為什麼樹木不足以抵消社會的碳排放

為什麼樹木不足以抵消社會的碳排放
熱帶雨林在南美。
Shutterstock /婆羅洲

2009年的一個早晨,我坐在一輛破舊的公共汽車上,沿著哥斯達黎加中部的一個山腰蜿蜒而行,當我抓著我的許多行李箱時,頭頂上冒著柴油煙霧。 他們裝有成千上萬的試管和样品瓶,牙刷,防水筆記本和兩件更衣。

我在去的路上 拉塞爾瓦生物站在這兒,我要花幾個月的時間研究潮濕的低地雨林對日益普遍的干旱的反應。 在狹窄的高速公路的兩旁,樹木像水彩紙上的紙一樣滲入薄霧,給人一種無限的原始森林被雲朵浸沒的印象。

當我凝視著窗外的壯麗景色時,我想知道我怎麼能希望理解如此復雜的風景。 我知道世界各地成千上萬的研究人員都在為同樣的問題而苦苦掙扎,試圖了解瞬息萬變的世界中熱帶森林的命運。我們的社會對這些脆弱的生態系統提出了很高的要求,這些生態系統控制著數百萬人的淡水供應,回家 三分之二 地球陸地生物多樣性。 越來越多地,我們對這些森林提出了新的要求-使我們免受人為引起的氣候變化的影響。

植物從大氣中吸收二氧化碳,將其轉化為葉子,木材和根。 這個每天的奇蹟激發了 希望 這些植物-特別是快速生長的熱帶樹木-可以作為應對氣候變化的天然制動器,捕獲化石燃料燃燒所排放的大部分CO XNUMX。 在世界各地,政府,公司和保護慈善組織已承諾保護或種植 大規模 樹木數量

但事實是,沒有足夠的樹木來抵消社會的碳排放-而且永遠也不會。 我最近進行了 檢討 可用的科學文獻中評估碳森林可以吸收多少碳。 如果我們絕對最大化地球上所有土地可以容納的植被數量,那麼我們將固存足夠的碳,以目前的速度抵消大約十年的溫室氣體排放量。 在那之後,可能有 沒有進一步的 增加碳捕獲量。

然而,我們物種的命運與森林的生存和森林的生存密不可分。 生物多樣性 他們包含。 通過急於種植數以百萬計的樹木進行碳捕獲,我們是否會無意中破壞使它們對我們的福祉至關重要的森林特性? 要回答這個問題,我們不僅需要考慮植物如何吸收CO XNUMX,還需要考慮它們如何為陸地生態系統提供堅固的綠色基礎。

植物如何應對氣候變化

植物通過稱為“過程”的方式將二氧化碳氣體轉化為簡單的糖 光合作用。 這些糖然後被用來建造植物的生物體。 如果捕獲的碳最終變成木材,則可以將其與大氣隔離數十年之久。 當植物死亡時,它們的組織會腐爛並整合到土壤中。


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儘管此過程通過微生物的呼吸(或呼吸)分解死亡的生物而自然釋放出二氧化碳,但植物碳的一部分仍可在地下保留數十年,甚至什至 幾個世紀。 陸地植物和土壤共同存在 2,500千兆噸 碳-是大氣中碳的三倍多。

因為植物(尤其是樹木)是碳的極好天然倉庫,所以有意義的是,增加世界各地植物的豐富度可以降低大氣中的CO XNUMX濃度。

植物需要四種基本成分才能生長:光,CO XNUMX,水和養分(例如氮和磷,與植物肥料中存在的元素相同)。 世界各地成千上萬的科學家研究了植物生長與這四種成分之間的關係,從而預測了植被如何應對氣候變化。

鑑於人類正在通過加熱地球,改變降雨方式,將大片森林砍成微小碎片並引入不屬於它們的外來物種,從而同時改變自然環境的許多方面,這是一項令人驚訝的挑戰性任務。 陸地上還有超過350,000萬種開花植物,每一種都以獨特的方式應對環境挑戰。

由於人類的複雜方式 改變 這個星球上,有很多科學 辯論 關於植物可以從大氣中吸收的精確碳量。 但是研究人員一致認為,土地生態系統具有有限的吸收碳的能力。

為什麼樹木不足以抵消社會的碳排放碳儲存在英國典型的溫帶森林中。 英國森林研究, CC BY

如果我們確保樹木有足夠的水可飲用,那麼森林將長高茂盛,形成遮蔭的樹冠,使較小的樹無法忍受。 如果我們增加空氣中的CO XNUMX濃度,植物將急切地吸收它-直到它們無法從土壤中提取足夠的肥料來滿足其需求為止。 就像麵包師做蛋糕一樣,植物按照特定的生活習慣需要特定比例的CO XNUMX,氮和磷。

