В течение 30 лет ученые наблюдали за тем, как дышит солончак в центральной части штата Мэриленд. То есть они изучали, как одна экосистема Чесапикского залива извлекает углекислый газ из атмосферы, хранит часть углерода под землей и выпускает часть его обратно в воздух в виде метана.
По пути они манипулировали окружающей средой, чтобы имитировать будущий мир с большим количеством атмосферного углекислого газа (СО 2 ), парникового газа, который наиболее ответственен за глобальное потепление, более высокий уровень моря и больше питательных веществ в воде из загрязненного стока. Когда вегетационный сезон начнется этой весной, они будут исследовать еще одну часть головоломки в надежде получить более ясную картину того, что ждет нас в будущем. Они хотят знать, что происходит с болотом, когда температура поднимается.
«Мы поднимаем CO 2 в этом болоте в течение 30 лет, но [повышенный] CO 2 сопровождается потеплением», - говорит Пэт Мегонигал, ведущий исследователь нового исследования в заболоченной местности Global Change Research в Смитсоновском центре исследований окружающей среды (SERC)., «Согревающий воздух со временем превращается в почву. Мы просто собираемся атаковать эту часть ».
Как заместитель директора Центра экологических исследований, Мегонигал наблюдает за этим полевым участком, где десятки ученых проводят эксперименты. Здесь болото усеяно пробными площадками, которые выглядят как прозрачные пластиковые комнаты, построенные из кусочков тростника и трав. Пластиковые приспособления усеивают пейзаж, перекрещенный тротуарами, кабелями и шлангами. Кое-где на тротуарах стоят деревянные ящики с различными постами управления.
Такие исследователи, как Мегонигал, изучали изменение климата в этом болоте площадью 125 акров в неразвитой части реки Род в течение более трех десятилетий. То, что они узнали, имеет важные последствия не только для будущего водно-болотных угодий, но и для надвигающегося изменения климата, потому что потеря водно-болотных угодий, таких как болота и болота, может выпустить в атмосферу миллионы тонн углекислого газа.
Несмотря на то, что они занимают всего четыре-шесть процентов территории Земли, водно-болотные угодья, такие как болота, болота и мангровые леса, содержат четверть всего углерода, хранящегося в почве Земли.
Все растения поглощают углекислый газ из атмосферы и превращают углерод в листья, стебли и корни. Но углерод высвобождается обратно в атмосферу, когда бактерии в почве разлагают опавшие листья и другой мертвый растительный материал.
Однако в водно-болотных угодьях частые наводнения водой лишают кислородолюбивые бактерии кислорода и замедляют их. Мертвый растительный материал не разлагается так быстро, как в более сухой среде, поэтому он накапливается, уплотняясь и превращаясь в богатый углеродом торф. Хранение углерода таким образом защищает атмосферу от роста углекислого газа.
Но есть более темная сторона истории. Мокрые влажные условия предназначены для брожения, при котором образуется метан, еще один парниковый газ на основе углерода, который в 25–45 раз сильнее, чем углекислый газ. На самом деле, водно-болотные угодья являются крупнейшим источником метана, производя примерно 22 процента всех глобальных выбросов метана.
В декабре 2015 года лидеры из 195 стран подписали соглашение в Париже, ограничивающее глобальное потепление не более чем на 2 градуса Цельсия (3, 6 градуса по Фаренгейту) выше доиндустриального уровня. Кроме того, они обязались использовать методы, которые позволили бы снизить это число до 2, 7 градусов по Фаренгейту выше доиндустриального уровня.
В среднем по всему земному шару температура уже поднялась на 1, 4 градуса по Фаренгейту за последние 120 лет, поэтому для достижения таких амбициозных целей потребуется быстрое сокращение глобальных выбросов парниковых газов, что невозможно контролировать без достаточно точного учета баланса между выбросами углерода и хранением углерода во всем мире. Для этого мировые лидеры должны понимать, что происходит на водно-болотных угодьях.
«Ничто не может быть снято со стола», - говорит Вирджиния Буркетт , главный ученый по вопросам изменения климата и землепользования в Геологической службе США. «Все системы должны оцениваться с точки зрения их способности хранить углерод, а не только выбросы. Улавливание углерода и то, как люди могут повысить способность таких систем, как водно-болотные угодья, хранить углерод, также важно понять, чтобы добиться этих огромных сокращений, которые прогнозируются, ожидаются и обязуются международным сообществом ».
Такие исследователи, как Пэт Мегонигал (слева), изучали изменение климата на этом болоте площадью 125 акров в неразвитой части реки Род в течение более трех десятилетий. (Смитсоновский центр экологических исследований) Однако включить естественные экосистемы в уравнение будет непросто.
Сколько углеродистых водно-болотных угодий занимают, сколько они выделяют, как быстро накапливается почва и будут ли приливные водно-болотные угодья идти в ногу с растущими морями или будут поглощены ими - все это факторы, которые переплетены друг с другом и зависят от различных факторов.
