Закись азота – один из сильнейших парниковых газов, который образуется в результате жизнедеятельности микробов, обитающих в почвах сельскохозяйственных угодий и сухих болот. По оценкам, на него приходится 6% воздействия на климат, связанного с парниковыми газами, и его доля увеличивается как в результате изменений в землепользовании, так и из-за применения удобрений, которые все чаще используются в сельском хозяйстве.

Достигая стратосферы, веселящий газ разрушает озоновый слой, защищающий Землю от ультрафиолетового излучения. Таким образом, в долгосрочной перспективе он повлияет на жизнь всей планеты. Однако о его происхождении, циклах и процессах воздействия информации пока мало.

Мандер и его рабочая группа в течение многих лет изучали образование и связывание закиси азота в болотах и ​​осушенных торфяниках Эстонии и других стран. Хотя болота покрывают 3–4 процента земной поверхности, они хранят треть всего углерода и почти пятую часть всего азота на Земле.

Ученые, получившие финансирование пятилетнего исследовательского проекта, будут изучать циклы N2O в трех тропических низменных районах, которые, как показывают данные мониторинга, являются горячими точками выброса закиси азота в атмосферу.

• Несколько десятилетий назад на Борнео для создания плантаций масличных пальм осушили множество болот.
• В районе наблюдения в Перу Мандер и его коллеги ранее изучали как естественные пальмовые болота, так и то, что происходит в самовосстанавливающихся лесах на бывших сельскохозяйственных угодьях. В то же время быстрый рост леса помогает сбалансировать выброс веселящего газа.
• Круговорот азота в бассейне реки Конго, крупнейшем в мире тропическом болоте, учеными еще не изучен.

Помимо измерения выбросов N2O из болотной почвы, исследователей также интересует, какую роль в круговороте этого газа играют стволы деревьев и кроны болотных лесов. Для этого на Борнео и в Перу над верхушками деревьев размещают измерительные приборы. Помимо прочего, Мандер и его коллеги хотят точнее выяснить, что происходит в листве тропических деревьев.

Добавление полученных данных к существующим моделям цикла N2O позволяет оценить влияние изменения климата на цикл азота и прогнозировать пики выбросов. Это, в свою очередь, позволяет вносить предложения по дополнению данных, лежащих в основе докладов Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), и корректировать на их основе стратегии землепользования и будущие сценарии.

До сих пор, по словам Мандера, эти стратегии основывались преимущественно на воздействии на климат землепользования, связанного с деятельностью человека, но изменение климата также значительно повлияло на циркуляцию природных экосистем.

В частности, Юло Мандер написал о своем исследовании в июньском номере журнала Universitas Tartuensis.

Движущей силой продолжающегося потепления климата являются уже не ископаемые виды топлива, а изменения в землепользовании и круговороте вещества и энергетического баланса природных экосистем, вызванные самим глобальным потеплением. Это подтверждается тем фактом, что количество важнейшего антропогенного парникового газа — двуокиси углерода (СО2) — в атмосфере Земли постоянно увеличивается, несмотря на ограничения на сжигание ископаемого топлива.

Количество углекислого газа, вызванное сжиганием ископаемого топлива, более чем в десять раз меньше, чем потоки двуокиси углерода между наземными экосистемами и атмосферой. В большинстве моделей общего баланса СО2 выбросы из экосистем, захват и длительное связывание в них принимаются равными, что является неверным предположением. Уже имеется достаточно доказательств того, что улетучивание может быть выше, чем связывание. Таким образом, смещение баланса парниковых газов наземных экосистем в сторону выбросов может изменить общий баланс гораздо сильнее, чем ограничения на использование ископаемого топлива.

Регулировать использование ископаемого топлива по-прежнему необходимо для улучшения состояния окружающей среды, но для предотвращения выбросов парниковых газов необходимо обратить внимание на естественные и затронутые человеком экосистемы. В последние годы появились свидетельства того, что естественные экосистемы все чаще выделяют другие опасные парниковые газы, помимо CO2: метан (CH4) и закись азота (N2O), которые оказывают, соответственно, в 28 и 273 раза более мощный парниковый эффект, чем двуокись углерода.

