Североамериканские прерии представляют собой обширные лугопастбищные экосистемы, которые играют жизненно важную роль в регулировании климата и хранении углерода. Эти экосистемы, которые когда-то покрывали более 1,5 миллиона квадратных километров по всей территории Соединенных Штатов и Канады, в настоящее время являются одними из наиболее исчезающих биомов на континенте. Их способность секвестрировать углерод в глубоких слоях почвы и влиять на местные и региональные климатические модели делает их незаменимыми в борьбе с изменением климата. Несмотря на давнее пренебрежение и переход к сельскому хозяйству, растущий объем исследований подчеркивает, что защита и восстановление прерийных ландшафтов может принести множество преимуществ: смягчение последствий изменения климата, сохранение биоразнообразия и управление водными ресурсами.

Уникальная роль североамериканских прерий в регулировании климата

Прерии влияют на климат через несколько взаимосвязанных механизмов. Их плотная, глубоко укоренившаяся растительность оттеняет поверхность почвы, снижая температуру почвы в летние месяцы. В отличие от голых сельскохозяйственных полей, которые поглощают и повторно излучают тепло, неповрежденная прерия может понизить температуру поверхности на 5-10 ° C в жаркие дни. Этот охлаждающий эффект простирается за пределы прерии, смягчая эффект городского теплового острова в близлежащих городах и поселках.

Прохождение является еще одним значительным процессом. Травы прерий и форбы активно перекачивают воду из глубины профиля почвы и выделяют ее в виде пара через их листья. Эта влажность повышает атмосферную влажность, что может усилить образование облаков и осадков в регионе. Исследования в Великих равнинах показали, что районы с высоким покрытием прерий испытывают более частые летние осадки, чем прилегающие переделанные земли, явление, связанное с рециркуляции водяного пара.

Прерии также влияют на баланс поверхностной энергии благодаря их высокому альбедо или отражательной способности. Светлоцветные сухие травы в конце лета и зимой отражают больше солнечного света, чем темная, вспаханная почва или асфальт. Это более высокое альбедо уменьшает количество солнечной энергии, поглощаемой на поверхности, что способствует дальнейшему региональному охлаждению. В сочетании с хранением углерода экосистемы прерий предлагают двойное климатическое преимущество: они и улавливают углерод, и отражают больше солнечного света, замедляя скорость потепления.

Общее влияние прерийной растительности на местный климат нелинейно и зависит от ландшафтного контекста.В фрагментированных ландшафтах небольшие прерийные участки могут быть менее эффективными при регулировании температуры и влажности, чем большие, смежные участки.Однако даже восстановленные полосы вдоль обочин дорог или в буферных зонах могут обеспечить значимые микроклиматические преимущества для смежных сельскохозяйственных полей, снижая тепловую нагрузку на культуры.

Почвы прерий как углеродная вонь

Возможно, наиболее важной климатической функцией прерий является их способность хранить углерод в почвах. Североамериканские прерийные почвы, особенно моллизолы центральных Великих равнин, являются одними из самых богатых углеродом сельскохозяйственных почв в мире. Эти глубокие, темные, органически богатые почвы развиваются на протяжении веков под многолетними травами, которые выделяют большую часть своего фотосинтетического продукта корневым системам.

У прерий есть корневые системы, которые могут простираться на 2-4 метра в глубину, с некоторыми видами, достигающими 6 метров. По мере того, как корни умирают и разлагаются, они вносят органическое вещество в профиль почвы на глубине, где кислород ограничен и разложение замедляется. Этот процесс блокирует углерод в течение десятилетий до столетий. Напротив, ежегодные культуры, такие как кукуруза и пшеница, имеют мелкие корневые системы, которые откладывают большинство органического вещества вблизи поверхности, где он быстро разлагается и возвращается в атмосферу в виде углекислого газа.

Оценки показывают, что местные прерийные почвы содержат от 100 до 250 метрических тонн углерода на гектар в верхнем метре, в зависимости от осадков, температуры и истории управления. Это значительно выше, чем 50-80 тонн на гектар, типичных для пахотных земель в том же регионе. Разница представляет собой углерод, который был потерян в атмосфере с тех пор, как прерии были впервые вспаханы в 19-м и 20-м веках.

Сравнительный потенциал поглощения углерода

При рассмотрении секвестрации углерода как стратегии смягчения последствий изменения климата прерии в определенных контекстах предлагают преимущества перед лесами. На лугах хранится большая часть их углерода ниже земли, где он менее уязвим для пожаров, засух и вспышек насекомых, чем надземная биомасса лесов. В сухих частях Великих равнин деревья требуют больше воды и могут не выживать без орошения или дополнительной воды, тогда как местные травы приспособлены к периодической засухе и пожару.