認識到這些基本限制,科學家估計地球的陸地生態系統可以容納足夠的額外植被,以吸收 40和100 大氣中的十億噸碳。 一旦實現了這種額外的增長(這一過程將需要數十年的時間),就沒有能力在陸地上進行額外的碳存儲了。

但是我們的社會目前正在將二氧化碳排放到大氣中 一個速率 每年十吉噸的碳。 自然過程將難以跟上全球經濟產生的大量溫室氣體的步伐。 例如,我計算出,從墨爾本到紐約的往返航班上的一位乘客的排放量大約是原來的兩倍 (1600 kg C) 橡木 直徑為半米(750公斤C)的樹。

危險與承諾

儘管所有這些公認的物理限制都對植物生長產生了限制,但仍在進行大量的大規模努力來增加植被覆蓋度,以緩解氣候緊急情況-所謂的“基於自然的”氣候解決方案。 這 廣大 多數 這些 努力 重點在於保護或擴大森林,因為樹木的生物量比灌木或草叢高出許多倍,因此具有更大的碳捕獲潛力。

然而,關於陸地生態系統捕集碳的基本誤解可能造成毀滅性後果,導致生物多樣性喪失和二氧化碳濃度增加。 這似乎是一個悖論–如何種樹 負面影響 環境?

答案在於自然生態系統中碳捕獲的微妙複雜性。 為了避免環境破壞,我們必須避免建立自然不屬於他們的森林,避免“有害動機”砍伐現有森林以種植新樹木,並考慮今天種植的幼苗在未來幾十年中將如何發展。

在擴大森林棲息地之前,我們必須確保將樹木種植在正確的地方,因為並非土地上的所有生態系統都可以或應該支持樹木。 在通常以其他類型的植被為主的生態系統中植樹 經常失敗 導致長期的碳固存。

一個特別說明性的例子來自蘇格蘭 放量 –大片土地,低窪的植被(主要是苔蘚和草)生長在不斷潮濕的潮濕土地上。 由於在酸性和浸水的土壤中分解非常緩慢,因此死植物會在很長一段時間內積累,從而形成 泥炭。 不僅保留了植被,泥炭沼澤還使所謂的“沼澤體”-幾千年前去世的男女幾乎完整的遺體。 實際上,英國泥炭地包含 20倍 碳比國家森林中的碳還要多。

但是在20世紀後期,一些蘇格蘭沼澤被排幹用於植樹。 乾燥土壤可以使樹苗生長,但也導致泥炭的腐爛加速。 生態學家 妮娜·弗里根斯(Nina Friggens) 和她在埃克塞特大學的同事 預計 乾燥泥炭的分解釋放出的碳比生長中的樹木吸收的更多。 顯然,將泥炭地放在自己的設備上可以最好地保護氣候。

草原和熱帶稀樹草原也是如此,那裡的大火是自然的一部分,而且經常發生大火。 燒樹 種植在不屬於他們的地方。 這個原則也適用於 北極苔原整個冬季,當地的植被都被白雪覆蓋,將光和熱反射回太空。 在這些地區種上高大的黑葉樹木可以增加對熱能的吸收,並導致局部變暖。

但是,即使在森林棲息地中種樹也會導致負面的環境後果。 從固碳和生物多樣性的角度來看,所有森林都不平等–天然林比動植物林包含更多的動植物種類。 它們通常也含有更多的碳。 但是旨在促進植樹的政策會無意間刺激完善的自然棲息地的毀林。

最近的一個引人注目的例子涉及墨西哥政府的 森布蘭多·維達(Sembrando Vida) 計劃,向種植土地的土地所有者直接付款。 問題? 許多農村土地所有者砍伐了根深蒂固的老林,種下了幼苗。 從經濟的角度來看,這一決定雖然很明智,但卻導致成千上萬公頃的成熟森林遭受損失。

該示例說明了將樹木狹窄地用作碳吸收機的風險。 許多善意組織尋求植樹 增長最快的,因為從理論上講這意味著從大氣中“抽取”二氧化碳的速率更高。

但是,從氣候角度來看,重要的不是樹的生長速度,而是成熟時碳的含量以及碳在生態系統中的存留時間。 隨著森林年齡的增長,達到了生態學家所說的“穩定狀態” –這是每年樹木吸收的碳量與通過樹木釋放的二氧化碳完美平衡的時候。 植物的呼吸 自身和地下的數万億個分解器微生物。

