Глобальный углерод

Зак Кейлер, Северный институт прикладных наук о климате, Лесная служба США, Олбани, Калифорния.
Мария Яновяк, Северный институт прикладных наук о климате, Лесная служба США, Хоутон, Мичиган.
Крис Суонстон, Северный институт прикладных наук о климате, Лесная служба США, Хоутон, Мичиган.

Эта тематическая страница была разработана с использованием информации из отчета Учет углерода лесов и пастбищ в управлении земельными ресурсами (ВО-ГТР-95)

Фон

Углерод является одним из самых важных элементов, найденных на Земле. Круговорот углерода поддерживает всю жизнь, перенося углерод между живыми существами и окружающей средой. Растения поглощают углекислый газ ( CO₂) и выделяют кислород ( O₂) во время фотосинтеза, который передает углерод их стеблям, корням и листьям по мере их роста. Когда листья опадают и разлагаются или когда растения умирают, углерод, хранившийся в растениях, высвобождается в результате дыхания или горения и возвращается обратно в атмосферу или в почву. Благодаря этим процессам леса и другие естественные экосистемы могут хранить значительное количество углерода и выступать в качестве важного глобального поглотителя углерода. Углерод, хранящийся в лесах США и связанных с ними изделиях из древесины, увеличился более чем на 600 миллионов метрических тонн в 2014 году, компенсируя значительный объем выбросов парниковых газов в США в результате сжигания ископаемого топлива (1).

По всему миру углерод хранится в разных местах и ​​в разных формах. Количество углерода, хранящегося в конкретной системе, называется «запасом» или «пулом». Самый большой запас углерода на Земле находится в континентальной коре и верхней мантии Земли, большая часть которой представляет собой осадочную породу, сформировавшуюся в течение миллионов лет (2). Океанский углерод является следующим по величине запасом; более 95% океанического углерода в основном присутствует в форме неорганического растворенного углерода, хотя только 900 гигатонн углерода (ГтС) доступно для обмена в поверхностном океане. Атмосфера, хотя и содержит относительно меньший запас углерода, содержащий 839 ГтС, по-прежнему играет очень важную роль, поскольку она содержит углерод в основном в виде двуокиси углерода, парникового газа.Почвы хранят примерно 1325 ГтУ на верхних футах и, возможно, до 3000 ГтУ в целом, если учитывать более глубокие глубины (3). Кроме того, вечная мерзлота (мерзлая почва) хранит большое количество углерода, защищенного климатическими условиями от разложения (4)(5), хотя по мере повышения средней глобальной температуры становится все больше и больше этого запаса (6)(7).

Рисунок: глобальные запасы углерода (углерод, хранящийся в пулах), показанные в гигатоннах.

Леса поглощают углерод посредством фотосинтеза, и этот углерод впоследствии распределяется над и под землей, внося свой вклад в глобальный лесной запас. Леса составляют 92% всей наземной биомассы в мире, храня около 400 ГтС (8), но они неравномерно распределены по Земле. Различные типы лесов хранят разное количество углерода, и большая часть этих различий связана с климатом в той или иной части мира. Теплые тропические регионы, как правило, хранят гораздо больше углерода в надземных компонентах по сравнению с подземными, в то время как прохладные районы бореальных лесов имеют огромные подземные запасы углерода.

Рисунок: Углерод (Гт С), хранящийся в экосистемах (по Scharlemann et al., 2014).

Углерод обменивается между различными запасами на суше, в океане и в атмосфере. Это означает, что углерод во многих запасах, будь то глобальные или локальные, может быть весьма динамичным. Углерод, который входит в запас или выходит из него, называется потоком, а средняя скорость, с которой углерод проходит через запас, называется оборотом углерода. Круговорот углерода в экосистемах по всему миру дает представление о том, где углерод может быть наиболее уязвим для выброса в виде CO.₂ в атмосферу. Знание круговорота в экосистемах может помочь в принятии управленческих решений, влияющих на скорость круговорота углерода, что в конечном итоге влияет на приток углерода в экосистемы и из них.

Рисунок: Среднее время оборота экосистемы (годы) различных наземных пулов углерода.

