Смягчение последствий изменения климата: посадка деревьев в Арктике ухудшает глобальное потепление

Восстановление лесов и посадка деревьев — хорошо зарекомендовавшая себя стратегия смягчения последствий изменения климата. Однако использование этого подхода в Арктике усугубляет потепление и контрпродуктивно для мер по смягчению последствий изменения климата. Это связано с тем, что древесный покров уменьшает альбедо (или отражение солнечного света) и увеличивает темноту поверхности, что приводит к чистому потеплению (поскольку деревья поглощают больше тепла от солнца, чем снег). Кроме того, посадка деревьев также нарушает углеродный запас арктической почвы, которая хранит больше углерода, чем все растения на Земле. Поэтому подход к смягчению последствий изменения климата не обязательно должен быть сосредоточен на углероде. Изменение климата связано с энергетическим балансом Земли (за вычетом солнечной энергии, остающейся в атмосфере, и солнечной энергии, покидающей атмосферу). Количество парниковых газов определяет, сколько тепла удерживается в атмосфере Земли. В арктических регионах, на высоких широтах, эффект альбедо (т.е. отражение солнечного света обратно в космос без преобразования в тепло) более важен (чем парниковый эффект из-за хранения углерода в атмосфере) для общего энергетического баланса. Следовательно, общая цель замедления изменения климата требует целостного подхода.

Растения и животные постоянно выделяют углекислый газ (CO₂ ₎ в атмосферу в процессе дыхания. Некоторые природные явления, такие как лесные пожары и извержения вулканов, также высвобождают CO₂ _в атмосферу. Баланс атмосферного CO₂ _{поддерживается} за счет регулярного поглощения углерода зелеными растениями в присутствии солнечного света посредством фотосинтеза. Однако деятельность человека с XVIII ^века , особенно добыча и сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ, привела к повышению концентрации атмосферного _CO₂.

Интересно, что увеличение концентрации CO₂ _в атмосфере, как известно, оказывает эффект удобрения углерода (то есть, зеленые растения фотосинтезируют активнее в ответ на увеличение концентрации CO₂ _в атмосфере). Значительная часть нынешнего поглощения углерода наземными экосистемами объясняется именно этим увеличением глобального фотосинтеза в ответ на повышение концентрации CO₂ _. В период с 1982 по 2020 год глобальный фотосинтез увеличился примерно на 12% в ответ на увеличение глобальной концентрации углекислого газа в атмосфере на 17% — с 360 ppm до 420 ppm¹, ^².

Очевидно, что усиленный глобальный фотосинтез не способен поглотить все антропогенные выбросы углерода с начала индустриализации. В результате концентрация углекислого газа (CO₂) в атмосфере _за последние два столетия фактически увеличилась примерно на 50% и достигла 422 ppm (в сентябре 2024 года) ^³ , что составляет 150% от его значения в 1750 году. Поскольку углекислый газ (CO₂ ₎ является важным парниковым газом, это значительное общее увеличение концентрации CO₂ в атмосфере _{способствовало} глобальному потеплению и изменению климата.

Изменение климата проявляется в виде таяния полярных льдов и ледников, потепления океанов, повышения уровня моря, наводнений, катастрофических штормов, частых и интенсивных засух, нехватки воды, волн жары, сильных пожаров и других неблагоприятных условий. Оно имеет серьезные последствия для жизни и средств к существованию людей, поэтому крайне необходимы меры по смягчению последствий. Таким образом, чтобы ограничить глобальное потепление и повышение температуры до 1.5°C к концу этого столетия, Конференция ООН по изменению климата признала необходимость сокращения глобальных выбросов парниковых газов на 43% к 2030 году и призвала стороны отказаться от ископаемого топлива для достижения нулевых выбросов к 2050 году.

Помимо сокращения выбросов углерода, климатические действия могут также поддерживаться удалением углерода из атмосферы. Любое улучшение улавливания атмосферного углерода было бы полезным.  

Фотосинтез в океанах, осуществляемый морским фитопланктоном, водорослями и планктоном, отвечает примерно за половину поглощения углерода. Предполагается, что биотехнология микроводорослей может способствовать поглощению углерода посредством фотосинтеза. Прекращение вырубки лесов путем посадки деревьев и восстановления лесных массивов может быть очень полезным для смягчения последствий изменения климата. Одно исследование показало, что увеличение глобального лесного покрова может внести значительный вклад. Оно показало, что глобальная площадь древесного покрова при нынешних климатических условиях составляет 4.4 миллиарда гектаров, что означает, что после исключения существующего покрова можно создать дополнительно 0.9 миллиарда гектаров лесного покрова (что эквивалентно увеличению площади лесов на 25%). Этот дополнительный лесной покров, если он будет создан, поглотит и сохранит около 205 гигатонн углерода, что составляет примерно 25% от текущего запаса углерода в атмосфере. Восстановление лесов во всем мире является насущной необходимостью еще и потому, что непрерывное изменение климата приведет к сокращению лесного покрова примерно на 223 миллиона гектаров (в основном в тропических районах) и потере связанного с ним биоразнообразия к 2050 году ^4,5.

Посадка деревьев в арктическом регионе  

Арктический регион относится к северной части Земли выше 66° 33′ северной широты в пределах полярного круга. Большая часть этого региона (около 60%) занята морским льдом, покрытым Северным Ледовитым океаном. Арктический массив суши расположен вокруг южных границ Северного Ледовитого океана, которые поддерживают тундру или северный бореальный лес.  

