Table of Contents

Биофизические механизмы изменения климата с помощью растительности

Растительность играет жизненно важную роль в воздействии на климат через сложный набор биофизических механизмов, которые работают в нескольких пространственных масштабах - от отдельных листьев до обширных ландшафтов. Эти процессы отличаются, но дополняют биогеохимическую функцию секвестрации углерода. Наиболее непосредственные и прямые эффекты возникают из-за изменения баланса поверхностной энергии и гидрологического цикла, которые совместно регулируют температуру, влажность и атмосферные условия.

Регулирование температуры с помощью эвапотраспирации и альбедо

Одним из основных способов, которым растительность смягчает местные и региональные температуры, является эвапотранспирация . Этот процесс включает поглощение влаги почвы корнями растений и ее последующее высвобождение в атмосферу в виде водяного пара через устьицы в листьях. Для перехода фазы от жидкой воды к пару требуется энергия, известная как скрытое тепло, которое охлаждает окружающий воздух и поверхность. Например, зрелое дерево может ежедневно пропускать сотни литров воды, производя охлаждающий эффект, сравнимый с несколькими кондиционерами, работающими одновременно.

В дополнение к охлаждению с помощью эвапотранспирации растительность влияет на климат, изменяя поверхность альбедо или отражательную способность поступающего солнечного излучения. Лесные районы, особенно плотные навесы, как правило, имеют более низкое альбедо по сравнению с лугопастбищными угодьями или голой почвой, что означает, что они поглощают больше солнечного света. Это поглощение может увеличить местное потепление; однако во многих умеренных и тропических экосистемах эффект охлаждения от эвапотранспирации перевешивает потепление от более низкого альбедо в течение активного вегетационного сезона. И наоборот, в бореальных регионах, особенно в условиях, покрытых снегом, темные хвойные леса поглощают больше солнечного излучения, чем открытые снежные поля, что приводит к эффекту чистого потепления. Это сложное взаимодействие между альбедо и эвапотранспирацией является активной областью исследований в области климатологии, как подчеркивается в Шестом оценочном докладе IPCC (2021) [[F

Влажность и осадки

Растительность является важнейшим компонентом цикла земной воды. Через глубокие корневые системы растения получают доступ к грунтовым водам и влаге почвы, выпуская ее обратно в атмосферу в виде влажного пара. Этот процесс, часто называемый потоком «зеленой воды», вносит значительный вклад в местные и региональные структуры осадков. Например, тропический лес Амазонки перерабатывает примерно половину своих осадков с помощью эвапотранспирации, создавая самоподдерживающуюся влажную петлю, которая поддерживает его обширное биоразнообразие и климатическую стабильность.

При удалении растительности, например, в результате обезлесения, происходит нарушение процесса переработки влаги, что приводит к уменьшению количества осадков, длительным периодам засухи и изменению региональных климатических режимов. Кроме того, растительность выделяет биогенные летучие органические соединения (БЛОС), которые служат предшественниками ядер конденсации облаков, способствуя образованию облаков и осадкам. Это биологическое влияние на динамику облаков иллюстрирует взаимосвязь между экосистемами и атмосферными процессами.

Ветряки и модификация микроклимата

Растительные структуры, такие как ремни безопасности, изгороди и лесные кромки, способствуют умеренности климата, изменяя ветровые модели и создавая локализованные микроклиматы. Эти вегетативные барьеры снижают скорость ветра на поверхности, что, в свою очередь, снижает эффекты охлаждения ветра и снижает скорость испарения с поверхности почвы и растений. Это регулирование микроклимата особенно полезно в сельскохозяйственных ландшафтах, засушливых зонах и прибрежных районах, где потеря влаги может быть существенной.

За счет уменьшения ветровой эрозии и сохранения влаги почвы ветры улучшают здоровье почвы и урожайность сельскохозяйственных культур. Кроме того, аэродинамическая шероховатость лесных навесов влияет на планетарный пограничный слой, изменяя турбулентность и процессы теплообмена между поверхностью земли и атмосферой. Этот эффект может иметь региональные климатические последствия, включая модуляцию экстремальных температур и влажности.

Городская растительность как инструмент адаптации к изменению климата

Городские районы представляют собой уникальные проблемы для смягчения климата из-за обширных непроницаемых поверхностей, теплопоглощающих материалов и антропогенных выбросов тепла. Эти факторы создают городские тепловые острова (UHIs), где температура значительно выше, чем в окружающих сельских районах. Включение растительности в городской дизайн является эффективной стратегией для противодействия этим эффектам и повышения устойчивости городского климата.