С одной стороны, это свидетельствует о том, что большинство наземных экосистем уже пострадали от изменения климата и стали источником парниковых газов. С другой, это также означает увеличение значения природных территорий, находящихся под влиянием человека, во всем процессе потепления климата.

Огромное количество углерода накопилось в торфяных болотах

Лучшим примером таких затронутых человеком экосистем, которые также могут считаться наиболее уязвимыми, являются торфяные болота и другие экосистемы водно-болотных угодий. Торфяные болота занимают всего около 3–4 процентов суши, но в них хранится треть органического углерода земной поверхности — или около трех триллионов тонн, и почти десять процентов азота.

Естественные торфяные болота, как правило, являются слабыми поглотителями СО2, потому что рост торфа происходит медленно, а накопление углерода занимает тысячи лет. В природных болотах закись азота связана, а метан улетучивается из-за анаэробных условий. При осушении торф быстро разлагается, выделяя большое количество CO2 и N2O, но несколько снижая улетучивание CH4.

По приблизительным подсчетам около десяти процентов торфяников теряется из-за осушения или добычи торфа. Влияние водного режима, осушения или усиления засух учитывается редко, однако они увеличивают долю нарушенных торфяников почти до 50%. Согласно комплексным исследованиям, 46% торфяников в Европе нарушены и, если пренебречь восстановлением, они полностью исчезнут.

Недавно опубликованные исследования Института экологии и наук о Земле Тартуского университета о микроорганизмах, участвующих в круговороте азота болот мира, показывают, что почти все изученные болота, в том числе естественные, страдали от засухи в течение более длительного или более короткого периода времени. Это подтверждается увеличением доли кислородлюбивых микробов в процессах круговорота азота.

В сухом болоте уровень воды падает и верхний слой торфа обогащается кислородом. Это способствует разложению органических веществ, а также более интенсивному улетучиванию веселящего газа. Более сухой характер большинства естественных болот, вероятно, связан с углублением и более частыми засухами. Подобно торфяным болотам, остальные водно-болотные угодья мира находятся под угрозой по тем же причинам.

На восстановление болот и низменностей уходят десятилетия

Для того чтобы остановить дальнейшее высыхание болот, одних защитных мер недостаточно, все большее значение приобретает и их восстановление. Эта работа широко проводилась в Европе, Северной Америке и Юго-Восточной Азии. Несколько проектов фундаментальных и прикладных исследований, направленных на устойчивое восстановление болот, только что стартовали в рамках программы исследований и инноваций Европейского союза "Европейский горизонт". Однако здесь необходимо упомянуть два факта.

Во-первых, восстановление — это очень трудоемкий процесс. Его продолжительность также зависит от поставленной цели. Если мы хотим восстановить прежние болота и топи, то могут пройти десятилетия, прежде чем торфообразующая растительность — в северных странах в основном сфагнумы и скошенные травяные растения – достигнут устойчивого роста и начнут влиять на производство торфа.

Более быстрый метод — выращивание болотных культур, таких как осока, клюква и торфяной мох, которые, по крайней мере, останавливают разрушение торфа и позволяют медленно образовываться новому.

Одним из возможных путей является восстановление болотных лесов. Однако здесь необходимо подчеркнуть, что лесохозяйственное восстановление болот, одной из предпосылок которого является продолжение осушения, действительно обеспечивает успешный рост деревьев, хозяйственный доход и даже поступление углерода в почву через надземное гниение деревьев и корней, но в этих условиях образование торфа практически прекращается.

При этом из богатой органикой почвы все равно уходит СО2, а также добавляется выщелачивание органического углерода, растворенного в воде. В восстановленных заболоченных лесах, где уровень грунтовых вод поддерживается на высоком уровне, возможна долгосрочная консервация и регенерация торфа, но экономическая отдача от лесов практически отсутствует.

Одним словом, как раз восстановить болота умеренных и высоких широт поможет регулирование уровня воды. Это справедливо как для Северного полушария, где находится большая часть болот, так для южного, где болот сравнительно мало.