Бореальные леса (или тайга) расположены к югу от Полярного круга и характеризуются хвойными лесами, состоящими в основном из сосен, елей и лиственниц. Здесь длинные, холодные зимы и короткое, влажное лето. Преобладают холодостойкие, шишконосные, вечнозеленые хвойные деревья (сосны, ели и пихты), которые сохраняют свои игольчатые листья круглый год. По сравнению с лесами умеренного климата и тропическими влажными лесами, бореальные леса имеют более низкую первичную продуктивность, меньшее разнообразие видов растений и не имеют ярусной структуры леса. С другой стороны, арктическая тундра расположена к северу от бореальных лесов в арктических регионах северного полушария, где подпочва постоянно промерзает. Этот регион намного холоднее, со средними зимними и летними температурами в диапазоне -34 °C и 3 °C – 12 °C соответственно. Подпочва постоянно заморожена (вечная мерзлота), поэтому корни растений не могут проникать глубоко в почву, и растения расположены низко над землей. Тундра имеет очень низкую первичную продуктивность, низкое видовое разнообразие и короткий вегетационный период в 10 недель, когда растения быстро растут в ответ на длинный световой день.  

Рост деревьев в арктических регионах зависит от вечной мерзлоты, поскольку подземная замерзшая вода ограничивает рост глубоких корней. Большая часть тундры имеет непрерывную вечную мерзлоту, в то время как бореальные леса существуют в районах с небольшим количеством или полным отсутствием вечной мерзлоты. Однако арктическая вечная мерзлота не остается незатронутой.  

^{По мере потепления арктического климата (которое происходит в два раза быстрее, чем в среднем по миру), вызванное этим таяние и потеря вечной мерзлоты будут способствовать выживанию ранних саженцев деревьев. Было установлено, что наличие кустарникового покрова положительно коррелирует с дальнейшим выживанием и ростом саженцев до деревьев. Видовой состав и функционирование экосистем в регионе претерпевают быстрые изменения. По мере потепления климата и деградации вечной мерзлоты растительность может в будущем} сместиться от безлесной Арктики к древесной растительности⁶.

Снизит ли смена растительности на арктический ландшафт с преобладанием деревьев концентрацию CO₂ в атмосфере _за счет усиления фотосинтеза и поможет ли смягчить последствия изменения климата? Можно ли рассматривать арктический регион для лесовосстановления с целью удаления CO₂ из атмосферы _? В обоих случаях арктическая вечная мерзлота должна сначала оттаять или разрушиться, чтобы позволить расти деревьям. Однако оттаивание вечной мерзлоты высвобождает в атмосферу метан, который является мощным парниковым газом и способствует дальнейшему потеплению. Выброс метана из вечной мерзлоты также способствует возникновению масштабных лесных пожаров в регионе.

Что касается стратегии удаления атмосферного CO₂ _{посредством} фотосинтеза путем лесопосадок или посадки деревьев в арктическом регионе и последующего смягчения потепления и изменения климата, исследователи⁷ ^сочли этот подход непригодным для региона и контрпродуктивным для смягчения последствий изменения климата. Это связано с тем, что древесный покров уменьшает альбедо (или отражение солнечного света) и увеличивает темноту поверхности, что приводит к чистому потеплению, поскольку деревья поглощают больше тепла от солнца, чем снег. Кроме того, посадка деревьев также нарушает углеродный запас арктической почвы, которая хранит больше углерода, чем все растения на Земле.

Таким образом, подход к смягчению последствий изменения климата не обязательно должен быть сосредоточен на углероде. Изменение климата касается энергетического баланса Земли (за вычетом солнечной энергии, остающейся в атмосфере, и солнечной энергии, покидающей атмосферу). Парниковые газы определяют, сколько тепла удерживается в атмосфере Земли. В арктических регионах в высоких широтах эффект альбедо (т. е. отражение солнечного света обратно в космос без преобразования в тепло) более важен (чем хранение углерода в атмосфере) для общего энергетического баланса. Следовательно, общая цель замедления изменения климата требует целостного подхода.  

Ссылки:  

1. Кинан, ТФ, и др.. Ограничение исторического роста глобального фотосинтеза из-за роста CO2. Nat. Clim. Chang. 13, 1376–1381 (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41558-023-01867-2 

2. Новости лаборатории Беркли – Растения дают нам время, чтобы замедлить изменение климата – но недостаточно, чтобы остановить его. Доступно на https://newscenter.lbl.gov/2021/12/08/plants-buy-us-time-to-slow-climate-change-but-not-enough-to-stop-it/ 

3. NASA. Углекислый газ. Доступно на https://climate.nasa.gov/vital-signs/carbon-dioxide/ 

4. Бастин, Жан-Франсуа и др. 2019. Глобальный потенциал восстановления деревьев. Наука. 5 июля 2019 г. Том 365, выпуск 6448, стр. 76-79. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aax0848 

5. Чаздон Р. и Бранкальон П., 2019. Восстановление лесов как средство для достижения многих целей. Наука. 5 июля 2019 г. Том 365, выпуск 6448, стр. 24-25. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aax9539 

6. Лимпенс, Дж., Фийен, Т.П.М., Кейзер, И. и др. Кустарники и деградировавшая вечная мерзлота прокладывают путь для укоренения деревьев на субарктических торфяниках. Экосистемы 24, 370–383 (2021).  https://doi.org/10.1007/s10021-020-00523-6 

7. Кристенсен, Дж. А., Барберо-Паласиос, Л., Баррио, И. К. и др. Посадка деревьев не является решением проблемы климата в северных высоких широтах. Nat. Geosci. 17, 1087–1092 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01573-4