Подобно растягиванию одной линии в запутанной паутине веревок, когда одна петля ослабевает, другая сжимается, изменяя форму всего пучка. В болоте температура, соленость, углекислый газ и загрязняющие вещества, стекающие с земли, меняются одновременно. На протяжении многих лет, ученые цеплялись за узел, разгадывая сложности, но есть гораздо больше, чтобы понять.
По мере того, как эксперимент Мегонигала по прогреву почвы начнется этой весной , он будет поднимать тепло от верхушки растений до самого конца корневой зоны, на четыре с половиной фута ниже поверхности.
К весне его команда добавит 30 новых тестовых участков в угол болота. Используя ряд инфракрасных тепловых ламп и сетку электрических кабелей, утопленных в почву, Мегонигаль будет постепенно повышать температуру на своих участках. Увеличение будет колебаться от 0 градусов до 7, 2 градусов по Фаренгейту над окружающей средой, приблизительно равное самым теплым условиям, прогнозируемым на 2100 год, если ничего не было сделано для сдерживания изменения климата.
Его главная цель - понять факторы, влияющие на разложение и накопление мертвого растительного вещества в солончаках. Если торфяная почва собирается достаточно быстро, она может идти в ногу с повышением уровня моря. Если нет, болото может просто утонуть.
Этот вопрос является проблемой для сообществ, которые зависят от болот, которые предоставляют питомники для важной промысловой рыбы и защищают низменные земли от штормового нагона и волнения.
Полевой участок, где десятки ученых проводят эксперименты, усеян пластиковыми приспособлениями и перекрещен тротуарами, кабелями и шлангами. (Kimbra Cutlip) По данным кернов почвы, солончак в Центре экологических исследований просуществовал 4000 лет. За это время Чесапикский залив поднялся на 15 футов, и болото неуклонно росло, чтобы не отставать.
Многие водно-болотные угодья по всему миру сделали то же самое. Но климат меняется, и уровень моря поднимается быстрее, чем когда-либо. Кроме того, загрязнение изменило химический состав воды, и новые интродуцированные виды растений и животных могут изменить важные аспекты функционирования экосистемы. Даже количество осадков, отмываемых в водно-болотных угодьях, быстро менялось с развитием человеческого потенциала на суше.
Мегонигаль ожидает, что добавленное тепло увеличит количество микробов под землей, увеличив скорость, с которой корни и другие органические вещества разлагаются. Если это так, это может предсказать медленное погружение болота и выброс большего количества метана в атмосферу. С другой стороны, возможно нет.
Возможно, медленные микробы начнут доминировать », - говорит Стивен Лонг, профессор культурологии и биологии растений в Университете Иллинойса и главный редактор журнала Global Change . Или комбинация потепления и добавленного углекислого газа заставит растения расти быстрее, чем они могут распасться, оба из которых могут поднять уровень болота. «Становится очень сложно с какой-то уверенностью предсказать, что произойдет, поэтому такой эксперимент очень важен», - говорит он.
Лонг является одним из многих исследователей, которые проводили эксперименты на Смитсоновском участке болота. Он говорит, что сама мысль о выполнении этого вида работ в естественной среде была революционной, когда первый эксперимент был установлен 30 лет назад. В природе так много факторов, которые необходимо контролировать или учитывать, что многие в научном сообществе думают, что это невозможно.
Берт Дрейк, почетный эколог и старший научный сотрудник Центра экологических исследований, - человек, который доказал их неправоту еще в 1985 году.
Рост растения коррелирует с количеством углерода, который он принимает, и Дрейк первоначально разработал элегантный эксперимент для контроля роста в болоте. «Я хорошо сказал, что вместо того, чтобы идти туда и измерять все растения, мы просто измерим поток CO 2 », - говорит он. «Люди, которые рассмотрели наше предложение, думали, что мы расширяем себя далеко за пределы того, что они считали работоспособным в лаборатории».
Берт Дрейк, почетный эколог и старший научный сотрудник Центра экологических исследований, разработал элегантный эксперимент для мониторинга роста в болоте. (Смитсоновский центр экологических исследований) Дрейк разработал серию цилиндрических камер с открытым дном, чтобы разместить их на участках болота. Около трех футов в диаметре, они имели восьмиугольную алюминиевую трубную раму с прозрачными пластиковыми стенками и открытым верхом, чтобы они не задерживали тепло, как теплица. Затем он направил углекислый газ в камеры, подняв уровень до того, что ожидалось через 100 лет в будущем.
«Мы могли бы контролировать концентрацию CO 2, поступающего в камеры, и CO 2 внутри, и CO 2, выходящего», - говорит он. Непосредственные результаты показали, что осоки в камерах Дрейка росли с добавленной энергией, легко впитывая дополнительный углекислый газ, в то время как травы не изменились. Шаблон соответствовал тому, что ученые видели в лаборатории, и доказал, что его метод работает. Он успешно провел контролируемое исследование в неконтролируемой среде. Теперь Дрейк мог доверять другим наблюдениям о том, как растения использовали воду и питательные вещества и взаимодействовали с окружающей средой, обогащенной углекислым газом. «При таком подходе мы могли бы измерить чистый прирост углерода или потерь и сделать это в зависимости от температуры, осадков, солнечного света, как вы это называете».