Преобразование пахотных земель в многолетние прерии может восстановить органический углерод почвы со скоростью от 0,5 до 1,5 метрических тонн на гектар в год в течение 20–30 лет, прежде чем достичь нового равновесия. Эта быстрая секвестрация в сочетании с низкими требованиями к управлению местными травами делает восстановление прерий привлекательным вариантом для компенсации выбросов углерода и рынков сельскохозяйственного углерода. Однако постоянство этого накопленного углерода зависит от поддержания многолетней растительности - повторное размещение восстановленной прерии высвобождает большую часть накопленного углерода обратно в атмосферу в течение нескольких лет.

Историческое и современное состояние североамериканских прерий

До европейского поселения прерии занимали около 240 миллионов акров в Соединенных Штатах, от области высокогорных трав на востоке (теперь большая часть Айовы, Иллинойса, Индианы и восточной Дакоты) до регионов короткотрассового и смешанного травяного покрова на западе.В Канаде смешанные травяные и мягкие прерии Альберты, Саскачевана и Манитобы когда-то охватывали десятки миллионов акров.

Преобразование этих земель в сельское хозяйство было быстрым и почти полным. Прерия таллграсса, наиболее продуктивная и биологически разнообразная из типов лугов, была уменьшена более чем на 96%. Менее 4% оригинальных останков травяной прерии, в основном в рассеянных остатках, которые слишком круты, скалисты или влажны, чтобы пахать. Смешанные травы и прерии коротко травы жили несколько лучше; около 30-50% остается в той или иной форме, хотя большая часть этого деградирует из-за чрезмерного выпаса, инвазивных видов и фрагментации дорогами и развитием энергии.

Нынешняя фрагментация и деградация

Сегодня уцелевшие прерии сильно фрагментированы. Отдельные остатки часто составляют менее 100 акров, изолированные матрицей пахотных земель и развития. Эта фрагментация снижает способность прерий регулировать климат в ландшафтном масштабе, ограничивает движение диких животных и делает остатки более уязвимыми для вторжения экзотических видов. Даже крупные общественные луга, такие как в национальных лугах или управляемые Бюро управления земельными ресурсами, часто подвергаются режимам выпаса, которые изменяют состав растений и уменьшают хранение углерода по сравнению с легко или умеренно выпасаемыми местными условиями.

Утрата и деградация прерий продолжается сегодня, хотя и более медленными темпами, чем в 19 веке. Расширение посевов кукурузы и сои для производства биотоплива, разрастание городов и пригородов, а также развитие энергетики (бурение нефти и газа, ветряные электростанции) способствуют постоянной конверсии. В последние десятилетия темпы потери лугов на Великих равнинах превысили темпы тропической вырубки лесов в некоторые годы, в основном из-за цен на сырьевые товары и федеральной сельскохозяйственной политики, которые благоприятствуют посевам рядов над многолетними лугопастбищными угодьями.2

Биоразнообразие и экосистемные услуги, связанные с регулированием климата

Климатические преимущества прерий тесно связаны с их биоразнообразием. Различные растительные сообщества используют ресурсы более эффективно, чем монокультуры, что приводит к более крупным корневым системам и более высокому накоплению углерода в почве. Исследования из Научного заповедника экосистемы Кедровых ручьев в Миннесоте показали, что участки с 16 или более местными видами прерий хранят значительно больше углерода, чем участки только с одним или несколькими видами. Эта функциональная взаимодополняемость - разные виды, укорененные на разных глубинах, с различными фенологиями роста - максимизирует захват солнечного света и воды в течение вегетационного периода.

Опылители и дикая природа

Полевые цветы прерий обеспечивают пчелам, бабочкам и другим опылителям необходимый нектар и пыльцу. Упадок бабочек-монархов, которые полагаются на молочную траву (прерийную форб) для развития личинок, напрямую связан с потерей прерий в центральных Соединенных Штатах и Мексике. Восстановление среды обитания прерий вдоль миграционных коридоров не только поддерживает монархов, но и способствует общему здоровью экосистемы, включая воспроизводство растений, которое поддерживает само сообщество прерий.

Птицы, гнездящиеся на земле, такие как большая курица прерии, курица прерии Аттуотера, находящаяся под угрозой исчезновения, и многие виды воробьев и вьюрков на лугах зависят от больших, нефрагментированных прерий для размножения. Их упадок отражает потерю их среды обитания. Выпасы и управление огнем, при применении таким образом, который имитирует исторические режимы беспорядков, могут поддерживать структурное разнообразие, в котором нуждаются эти птицы.