這種現象導致了一種錯誤的認識,認為舊森林不再能迅速生長並隔離更多的CO XNUMX,因此對緩解氣候不利。 該問題的誤導性“解決方案”是在保護已經建立的森林之前優先考慮植樹。 這類似於排幹浴缸,以便可以完全打開水龍頭:水龍頭的水流量比以前大了-但是水浴的總容量沒有改變。 成熟的森林就像充滿碳的浴缸。 它們為可鎖定在陸地上的大量但有限的碳做出了重要貢獻,而乾擾它們幾乎無濟於事。

如果快速生長的森林每隔幾十年被砍伐並重新種植,而提取的木材用於其他氣候變化用途,情況又如何呢? 如果將採伐的木材最終用於長壽命產品(例如房屋或其他建築物),則可以很好地存儲碳,但令人驚訝的是,木材很少 以這種方式使用.

同樣,燃燒木材作為生物燃料的來源,如果能減少化石燃料的總消耗量,則可能對氣候產生積極影響。 但是作為生物燃料種植園進行管理的森林幾乎沒有提供保護 生物多樣性 和一些研究 問題 首先是生物燃料對氣候的好處。

施肥整個森林

科學估算土地生態系統中的碳捕集取決於這些系統如何應對未來幾十年內將面臨的日益嚴峻的挑戰。 地球上的所有森林,即使是最原始的森林,也容易受到變暖,降雨變化,日益嚴重的野火以及通過地球大氣流漂移的污染物的影響。

但是,其中一些污染物含有大量的氮(植物肥料),這可能會給全球森林帶來增長的動力。 通過生產大量的農藥和燃燒化石燃料,人類已經 增加 可用於植物的“反應性”氮量。 這些氮中的一部分溶解在雨水中,並到達林地,在那裡 刺激 一些地區的樹木生長。

作為一名剛從研究生院畢業的年輕研究員,我想知道是否存在一種未被充分研究的生態系統,即 季節性乾燥 熱帶森林,可能對此反應特別敏感。 只有一種方法可以找出:我需要給整個森林施肥。

與我的博士後顧問,生態學家合作 詹妮弗·鮑爾斯和專家植物學家丹尼爾·佩雷斯·阿維雷斯(DanielPérezAvilez)一起,我勾勒出森林面積,大約有兩個足球場,並將其分成16個地塊,並隨機分配給不同的肥料處理。 在接下來的三年(2015-2017年)中,該地塊成為地球上研究最深入的森林碎片之一。 我們使用稱為“測樹儀”的專門手工製作的儀器來測量每個單獨的樹幹的生長。

我們用籃子撿起從樹上掉下來的枯葉,並在地面上安裝了網眼袋,以追踪根系的生長,這些根係經過艱苦的沖洗而沒有土壤並稱重。 實驗中最具挑戰性的方面是肥料本身的施用,該肥料每年發生XNUMX次。 我們穿著雨衣和護目鏡來保護我們的皮膚免受腐蝕性化學物質的侵害,我們將後置式噴霧器拖入茂密的森林中,以確保在我們在橡膠大衣下流汗時將化學藥品均勻地塗抹在森林地面上。

不幸的是,我們的設備無法抵禦憤怒的黃蜂,因為黃蜂的巢通常隱藏在懸垂的樹枝中。 但是,我們的努力是值得的。 三年後,我們可以計算出每個樣地中產生的所有葉子,木材和根,並評估研究期內捕獲的碳。 我們 發現 森林中的大多數樹木沒有從肥料中受益-相反,生長與特定年份的降雨量密切相關。

這表明只要乾旱持續,氮污染就不會促進這些森林的樹木生長。 強化。 為了對其他森林類型(乾燥或乾燥,較年輕或較舊,較溫暖或較冷)做出相同的預測,需要重複進行此類研究,並將其添加到數十年來通過類似實驗開發的知識庫中。 然而,研究人員正在與時間賽跑。 像這樣的實驗是緩慢的,艱苦的,有時是艱鉅的工作,並且人類改變地球的面貌的速度超過了科學界所能做出的反應。

人類需要健康的森林

支持自然生態系統是應對氣候變化所需戰略的重要工具。 但是土地生態系統將永遠無法吸收化石燃料燃燒釋放的碳量。 而不是被迷惑於虛假的自滿 植樹計劃,我們需要從源頭上減少排放,並尋求其他策略來消除已經累積在大氣中的碳。

