Efectele schimbării categoriei de folosință a terenurilor asupra stocurilor de carbon din sol

Cea mai importantă cauză a schimbărilor climatice globale, ale căror efecte le-am simțit mult mai pregnant în ultimii ani, este creșterea ratelor de emisie a gazelor cu efect de seră în atmosferă. Dioxidul de carbon este gazul cu cea mai mare pondere dintre aceste gaze cu efect de seră. Creșterea concentrațiilor atmosferice de carbon (CO₂) la rate tot mai mari odată cu revoluția industrială se datorează activităților antropogenice (umane).

După oceane, ecosistemele terestre sunt cele mai mari zone de stocare a carbonului. Solul este cea mai mare rezervă de carbon din biosfera terestră care stochează de trei ori mai mult carbon decât cel existent în atmosferă. Chiar și cea mai mică modificare a carbonului din sol afectează carbonul atmosferic deoarece există un flux constant între acesta și atmosferă. În funcție de diferențele dintre categoriile de folosință a terenurilor, există și diferențe între stocurile de carbon ale acestora. Atunci când direcția acestei schimbări de destinație a terenurilor duce la schimbarea fluxului de la sol la atmosferă, cantitatea de gaze cu efect de seră în atmosferă crește.

Schimbarea categoriei de folosință a terenurilor și modificările în acoperirea suprafeței terestre cu plante pot contribui la schimbările climatice prin modificarea echilibrului energetic mondial, precum și prin determinarea unor schimbări climatice [1]. În timp ce mai mult de jumătate din schimbările terestre apar în directă legătură cu activitățile umane, partea rămasă este asociată cu factori indirecți precum schimbările climatice. Modificările induse de om în acoperirea suprafeței terestre sunt de mare importanță pentru structura și funcția ecosistemelor, dar la fel de importante și pentru furnizarea hranei și adăpostului pentru oameni. În acest modul este examinată interacțiunea dintre modificările în utilizarea terenurilor și schimbările climatice.

Efectele Schimbării Categoriei de Folosință a Terenurilor asupra Sechestrării Carbonului

Există incertitudine cu privire la modul exact în care terenurile sunt utilizate pe glob. Pe de altă parte, este un fapt cunoscut că aceste terenuri sunt în mod constant transformate. Există 13 miliarde de hectare de teren non-glaciar în întreaga lume, din care o treime (4,3 miliarde de hectare) constă în pășuni permanente și terenuri agricole [2]. Distribuția zonelor terestre non-glaciare din lume este rezumată în Figura 1.

Figura 1. Estimarea utilizării globale a terenurilor ne-glaciare (adaptare după Breewood și Garnett 2020 [2])

Este bine cunoscut faptul că schimbările stratului care acoperă suprafața terestră pot modifica cantitatea de carbon stocată în sol și, ca urmare, este afectat și carbonul atmosferic. Cu toate acestea, un număr mare de studii care examinează schimbările categoriilor de folosință a terenurilor și stocurile de carbon din sol au arătat că pot exista dezacorduri semnificative cu privire la direcția și magnitudinea schimbărilor care apar ca rezultat al unor modificări ale categoriei de folosință a trenurilor.

În natură, trecerea de la un ecosistem la altul poate avea loc spontan, însă în cea mai mare parte a modificărilor are loc ca urmare a activităților umane. Fiecare sol are o capacitate de transport a carbonului și un conținut de carbon de echilibru în funcție de tipul de plante care cresc pe acesta precum și de caracteristicile climatice ale regiunii [3]. În schimbările categoriei de utilizare a terenului, există diferențe între aportul și pierderile de carbon la nivelul solului care perturbă acest echilibru. La finalul procesului, stocurile de carbon din sol se modifică fie solul fiind sursă, fie depozit de carbon. Există multe studii pe acest subiect.