В качестве демонстрации возможности такого эксперимента Дрейк никогда не ожидал, что его проект станет основой для полевого участка, который продлится три десятилетия и вдохновит на аналогичную работу в других средах по всему миру. В настоящее время это самое продолжительное полевое исследование воздействия растущего диоксида углерода на растительное сообщество, и оно все еще продолжается.
«Пока мы его изучали, содержание углекислого газа в атмосфере возросло до 13 или 14 процентов», - говорит Дрейк. «Уровень моря поднялся примерно на 10 или 15 см (от 4 до 6 дюймов)». Более того, он и десятки исследователей, которые в настоящее время проводят эксперименты на площадке, смогли наблюдать болото в широком диапазоне условий окружающей среды. от влажных лет до сухих, от теплых лет до более прохладных лет, продолжительных вегетационных периодов и коротких.
«Такое длительное непрерывное изучение действительно дает нам огромное количество информации, которую мы просто не можем получить другим способом», - говорит Лонг. «[Дрейк] взял на себя что-то совершенно новое, когда он это настроил. Это была очень смелая вещь, и это удалось ».
Одним из первых открытий Дрейка было то, что увеличение углекислого газа в болоте привело к увеличению выбросов метана. Они также узнали, что растения осоки не настигли травы, несмотря на их способность расти быстрее в среде с высоким содержанием углекислого газа.
Каждое открытие приводило к большему количеству вопросов, и полевой сайт рос в геометрической прогрессии. Ученые, такие как Megonigal, которые следовали за Дрейком, улучшили свой дизайн, сменили сварные алюминиевые рамы для ПВХ, расширили камеры и добавили еще их для дополнительных исследований. Попутно новые эксперименты углубились в сложные взаимодействия в экосистеме.
Рост растения коррелирует с количеством углерода, который он принимает, и Берт Дрейк (проверка измерений) первоначально разработал элегантный эксперимент для мониторинга роста в болоте. (Смитсоновский центр экологических исследований) Когда ученые увеличили содержание азота в почве для имитации растущего стока с земли, они обнаружили, что не все растения реагировали одинаково, и их реакции менялись в зависимости от количества углекислого газа и воды. Шаг за шагом они дразнили важные взаимодействия, пытаясь понять, как болото может выглядеть в ближайшие 100 лет.
В 2015 году Мегонигаль опубликовал исследование, в котором он и его коллеги подвергали растения различным уровням воды, чтобы увидеть, как они будут реагировать на повышение уровня моря. «Мы ожидали, что, когда болото начнет погружаться в воду, оно должно быть способно сохранить больше углерода и реально справиться с повышением уровня моря», - говорит Мегонигал. Они думали, что более частое наводнение водой будет поддерживать низкий уровень кислорода в верхнем слое почвы. Это замедлит работу микробов, которые разлагают мертвые корни растений и позволяют накапливать больше почвы.
Но это не то, что случилось. Как маленькие трубки для микробов, корни переносят кислород из воздуха вниз в почву, что означает, что на самом деле не имеет значения, сколько времени почва проводит под водой. Важно то, сколько корней доставляют кислород к микробам. Мегонигаль обнаружил, что чем больше у вас корней, тем больше происходит разложение.
«То, как разложение представлено в моделях, не учитывает влияние растений», - говорит Мегонигал. «Таким образом, наши модели, по большей части, ошибочны, по крайней мере, на основе этого исследования. Нам нужно сосредоточиться на сочетании этих вещей, потому что именно их взаимодействие будет действительно важно для понимания изменения климата ».
Для политиков понимание сочетания факторов, влияющих на выживание водно-болотных угодий, - это больше, чем просто знание того, что произойдет. Активное управление землей станет важной частью стратегий некоторых стран по сдерживанию глобального потепления.
По словам Беркетта из Геологической службы США, это не могло быть более срочным. «[Водно-болотные угодья] естественным образом выделяют метан, но они также хранят миллиарды тонн углерода, и то, как они управляются, влияет на скорость поглощения и выброса углерода».
Сохранение или восстановление естественной гидрологии водно-болотных угодий может повысить их способность накапливать углерод, тогда как преобразование их в сельское хозяйство или в пруд с креветками может привести к выбросу того, что хранится в почве, в виде диоксида углерода.
«Ключевым посланием для политиков является то, что водно-болотные угодья являются сложными системами», - говорит она. «Чтобы улучшить долговременное хранение углерода в этих системах водно-болотных угодий, вы должны понимать биогеохимический круговорот углерода в них. Это научное начинание, которое поможет поддержать обязательства, взятые в Париже странами всего мира ».
То, что ученые узнали в этом полевом проекте, важно не только для будущего водно-болотных угодий, но и для надвигающегося изменения климата, потому что потеря водно-болотных угодий, таких как болота и болота, может выпустить в атмосферу миллионы тонн углекислого газа. (Том Моздзер)