Качество воды и контроль за наводнениями

Почвы прерий с их высоким органическим веществом и непрерывными корневыми каналами имеют высокие показатели инфильтрации. Дождевая вода впитывается в почву, а не утекает, уменьшая пики наводнений и подпитывая грунтовые воды. Эта функция особенно ценна в сельскохозяйственных водоразделах, где прерии могут быть восстановлены в прибрежных зонах для перехвата сточных вод. Глубокие корни трав прерий поглощают избыток азота и фосфора, не позволяя им достигать ручьев и способствуя цветению водорослей в озерах и мертвой зоне Мексиканского залива. Таким образом, восстановление прерий служит как качеству воды, так и климатическим целям.

Угрозы хранению углерода в прериях и климатической функции

Несмотря на их устойчивость, североамериканские прерии сталкиваются с многочисленными растущими угрозами, которые ставят под угрозу их способность регулировать климат и хранить углерод. Наиболее непосредственным является продолжение преобразования в пахотные земли. Когда прерия вспахивается, органическое вещество почвы, накопленное в течение веков, начинает окисляться и разлагаться. В течение первого десятилетия после преобразования 30-50% первоначального углерода почвы может быть выпущено в атмосферу. Эта потеря углерода практически необратима в человеческих временных рамках - даже если земля позже восстановлена, может потребоваться 50-100 лет для восстановления потерянного углерода.

Инвазивные виды

Инвазивные растения, такие как гладкий бром, кентуккийская блюграсс и листовая сыпь, могут вытеснять местные виды трав. Эти вторжения часто уменьшают глубину корней и вход углерода в почву, потому что захватчики имеют более мелкие корни или различную корневую архитектуру. Например, широко распространенное вторжение холодных сезонных евразийских трав в прерии Великих равнин было связано со снижением органического углерода в почве и изменениями в микробном сообществе, ответственном за разложение. Контроль этих вторжений требует активного управления: предписанный огонь, целенаправленное выпас скота или применение гербицидов, все из которых имеют свои собственные затраты и проблемы.

Отзывы об изменении климата

Изменение климата само по себе представляет прямую угрозу для хранения углерода в прериях. Более теплые температуры увеличивают скорость микробного разложения почвенного органического вещества, потенциально превращая почвы прерий из раковины в источник углерода. Более частые и сильные засухи снижают продуктивность растений, ограничивая поступления углерода от роста корней. В то же время изменения в моделях осадков - более интенсивные осадки, сопровождаемые более длительными сухими периодами - могут ускорить эрозию, смывая верхний слой почвы, богатый углеродом.

Увеличение концентрации CO2 в атмосфере обычно стимулирует рост растений (эффект оплодотворения CO2), но в лугах этот эффект часто ограничивается доступностью азота. Без дополнительного азота польза от оплодотворения уменьшается с течением времени. Кроме того, повышенный CO2 может изменить состав сообщества растений, отдавая предпочтение C3 по сравнению с видами C4, что может изменить глубину корней и структуру распределения углерода способами, которые еще не полностью изучены.

Подавление огня и посягательство Вуди

Исторически прерии поддерживались периодическими пожарами, установленными молнией или коренными народами. Огонь предотвращал посягательство деревьев и кустарников и стимулировал рост местных трав. В современную эпоху подавление огня позволило вторгнуться древесным растениям - особенно восточным редедаром в прериях смешанного травоядного и можжевельника в травоядных травах. Посягательство древесного дерева уменьшает эффект альбедо (темные деревья поглощают больше тепла, чем легкие травы) и сдвигает хранение углерода из стабильных почвенных бассейнов в более уязвимую надземную биомассу. Если эти деревья позже погибают от огня или засухи, углерод, который они удерживают, быстро высвобождается. Восстановление пожарных режимов имеет важное значение для поддержания климатических функций прерий.

Усилия по сохранению и восстановлению: расширение

Признавая ценность прерий для климата и биоразнообразия, появился ряд программ по сохранению и восстановлению. В США Программа сохранения заповедников (CRP) платит фермерам за то, чтобы они вынимали чувствительные сельскохозяйственные земли из производства и сажали их с многолетним покровом, часто с местными травами. Программа зарегистрировала до 36 миллионов акров на своем пике, обеспечивая значительные преимущества секвестрации углерода и среды обитания диких животных. Однако в последние годы количество зарегистрированных сократилось из-за роста цен на сырьевые товары и политического давления, чтобы максимизировать производство.

Проекты по восстановлению ландшафтного масштаба

К более масштабным усилиям относятся инициатива Конференции по пастбищам Америки и Совместное предприятие Северных Великих равнин, которое координирует восстановление в нескольких штатах и канадских провинциях. Целью этих партнерств является защита и соединение больших блоков среды обитания прерий — 500 000 акров или более — для поддержания экологических процессов, таких как пожар и выпас бизонов. В Флинт-Хиллз в Канзасе совместные программы сжигания, известные как «предписанные ассоциации ожогов», позволяют группам землевладельцев проводить безопасные, эффективные ожоги, которые приносят пользу как производительности диапазона, так и биоразнообразию.