Смягчение эффекта острова тепла в городе

Городские деревья и зеленые крыши обеспечивают затенение, которое непосредственно снижает температуру поверхности, блокируя солнечное излучение. Кроме того, благодаря испарению растительность охлаждает воздух, компенсируя накопление тепла в городах. Исследования, проведенные Программой по сокращению тепловых островов Агентства по охране окружающей среды США , показывают, что увеличение покрова городских деревьев всего на 10% может снизить пиковые летние температуры на 1-3 ° C. Это снижение температуры приводит к снижению спроса на энергию для кондиционирования воздуха, что дает как экономическую экономию, так и сокращение выбросов.

Зеленые крыши и стены также обеспечивают изоляцию зданий, снижая теплообмен и поддерживая более прохладные температуры в помещении. При интеграции с отражающими кровельными материалами и городским планированием, которое максимизирует поток воздуха, зеленая инфраструктура становится мощным инструментом для смягчения UHI и улучшения городской пригодности.

Управление штормовыми водами и очистка воздуха

Растительные районы в городах играют важнейшую роль в управлении ливневыми водами путем перехвата осадков, содействия инфильтрации и сокращения поверхностного стока. Деревянные навесы перехватывают осадки, часть которых испаряется непосредственно обратно в атмосферу, в то время как корневые системы повышают проницаемость почвы и емкость для хранения воды. Это снижает риск городского наводнения и ограничивает транспорт загрязняющих веществ в водные пути.

Кроме того, городская растительность улучшает качество воздуха путем фильтрации загрязняющих веществ, таких как озон, диоксид азота и твердые частицы. Листья захватывают частицы, переносимые по воздуху, и поглощают газообразные загрязнители, что приводит к измеримому сокращению загрязнения воздуха в городах. Например, деревья в крупных городах США могут удалять несколько сотен метрических тонн загрязняющих веществ воздуха ежегодно, способствуя улучшению здоровья дыхательных путей и снижению смертности.

Углеродная секвестрация: от фотосинтеза до долгосрочного хранения

Углеродная секвестрация растительностью является важнейшим естественным процессом, который смягчает изменение климата путем удаления углекислого газа (CO2) в атмосфере и его хранения в биомассе и почвах. Эта биогеохимическая функция представляет собой одно из наиболее эффективных доступных решений в области климата на основе природы.

Процесс фиксации углерода

Фотосинтез является основой секвестрации углерода. Растения поглощают CO2 из атмосферы и используют солнечный свет для превращения его в углеводы посредством ряда биохимических реакций. Кислород выделяется в качестве побочного продукта. Углерод, фиксируемый во время фотосинтеза, выделяется на различные части растений — листья, стебли, корни и репродуктивные структуры, которые составляют биомассу растения.

Чистое первичное производство (NPP) измеряет углерод, удерживаемый растительностью после вычитания количества, потерянного через дыхание растений.Во всем мире наземная растительность генерирует приблизительно 56 миллиардов метрических тонн углерода ежегодно через NPP, формируя основу хранения углерода в экосистемах (]Nature Education, 2014].

Надземные и подземные углеродные бассейны

Углерод секвестрируется в нескольких бассейнах в экосистемах. Наземная биомасса включает стволы, ветви, листья и древесину, которые содержат значительные запасы углерода - леса старого роста могут содержать сотни метрических тонн углерода на гектар. Деревья большого диаметра особенно важны, поскольку они быстро накапливают углерод и менее склонны к разложению.

Подземные углеродные бассейны состоят из корней и почвенного органического вещества, в том числе углерода, переносимого в почву через корневые экссудаты и симбиозы микоризных грибов. Углерод почвы может оставаться стабильным в течение десятилетий или тысячелетий, если он защищен от микробного разложения. Отношение надземного к подземному углероду варьируется в зависимости от типа растительности: луга, например, хранят большую часть своего углерода под землей в обширных корневых системах, в то время как леса, как правило, имеют более высокие надземные запасы углерода.