В умеренном климате торфяные болота могут исчезнуть

В последние месяцы в ЕС разгорелись громкие дебаты между лесоустроителями и реставраторами болот по поводу традиционного облесения и восстановления болот с более высоким уровнем воды. Это также затормозило принятие законодательных решений ЕС по восстановлению экосистем.

Одним из аргументов представителей лесного хозяйства является накопленный за последние годы набор данных, в основе которого лежит краткосрочный баланс потоков СО2 между атмосферой и наземными экосистемами, измеряемый очень точными методами. Они доказывают, что леса, созданные на осушенных и восстановленных торфяниках, также в краткосрочной перспективе поглощают углерод. Однако данные охватывают слишком короткий период времени, чтобы судить о долговременном поглощении углерода почвой (или торфом в случае торфяников).

По мере продолжения дренажа через длительное время торф минерализуется, и на его месте остается изначально богатая минералами почва, где лес может хорошо расти и надолго связывать углерод. Однако земля, на которой растет этот лес, уже не торф, а минеральная почва с меньшим содержанием углерода. С каждым новым циклом вырубки минерализация торфа, вероятно, будет усиливаться.

Так, крупные торфяные болота в Западной и Центральной Европе и Северной Америке со временем были залесены, и при сохранении этой тенденции торфяники могут полностью исчезнуть во всей умеренной зоне. В тропиках регенерация полей и насаждений, построенных на месте бывших заболоченных лесов, может быть более успешной, так как торф там образуется из деревьев и процесс торфообразования также идет быстрее.

Ученые изучают восстановление торфяников в тропических лесах

Устойчивое восстановление водно-болотных угодий важно не только для регулирования баланса углерода и азота, но и для сохранения биоразнообразия. Поэтому важно их дальнейшее исследование как в других частях мира, так и здесь, в Эстонии.

В последние годы ученых кафедры географии Тартуского университета также заинтересовали болота из других частей света, особенно тропические, которые являются основными очагами (горячими точками) парниковых газов на Земле, но которые пока мало изучены. В рамках меры Европейского союза Twinning стартовал проект LiWeFor (руководитель Юло Мандер), в котором участвуют исследователи из Тартуского университета, Хельсинкского университета и Технологического института Карлсруэ, а также Перуанский научно-исследовательский институт Амазонки, Перуанский государственный университет Амазонки и Саравакский научно-исследовательский институт тропических болот, расположенный в Малайзии.

Исследование направлено на изучение баланса парниковых газов и потенциального восстановления деградировавших болот в низинах Амазонки и на острове Борнео. Дальнейшая цель проекта — создание глобальной сети лабораторий по изучению болотных лесов, в которой помимо ученых будет задействовано местное сообщество.

В торфяниках, как и в большинстве наземных экосистем, находящихся под влиянием человека, очень трудно ограничить улетучивание парниковых газов. Изменение водного режима для восстановления болот возможно с большими затратами, но смягчение последствий частых засух, вероятно, слишком дорого.

Более реалистичной является стратегия адаптации, которая, по крайней мере, помогла бы сбалансировать парниковые газы наземных экосистем и замедлить потери CO2, даже если это означает принятие минерализации и многолетних потерь торфа — особенно в районах, где поддержание уровня воды слишком сложно и дорого, и потому облесение торфяников является наиболее оптимальным решением.

В тропиках возможности восстановления болот почти не изучены, но теоретически в некоторых местах оно может быть успешным. Альтернативой лесу было бы использование торфяных участков в качестве пастбищ.

Наконец, небольшой спекулятивный проблеск надежды: появление болот на обширных тундровых территориях с потеплением климата может ускориться, что в глобальном масштабе заменит или дополнит исчезающие торфяники. Но мы до сих пор не можем преодолеть один фактор — время восстановления болот. Для этого краткосрочная перспектива от нескольких десятилетий до ста лет должна быть дополнена долгосрочной стратегией.

Статья была опубликована в июньском номере журнала Universitas Tartuensis.