這是否意味著當前保護和擴大森林的運動不是一個好主意? 重點不是。 保護和擴大自然棲息地,特別是森林,對於確保我們星球的健康絕對至關重要。 溫帶和熱帶地區的森林含有 陸地上每十個物種中就有一個受到威脅,但它們正面臨越來越多的威脅。 幾乎 一半 地球上可居住的土地專用於農業,而用於耕地或牧場的森林砍伐仍在繼續。

同時,由氣候變化引起的大氣混亂正在加劇野火,加劇乾旱,並有系統地加熱地球,對森林及其所支持的野生動植物構成日益嚴重的威脅。 這對我們的物種意味著什麼? 研究人員一次又一次地證明 強有力的聯繫 在生物多樣性和所謂的“生態系統服務”之間-自然界為人類帶來的眾多利益。

碳捕集只是眾多清單中的一項生態系統服務。 生物多樣化的生態系統提供了令人眼花array亂的藥物活性化合物, 啟發 新藥的創造。 它們以直接(例如,數以百萬計的主要蛋白質來源為野生魚類的人)和間接(例如,大部分農作物為 授粉的 野生動物)。

自然生態系統和居住在其中的數百萬種物種仍在激發著革新人類社會的技術發展。 例如,進行聚合酶鏈反應(“PCR”),這樣犯罪實驗室就可以抓獲罪犯,並且您當地的藥房可以提供COVID測試。 僅由於生活在溫泉中的謙卑細菌合成的特殊蛋白質才可能進行PCR。

作為一名生態學家,我擔心對森林在減緩氣候變化中作用的過於簡單的看法會無意間導致森林的衰落。 許多植樹工作著重於種植的樹苗數量或其初始生長速率,這兩者都是森林最終碳儲存能力的較差指標,甚至是生物多樣性指標均較差的指標。 更重要的是,將自然生態系統視為“氣候解決方案”會給人以誤導的印象,即森林可以起到無限吸水拖把的作用,以清除不斷增加的人類造成的CO XNUMX排放。

幸運的是,許多致力於森林擴張的大型組織正在將生態系統健康和生物多樣性納入其成功指標。 一年多以前,我參觀了墨西哥尤卡坦半島(YucatánPeninsula)進行的一次大規模的造林實驗, 工廠換的行星 –世界上最大的植樹組織之一。 在認識到大規模生態系統恢復固有的挑戰之後,“以植物造林”計劃發起了一系列實驗,以了解森林發育早期的不同干預措施如何提高樹木的生存率。

但這還不是全部。 科學總監領導 利蘭·沃登(Leland Werden),該站點的研究人員將研究這些相同的做法如何通過提供理想的種子萌發和森林生長環境來促進本地生物多樣性的恢復。 這些實驗還將幫助土地管理者確定何時何地種植樹木有益於生態系統,以及何處自然發生森林再生。

將森林視為生物多樣性的儲存庫,而不是簡單的碳庫,會使決策複雜化,並可能需要改變政策。 我非常意識到這些挑戰。 我一生都在研究和思考碳循環,有時我也看不見森林。 幾年前的一個早晨,我坐在哥斯達黎加的熱帶雨林地上,測量土壤中的CO XNUMX排放量-這是一個相對耗時且耗時的過程。

在等待測量結束時,我發現了一隻草莓毒箭蛙(一種像我的拇指一樣大小的寶石般明亮的小動物)在附近一棵樹的樹幹上跳來跳去。 對此我很感興趣,我看著她朝著尖尖的植物的葉子中的一小池水前進,其中有幾隻id無所事事地游著。 青蛙到達這個小型水族館後,小t(原來是她的孩子們)興奮地振動,而他們的母親則將未受精的卵留給他們食用。 後來我了解到,這種青蛙臭豆)要非常小心地照顧自己的後代,每天都會重複母親的漫長旅程,直到the變成青蛙。

當我收拾好設備返回實驗室時,我想到了成千上萬的此類小型戲劇在我周圍並行播放。 森林不僅僅是碳儲存庫。 它們是令人難以置信的複雜的綠色網,將數百萬種已知物種的命運結合在一起,還有數百萬種仍在等待發現。 為了在急劇的全球變化的未來中生存和繁榮,我們將不得不尊重那些糾結的網絡及其在網絡中的地位。

關於作者

邦妮·沃林(Bonnie Waring),格蘭瑟姆研究所-氣候變化與環境高級講師, 英國倫敦帝國學院

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