вопросы

Количество углерода, хранящегося в атмосфере Земли, ничтожно мало по сравнению с количеством углерода, хранящимся в океанах, почвах и геологических образованиях. Небольшие добавления в атмосферу в течение длительного времени оказывают огромное влияние на глобальный углеродный цикл. Начало промышленной революции почти 300 лет назад ознаменовало начало периода, в течение которого человеческая (антропогенная) деятельность перемещала большое количество углерода из различных земных и геологических запасов в атмосферу. Выбросы в результате использования ископаемого топлива и изменений в землепользовании увеличивались в течение последних трех столетий и в настоящее время приводят к чистому увеличению выбросов в атмосферу примерно на 9 ГтУ в год. Эти антропогенные потоки привели к перемещению углерода из земных газовых, нефтяных и угольных резервуаров на 19-36%, углерода, который был по существу исключен из углеродного цикла в течение миллионов лет, но теперь ожидается, что он останется в атмосфере. от десятилетий до столетий. Этот вклад углерода ископаемого топлива в атмосферу можно считать чистое добавление к современному углеродному циклу и движущей силе изменения климата.

Рисунок: Глобальный углеродный цикл. Числа пулов углерода (Гт C) указаны в скобках, а числа потоков (Гт C в год) связаны со стрелками.

Влияние изменения климата на углерод

Изменение климата уже оказывает влияние на экосистемы во всем мире, и ожидается, что многие из этих изменений будут продолжаться или ускоряться в будущем (10, 11). Возможности по сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу стимулируют интерес к управлению углеродом в экосистемах (12), подчеркивая важную роль лесов и пастбищ в поглощении CO.₂ и предоставление источника возобновляемой энергии. В то же время изменения в климатической системе Земли кардинальным образом меняют леса, что также может иметь последствия для выбросов углерода и других парниковых газов.

Более высокие температуры и экстремальные погодные условия (13, 14) могут напрямую увеличить частоту и серьезность многих видов нарушений, включая засуху, лесные пожары и ураганы, а также усилить воздействие вредителей, болезней и других агентов, что еще больше усилит нагрузку на организмы. экосистемы (10, 15, 16). Пример воздействия климата на нарушения можно увидеть на западе США, где изменчивость климата приводит к возникновению лесных пожаров в районах с высокой гибелью деревьев от жуков-короедов (17, 18). Как правило, ожидается увеличение масштабов нарушений, что может привести к увеличению выбросов углерода из экосистем (19, 20).

Неясно, смогут ли многие леса сохранить свою способность улавливать углерод при нынешних темпах. Во многих частях страны основным источником поглощения углерода является лесовосстановление и переход от молодых лесов к старшим возрастным классам, и в будущем этот поглотитель может стать менее сильным (21). Хотя более высокие температуры и повышенный уровень CO₂ могут поддерживать и даже увеличивать рост многих лесов в течение следующих нескольких десятилетий (22), эти выгоды могут варьироваться в зависимости от ландшафта и, в конечном счете, преходящи (23). Бореальные леса особенно уязвимы к изменению климата, и упадок этих систем приводит к значительным выбросам углерода (24, 25). Бореальные и северные виды в системах с умеренным климатом также сталкиваются с потенциальным снижением численности по мере того, как в будущем климатические условия станут менее подходящими, а биомы сместятся в сторону экосистем, более устойчивых к более жарким и засушливым условиям, которые обычно удерживают меньше углерода (26–28). Хотя в эти экосистемы могут перемещаться новые виды, ожидается, что темпы естественной миграции видов будут значительно медленнее, чем изменения климата (29, 30).

Варианты управления

Все более важно учитывать текущие и долгосрочные последствия изменения климата, когда управление земельными ресурсами направлено на поддержание или увеличение запасов углерода или обеспечение источника возобновляемой энергии.Действия по адаптации, направленные на снижение уязвимости системы к изменяющемуся климату, могут способствовать достижению положительных результатов в отношении выбросов углерода. Адаптация и смягчение последствий не являются альтернативой друг другу, а скорее являются частью общей стратегии по уменьшению серьезности последствий изменения климата. Например, увеличение содержания органического вещества в почве повышает содержание углерода в почве, а также повышает водоудерживающую способность почвы и снижает уязвимость лесов перед более частыми интенсивными засухами. Меры управления, направленные на адаптацию лесов и пастбищ к изменениям климата, имеют решающее значение для поддержания существующих пулов углерода и сокращения потерь экосистемного углерода в атмосфере.

Дополнительную информацию и конкретные примеры по управлению выбросами углерода можно найти на тематических страницах CCRC «Управление лесным хозяйством для получения углеродных выгод», «Управление углеродом и земельными ресурсами», «Углерод в лесной почве» и «Углерод на пастбищах и управление ими».