środowiskowych przetrwało 4000 lat. W tym czasie Zatoka Chesapeake wzniosła się na 15 stóp, a bagno gromadziło się stabilnie, aby dotrzymać kroku.
Wiele mokradeł na całym świecie zrobiło to samo. Ale klimat się zmienia, a poziom mórz podnosi się szybciej niż kiedykolwiek. Ponadto zanieczyszczenie zmieniło chemię wody, a nowo wprowadzone gatunki roślin i zwierząt mogą zmieniać ważne aspekty funkcjonowania ekosystemu. Nawet ilość osadów wyrzucanych na tereny podmokłe zmieniła się gwałtownie wraz z rozwojem człowieka na lądzie.
Megonigal przewiduje, że dodatkowe ciepło przyspieszy rozwój drobnoustrojów pod ziemią, zwiększając szybkość rozkładu korzeni i innych substancji organicznych. Jeśli tak, może zapowiadać powolne tonięcie bagna i uwolnienie większej ilości metanu do atmosfery. Z drugiej strony, może nie.
Być może wolniejsze mikroby zaczną dominować ”- mówi Stephen Long, profesor nauk o uprawach i biologii roślin na University of Illinois oraz redaktor naczelny czasopisma Global Change . Albo połączenie ocieplenia i dodanego dwutlenku węgla spowoduje, że rośliny będą rosły szybciej niż mogą się rozpadać, co może podnieść poziom bagna. „Bardzo trudno jest przewidzieć z całą pewnością, co się wydarzy, dlatego właśnie taki eksperyment jest tak ważny” - mówi.
Long jest jednym z wielu badaczy, którzy przeprowadzili eksperymenty na terenie bagien Smithsona. Mówi, że sama myśl o wykonywaniu tego rodzaju pracy w środowisku naturalnym była rewolucyjna, kiedy pierwszy eksperyment przeprowadzono 30 lat temu. Jest tak wiele czynników, które należy kontrolować lub uwzględnić w naturze, że wielu w środowisku naukowym sądziło, że nie da się tego zrobić.
Bert Drake, emerytowany ekolog i starszy naukowiec w Environmental Research Center, to człowiek, który udowodnił, że się mylili w 1985 roku.
Wzrost rośliny jest skorelowany z ilością pobieranego węgla, a Drake początkowo opracował elegancki eksperyment w celu monitorowania wzrostu na bagnach. „Powiedziałem dobrze, zamiast iść tam i mierzyć wszystkie rośliny, po prostu zmierzymy strumień CO 2 ”, mówi. „Ludzie, którzy ocenili naszą propozycję, myśleli, że wykraczamy daleko poza to, co według nich jest wykonalne w laboratorium w terenie”.
Bert Drake, emerytowany ekolog i starszy naukowiec w Centrum Badań Środowiskowych, opracował elegancki eksperyment w celu monitorowania wzrostu na bagnach. (Smithsonian Environmental Research Center) Drake zaprojektował serię cylindrycznych komór o otwartym dnie, które mają być umieszczone nad plamami bagien. Mierzyli około trzech stóp średnicy i mieli ośmiokątną aluminiową ramę z przezroczystymi plastikowymi ścianami i otwartym blatem, aby nie zatrzymywały ciepła jak szklarnia. Następnie wprowadził dwutlenek węgla do komór, podnosząc poziom do oczekiwanych 100 lat w przyszłości.
„Możemy monitorować stężenie CO 2 wchodzącego do komór, CO 2 w środku i CO 2 wychodzący” - mówi. Natychmiastowe wyniki wykazały, że turzyce w komorach Drake'a rosły z dodatkowym wigorem, łatwo wchłaniając dodatkowy dwutlenek węgla, podczas gdy trawy nie uległy zmianie. Wzór pasował do tego, co naukowcy widzieli w laboratorium i udowodnił, że jego metoda działa. Udało mu się przeprowadzić kontrolowane badanie w niekontrolowanym środowisku. Drake mógł teraz zaufać innym spostrzeżeniom na temat tego, w jaki sposób rośliny wykorzystywały wodę i składniki odżywcze oraz wchodziły w interakcje ze środowiskiem wzbogaconym w dwutlenek węgla. „Przy takim podejściu moglibyśmy zmierzyć zysk netto w emisji dwutlenku węgla lub stratach i zrobić to w powiązaniu z temperaturą, opadami deszczu, światłem słonecznym, nazywacie to”.
Jako dowód na to, że tego rodzaju eksperyment był możliwy, Drake nigdy nie spodziewał się, że jego projekt stanie się fundamentem pola, które będzie trwać trzy dekady i zainspiruje do podobnej pracy w innych środowiskach na całym świecie. Jest to obecnie najdłużej trwające badanie terenowe na temat wpływu wzrostu dwutlenku węgla na społeczność roślin i nadal trwa.