Почвенная органическая углеродная динамика

Органический углерод почвы (SOC) представляет собой самый большой наземный углеродный резервуар - примерно в три раза больше углерода, присутствующего в атмосфере. Растительность способствует SOC за счет ввода мертвого растительного материала и корневых соединений углерода. Стабильность и накопление SOC зависят от таких факторов, как химическая природа органических входов, минералогия почвы, температура, влага и управление земельными ресурсами.

Практика, которая усиливает корневую биомассу и минимизирует нарушения почвы, такие как сельское хозяйство без дождевого периода, покрытие посевов и агролесоводство, способствуют накоплению SOC. И наоборот, интенсивная обработка почвы, перевыпас, дренаж торфяников и эрозия почвы ускоряют потери углерода, выпуск CO2 обратно в атмосферу и подрывая запасы углерода экосистемы.

Сравнительный потенциал поглощения углерода основными видами растительности

Различные экосистемы значительно различаются по своей способности секвестрировать и хранить углерод. Понимание этих изменений имеет важное значение для информирования приоритетов сохранения, усилий по восстановлению и стратегий смягчения последствий изменения климата.

Леса

Тропические тропические леса являются одной из самых углеродистых экосистем в мире, при этом запасы углерода на поверхности биомассы составляют в среднем от 200 до 300 метрических тонн на гектар. Бореальные леса, при хранении меньше углерода на поверхности, накапливают большие количества в почве органического вещества и торфяных отложений. Умеренные леса занимают среднюю площадь с умеренной плотностью углерода, но более быстрыми темпами роста и оборотом.

Молодые, восстанавливающиеся леса обычно быстро секвестрируют углерод в течение первых нескольких десятилетий роста; однако леса старого роста продолжают действовать как поглотители углерода, хотя и с более медленными темпами. Защита этих зрелых лесов имеет решающее значение, поскольку они служат незаменимыми резервуарами углерода и горячими точками биоразнообразия (]Luyssaert et al., 2008, PNAS].

Грассленды и Саванны

Часто недооцененные, луга хранят более одной трети земного углерода, преимущественно под землей в глубоких, волокнистых корневых системах, которые могут простираться на несколько метров. Эта обширная корневая биомасса делает луга устойчивыми к таким нарушениям, как пожар и засуха. Саванны, характеризующиеся сочетанием трав и рассеянных деревьев, демонстрируют промежуточные запасы углерода, но покрывают обширные территории во всем мире.

Надлежащее управление интенсивностью выпаса и режимами пожаротушения может усилить поглощение углерода в этих системах, способствуя росту корней и хранению углерода в почве. И наоборот, перевыпас и пересыхание земель угрожают этому углеродному бассейну.

Водно-болотные угодья и мангровые заросли

Водно-болотные угодья, мангровые заросли и луга морской травы, которые в совокупности называются экосистемами «голубого углерода», являются одними из наиболее эффективных естественных поглотителей углерода на территории. Плохие по кислороду заболоченные условия замедляют разложение органического вещества, позволяя углероду накапливаться в осадочных породах в течение длительного времени.

Мангровые леса хранят в три-пять раз больше углерода на гектар, чем тропические леса, большая часть которых секвестрирована в глубоких, бескислородных почвах. На торфяниках накапливаются огромные запасы углерода в течение тысячелетий, но дренаж и деградация приводят к быстрым выбросам углерода. Восстановление этих экосистем обеспечивает одни из самых высоких доходов от секвестрации углерода на единицу инвестиций, а также обеспечивает критическую среду обитания для биоразнообразия и защиты прибрежных районов.

Угрозы климатическим службам растительности

Несмотря на их важность, услуги по регулированию климата в области растительности сталкиваются с растущими угрозами со стороны деятельности человека и глобальных изменений окружающей среды, что ставит под угрозу их способность к умеренному климату и накоплению углерода.

Вырубка лесов и изменение землепользования

Обезлесение, особенно в тропических регионах, составляет примерно 10% глобальных выбросов парниковых газов в год. Когда леса очищаются и сжигаются, огромные объемы накопленного углерода быстро выбрасываются в атмосферу. Преобразование лесов в сельское хозяйство или пастбища не только устраняет крупный поглотитель углерода, но часто приводит к экосистемам с уменьшенным долгосрочным потенциалом накопления углерода.

Даже выборочная вырубка леса может сократить запасы углерода в лесах на 30-50%, а фрагментация нарушает местное регулирование климата, изменяя микроклимат и уменьшая испарение. Расширение городов и развитие инфраструктуры еще больше фрагментируют места обитания и ухудшают функции экосистем.