Новые технологии также способствуют восстановлению. Семенные дрели, предназначенные для местных видов, точный контроль сорняков с использованием GPS-направляющих опрыскивателей и инновационные методы посадки, такие как «бурение и сжигание» (где поле засажено местными семенами, а затем сожжено следующей весной для снижения конкуренции сорняков), улучшают показатели успеха восстановления прерий. В Канаде План действий по сохранению прерий поставил цель увеличить площадь родной прерии под активным управлением на 20 процентов к 2030 году.

Спазм как инструмент

Выпас скота, когда ему удается имитировать исторические модели выпаса бизонов, может поддерживать структуру прерий и хранение углерода. Ротационные системы выпаса, которые позволяют длительные периоды отдыха между выпасами, способствуют глубокому росту корней и предотвращают чрезмерное использование предпочтительных кормовых видов. Углеродные рынки все чаще признают управляемый выпас в качестве эффективной практики для получения углеродных кредитов, хотя измерение и проверка остаются сложными.

Политика и будущие направления

Чтобы максимизировать климатические выгоды североамериканских прерий, политики должны рассмотреть экономические стимулы, которые стимулируют конверсию. Текущие программы счетов за фермы в США часто благоприятствуют посевам подряд через субсидии и структуры страхования урожая. Смещение этих субсидий для поддержки многолетнего сельского хозяйства, такого как многолетние зерновые культуры (например, Кернза), пастбищные сервитуты и платежи за углерод, может склонить экономический баланс в пользу сохранения прерий.

Углеродные рынки, как добровольные рынки соответствия, предлагают потенциальный новый поток доходов для землевладельцев, которые сохраняют или восстанавливают прерии. В заповеднике климатических действий и Верре есть протоколы для проектов по углеродному землепользованию. Недавнее исследование показало, что если бы была применена цена в 30–50 долларов за метрическую тонну CO2, многие маргинальные сельскохозяйственные угодья в настоящее время подрядных культур стали бы более прибыльными, поскольку восстановленные прерии, особенно в сочетании с сопутствующими выгодами снижения затрат на ввод и улучшение качества воды.3 Однако, проблемы постоянства, дополнительности и утечки должны быть решены, чтобы гарантировать, что эти кредиты высокого качества.

Международный контекст

Сохранение прерий в Северной Америке следует рассматривать в глобальном контексте. На пастбищах во всем мире оказывается аналогичное давление, и многие страны изучают программы сохранения. Десятилетие восстановления экосистем ООН (2021–2030 годы) вызвало интерес к восстановлению лугов, а Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) подчеркнула потенциал поглощения углерода в почве в управляемых лугах. Международное сотрудничество в области источников семян, методов мониторинга и методов учета углерода может ускорить прогресс.

Канада обязалась защищать 30 процентов своих земель и воды к 2030 году, цель, которая включает расширение охраняемых районов в прериях смешанного травы. В США инициатива «Америка прекрасная» направлена на поддержку добровольных усилий по сохранению. Обе страны также имеют двусторонние соглашения, такие как работа Международной совместной комиссии по региону Великих озер, которые косвенно приносят пользу экосистемам прерий посредством управления водными ресурсами и защиты среды обитания.

Заключение

Североамериканские прерии — это не просто живописные ландшафты или остатки ушедшей эпохи; они являются активными, жизненно важными компонентами климатической системы Земли. Их способность хранить огромное количество углерода в глубоких, устойчивых почвах в сочетании с их охлаждающим воздействием на атмосферу предлагает естественное климатическое решение, которое является эффективным и экономически эффективным. Тем не менее эти преимущества находятся под угрозой. Продолжающееся преобразование прерий для сельского хозяйства, вторжение экзотических видов и прямое давление изменяющегося климата угрожают высвобождению углерода, хранящегося там, и уменьшают их регулирующую роль.

Защита оставшихся родных прерий и восстановление деградированных земель в многолетних лугах должны стать более приоритетным направлением в климатической политике. Наука ясна: каждый акр восстановленных прерий является шагом к стабилизации климата, сохранению биоразнообразия и поддержанию сельской экономики. При правильном сочетании стимулов, исследований и совместного управления североамериканские прерии могут снова выполнять свою роль великих углеродных банков континента и регуляторов температуры.

  1. Сандерман и др. (2017), «Доход от углеродного долга в почве 12 000 лет использования земли человеком», Труды Национальной академии наук.
  2. Lark et al. (2015), «Расширение пахотных земель в Соединенных Штатах: растущая угроза для пастбищ и хранения углерода», PLoS ONE.
  3. Фарджоне и др. (2018), «Природные климатические решения для Соединенных Штатов», Science Advances.