Într-un articol analizând o parte din aceste studii bazat pe sinteza a 103 publicații noi din 29 de țări, Deng și colaboratorii, [4], au încercat să dezvăluie efectele schimbărilor categoriilor de folosință a terenurilor asupra stocurilor de carbon din sol. Printre concluzii s-a arătat că, în medie, schimbare categoriei de utilizare a terenurilor a redus semnificativ stocurile de carbon din sol (0,39 Mgha^-1an^-1). Alte rezultate găsite de cercetători sunt rezumate în Tabelul 1. În timp ce stocurile de carbon din sol au crescut în tranziția de la terenuri agricole și zone forestiere la pajiști, depozitele de carbon s-au redus în zonele transformate din pășuni și păduri în terenuri agricole. De asemenea, se menționează că stocurile de carbon scad în locurile în care există o tranziție de la pădure la pădure. Cu toate acestea, cercetătorii au raportat că nu au existat schimbări în stocurile de carbon din sol în zonele transformate din terenuri agricole și pajiști în pădure. În plus, rezultatele aceluiași studiu menționează că schimbările în stocurile de carbon fluctuează în timp din cauza modificării utilizării terenurilor.

Tabelul 1. Efectele schimbării destinației terenurilor asupra stocării carbonului

Într-un studiu similar, Dawson și Smith [5] au făcut o comparație a rezultatelor mai multor cercetări și au subliniat în concluziile lor că conținutul de carbon din sol a scăzut odată cu conversia pământurilor forestiere și pășunilor în terenuri agricole, în timp ce creșteri ale carbonului au fost observate în cazul opus. Rezumatul rezultatelor prezentate de acești cercetători din datele obținute sunt prezentate în Tabelul 2.

Tabelul 2. Modificări potențiale ale stocurilor de carbon din sol datorită modificării utilității acestora (adaptare după Dawson și Smith (2007) [5]. Valorile pozitive reprezintă creșteri pe când cele negative indică scăderi ale stocurilor de carbon.)

Așa cum se poate vedea din aceste date, pădurile și pajiștile au o importanță vitală atunci când vine vorba de stocarea carbonului. Considerând zona pe care acestea o acoperă pe glob, putem spune că acestea au un rol esențial în reducerea emisiilor prin asigurarea sechestrării carbonului în ciclul global al acestuia.

Efectele schimbării categoriei de folosință a terenurilor în pășuni

Pajiștile sunt de importanță vitală pentru lume din punct de vedere al biodiversității lor și capacitatea de a preveni eroziunea. În plus, ele se numără printre cele mai importante puțuri de carbon terestre. Zonele de pășune-pajiște sunt unul dintre principalele componente ale ciclului global al carbonului și se estimează că rețin aproximativ 0,5 Pg CO₂ anual, deși există incertitudini în ceea ce privește eficiența și durata ciclului [6]. S-a raportat că stocul de carbon din sol este de 634 Pg, cantitate care cuprinde și vegetația de pe pajiștile și pășunile situate în regiunile climatice tropicale și temperate din întreaga lume [7]. Pajiștile, care sunt un puț important de carbon, au un rol vital în reducerea efectelor schimbărilor climatice.

Transformarea pajiștilor în terenuri agricole este una dintre cele mai mari schimbări de folosință terenurilor, accelerând atât eroziunea solului, cât și pierderea carbonului organic din sol. Deoarece carbonul din sol poate fi eliberat mai ușor în zonele de pajiști care au fost transformate în terenuri arabile, acest lucru cauzează o creștere a carbonului atmosferic. Cu toate acestea, există prea multe variabile care afectează pierderea de carbon organic în astfel de transformări. Într-un studiu care a încercat să dezvăluie efectele schimbărilor categoriilor de folosință a terenurilor asupra stocurilor de carbon din sol printr-o meta-analiză, stocurile de carbon din sol au scăzut cu 10% când s-au transformat de la pajiște la plantație, în timp ce această pierdere a fost de 59% în conversia de la pajiște la câmp agricol. În plus, carbonul organic din sol a crescut cu 8% în zonele transformate de la pădure naturală la pajiște și cu 19% în zonele transformate de la câmp la pajiște [8].

Într-un alt studiu de meta-analiză efectuat prin examinarea a 81 de eșantioane, s-a menționat că carbonul organic din sol a scăzut după transformarea zonelor de pajiște, această scădere având loc la o adâncime a solului de 0-60 cm, la adâncimi mai mari neînregistrându-se nicio modificare [9]. Aceiași cercetători au subliniat că scăderea carbonului organic din sol continuă în timp și atinge un echilibru la sfârșitul unei perioade de 20 de ani. În urma studiului, s-a menționat că pierderea de carbon organic are loc în principal ca urmare a precipitațiilor, modificărilor proprietăților fizice și chimice ale solului și microbiotei acestuia.