Отзывы об изменении климата

Изменение климата само по себе представляет значительную угрозу для растительности. Повышение температуры, изменение структуры осадков и повышение концентрации CO2 в атмосфере влияют на физиологию растений и динамику экосистем. Хотя удобрение CO2 может повысить рост растений в некоторых контекстах, преимущества часто компенсируются повышенным засуховым стрессом, ограничениями питательных веществ и экстремальными температурами.

Более частые и интенсивные лесные пожары, вспышки вредителей и штормы убивают деревья и выделяют накопленный углерод, потенциально превращая леса из поглотителей углерода в источники углерода, а также сдвиг климатических зон заставляет виды мигрировать, что может снизить способность секвестрации углерода существующей растительности.

Загрязнение и деградация

Загрязнение воздуха, включая осаждение азота и серы в результате промышленной и сельскохозяйственной деятельности, подкисляет почвы и изменяет доступность питательных веществ, нанося вред чувствительным видам растений. Тропосферный озон повреждает ткани листьев, снижает фотосинтезную эффективность и темпы роста. Уплотнение почвы, загрязнение тяжелыми металлами и распространение инвазивных видов еще больше ухудшают здоровье экосистем и снижают потенциал поглощения углерода.

Стратегии повышения роли растительности

Для максимального увеличения климатических выгод от растительности необходим многогранный подход, сочетающий в себе сохранение, восстановление, устойчивое управление и озеленение городов. Эти стратегии также поддерживают сохранение биоразнообразия и благосостояние человека.

Лесопосадка и облесение с местными видами

Восстановление древесного покрова на деградированных землях открывает значительный потенциал для поглощения углерода. Однако крайне важно уделять приоритетное внимание местным видам и разнообразным лесным композициям по сравнению с монокультурными плантациями быстрорастущих экзотических видов, которые часто хранят меньше углерода и поддерживают сокращение биоразнообразия. Усилия по восстановлению должны подчеркивать связь ландшафта и экологическую целостность для повышения устойчивости и функции экосистем.

Глобальные инициативы, такие как Bonn Challenge, направлены на восстановление 350 миллионов гектаров деградированных земель к 2030 году, что представляет собой существенную возможность для смягчения последствий изменения климата и восстановления экосистем.

Агролесоводство и регенеративное сельское хозяйство

Интеграция деревьев в сельскохозяйственные ландшафты посредством силвопастуры, аллейного земледелия и других систем агролесоводства улучшает хранение углерода как в древесной биомассе, так и в почвах.Регенеративные методы ведения сельского хозяйства, такие как возделывание без дождевого периода, покровное земледелие и ротационное выпасание, увеличивают органическое вещество почвы и улучшают здоровье почвы при сохранении или повышении производительности сельского хозяйства.

Эти подходы также уменьшают потребность в синтетических удобрениях и пестицидах, тем самым снижая выбросы парниковых газов, связанные с обычным сельским хозяйством, и содействуя более устойчивому землепользованию.

Зеленая экология и зеленая инфраструктура

Расширение городского полога деревьев, установка зеленых крыш и стен, развитие парков и строительство водно-болотных угодий в городах не только улавливает углерод, но и повышает устойчивость городов к волнам тепла, наводнениям и загрязнению воздуха.Многие города во всем мире приняли генеральные планы городского лесного хозяйства, направленные на увеличение покрова полога, признавая многочисленные социальные, экологические и экономические выгоды.

Зеленая инфраструктура также поддерживает биоразнообразие в городских условиях и улучшает качество жизни жителей, предоставляя места для отдыха и уменьшая шумовое загрязнение.

Сохранение нетронутых экосистем

Сохранение существующих нетронутых лесов, пастбищ, водно-болотных угодий и других природных экосистем имеет решающее значение для сохранения их функций регулирования климата. Усилия по сохранению предотвращают выбросы углерода, связанные с изменением землепользования, и защищают биоразнообразие, которое лежит в основе устойчивости экосистем. Эффективная политика, признание прав коренных народов на землю и устойчивое управление ресурсами способствуют долгосрочному сохранению экосистем.

Защита нетронутых экосистем также обеспечивает защиту гидрологических циклов и микроклиматов, которые имеют важное значение для региональной климатической стабильности и жизнедеятельности человека.