„Podczas badań nad tym, dwutlenek węgla w atmosferze wyniósł około 13 lub 14 procent”, mówi Drake. „Poziom morza wyniósł około 10 lub 15 cm (4 do 6 cali)”. Co więcej, on i dziesiątki naukowców, którzy przeprowadzili eksperymenty w tym miejscu, byli w stanie obserwować bagna w pełnym zakresie warunków środowiskowych, od lat mokrych do suchych, od lat cieplejszych do chłodniejszych, długie sezony wegetacyjne i krótkie.
„Posiadanie tak długich ciągłych badań naprawdę dostarcza nam ogromnych ilości informacji, których po prostu nie możemy uzyskać w żaden inny sposób”, mówi Long. „[Drake] założył coś zupełnie nowego, kiedy to założył. Było to bardzo odważne i udało się. ”
Jednym z pierwszych ustaleń Drake'a było stwierdzenie, że wzrost dwutlenku węgla na bagnach doprowadził do wzrostu emisji metanu. Dowiedzieli się również, że rośliny turzycowe nie wyprzedzają traw, pomimo ich zdolności do szybszego wzrostu w środowisku o wysokiej zawartości dwutlenku węgla.
Każde odkrycie prowadziło do kolejnych pytań, a witryna terenowa rosła wykładniczo. Naukowcy tacy jak Megonigal, którzy śledzili Drake'a, ulepszyli swój projekt, wymienili spawane aluminiowe ramy do PCV, powiększili komory i dodali więcej z nich do dodatkowych badań. Po drodze nowe eksperymenty zagłębiły się w złożone interakcje w ekosystemie.
Wzrost rośliny jest skorelowany z ilością pobieranego węgla, a Bert Drake (sprawdzając pomiary) początkowo opracował elegancki eksperyment w celu monitorowania wzrostu na bagnach. (Smithsonian Environmental Research Center) Kiedy naukowcy zwiększyli azot w glebie, aby zasymulować wzrost odpływu z ziemi, odkryli, że nie wszystkie rośliny zareagowały tak samo, a ich odpowiedzi zmieniły się w zależności od dostępnego dwutlenku węgla i wody. Krok po kroku dokuczają ważnym interakcjom, szukając okna na to, jak może wyglądać bagno w ciągu następnych 100 lat.
W 2015 r. Megonigal opublikował badanie, w którym on i jego koledzy poddali rośliny różnym poziomom wody, aby zobaczyć, jak zareagują na wzrost poziomu morza. „Spodziewaliśmy się, że gdy bagno zacznie się zanurzać, powinno być w stanie zachować więcej węgla i być w stanie nadążyć za wzrostem poziomu morza”, mówi Megonigal. Myśleli, że częstsze zalanie wodą utrzyma niski poziom tlenu w górnej warstwie gleby. Spowolniłoby to drobnoustroje rozkładające martwe korzenie roślin i umożliwiło akumulację większej ilości gleby.
Ale tak się nie stało. Podobnie jak małe fajki dla drobnoustrojów, korzenie transportują tlen z powietrza w dół do gleby, co oznacza, że tak naprawdę nie ma znaczenia, jak długo gleba spędza pod wodą. Liczy się liczba korzeni dostarczających tlen drobnoustrojom. Megonigal stwierdził, że im więcej masz korzeni, tym więcej zachodzi rozkładu.
„Sposób, w jaki rozkład jest reprezentowany w modelach, nie uwzględnia wpływu roślin”, mówi Megonigal. „Więc nasze modele są w większości błędne, przynajmniej w oparciu o to jedno badanie. Musimy skupić się na połączeniu tych rzeczy, ponieważ to ich interakcje będą naprawdę ważne dla zrozumienia zmian klimatu ”.
Dla decydentów zrozumienie kombinacji czynników wpływających na przetrwanie terenów podmokłych jest czymś więcej niż po prostu wiedzą, co się stanie. Aktywne zarządzanie ziemią będzie kluczową częścią strategii niektórych narodów na rzecz powstrzymania globalnego ocieplenia.
Według Burkett z US Geological Survey nie może być bardziej pilne. „[Mokradła] naturalnie emitują metan, ale także magazynują miliardy ton węgla, a sposób ich zarządzania wpływa na szybkość sekwestracji i uwalniania węgla.”
Utrzymanie lub przywrócenie naturalnej hydrologii mokradeł może zwiększyć ich zdolność do magazynowania węgla, podczas gdy przekształcenie ich w stawy rolnicze lub krewetkowe może uwolnić to, co jest przechowywane w glebie jako dwutlenek węgla.
„Kluczowym przesłaniem dla decydentów jest to, że tereny podmokłe są złożonymi systemami”, mówi „Aby zwiększyć długoterminowe składowanie węgla w tych systemach podmokłych, musisz zrozumieć biogeochemiczny obieg węgla w nich. To naukowe przedsięwzięcie, które pomoże wesprzeć zaangażowanie podjęte w Paryżu przez kraje na całym świecie. ”
To, czego naukowcy nauczyli się podczas tego projektu terenowego, jest ważne nie tylko dla przyszłości mokradeł, ale także dla zbliżającej się zmiany klimatu, ponieważ utrata mokradeł, takich jak mokradła i torfowiska, może uwolnić miliony ton dwutlenku węgla do atmosfery. (Tom Mozdzer)