În afară de pierderea directă a terenurilor de pășune, este o situație foarte comună în lume ca acestea să-și piardă productivitatea, în special din cauza practicilor greșite. Stocurile naturale de carbon din sol scad în mod natural în zonele afectate în acest fel. Practica cea mai distructivă în acest sens este pășunatul necorespunzător. Observațiile satelitare efectuate în Mongolia, una dintre țările cu cele mai mari pajiști din lume, au arătat că au avut loc pierderi semnificative de biomasă de-a lungul timpului. Scăderea biomasă de aproximativ 60%, ca rezultat al observațiilor făcute pe o perioadă de 21 de ani în aproape întreaga regiune de stepă a țării, este asociată cu scăderea precipitațiilor și creșterea temperaturii, precum și cu creșterea producției de capre din cauza cererii de produse de casmir în țară și pășunatul excesiv rezultat [10].

Va fi posibil să se crească productivitatea în aceste zone cu gestionarea corectă a pășunilor pentru a proteja și îmbunătăți pajiștile. Acest lucru va provoca o creștere a stocurilor de carbon ale pajiștilor, care sunt puțuri de carbon importante. În urma unei examinări făcute pe datele obținute ca rezultat al multor cercetări, s-a afirmat că o creștere a nivelurilor de C cuprinse între 0,105 și 1 Mg per hectar se realizează anual cu o gestionare îmbunătățită a pășunilor, fertilizarea în zonele de pășune șiroase, îmbogățirea pășunilor cu specii leguminoase și irigații [11].

Pășunatul intens crește conținutul de carbon organic din sol cu 6-7% în pajiștile mixte de tip C4 - C3 dominate de plante C4, în timp ce conținutul de carbon organic din sol în pajiștile dominate de plante C3 a arătat o scădere medie de 18% [12]. Cercetătorii au subliniat că pajiștile dominante C3 și C4 prezintă diferențe atât de mari în conținutul de carbon organic din sol legate de pășunat, încât accentul ar trebui să fie pus pe acest aspect.

Pentru a evalua potențialul de stocare a carbonului din soluri, s-au evaluat efectele globale ale practicilor îmbunătățite de gestionare a pășunilor și conversia terenurilor în pășuni prin analizarea rezultatelor a 115 studii [13]. Conform rezultatelor, printre practicile îmbunătățite de gestionare a pășunilor au fost analizate metode precum fertilizarea, gestionarea îmbunătățită a pășunilor, conversia terenurilor arabile în pășuni, utilizarea vegetației naturale, semănatul de leguminoase, irigațiile și încorporarea râmelor, și s-a constatat că conținutul de C din sol a crescut cu gestionarea îmbunătățită în 74% din studii. În timp ce ratele de creștere a sechestrării carbonului au continuat timp de 40 de ani, acestea au fost în general cele mai mari la adâncimea de 10 cm în sol. Ratele de retenție a C în funcție de tipul de remediere variază de la 0,11 la 3,04 MgCha⁻¹an^-1, cu o medie de 0,54 MgCha⁻¹an^-1.

Efectele Diferențelor de Utilizare a Terenurilor în Stocurile de Carbon în Zonele Forestiere

Pădurile sunt unul dintre cele mai importante rezervoare de carbon din ecosistemele terestre, atât în ceea ce privește solul, cât și biomasa. La nivel global, aproximativ jumătate din carbonul reținut pe uscat se găsește în păduri (1146 x 10¹⁵ g), în timp ce 2/3 din această cantitate este reținută în rezervoarele de sol [14]. Solurile contribuie la sechestrarea netă de carbon la nivel global, deoarece cantitatea de carbon care intră anual în sol prin descompunere (61.4 x 10¹⁵g) depășește ușor cantitatea eliberată prin respirație (60 x 10¹⁵ g) [15].

Deși sechestrarea carbonului în sol este un fenomen important în ceea ce privește ciclul global al carbonului, pădurile sunt utilizate și în alte scopuri decât acesta. În prezent, silvicultura este un sector industrial important, fiind de așteptat ca să apară schimbări în rezervoarele de carbon ale pădurilor în funcție de diferitele practici forestiere. Printre acestea se numără tăierea și spațierea arborilor.

Într-o meta-analiză în care au fost analizate și evaluate datele din 432 de locații la nivel global, s-a afirmat că ar putea exista o scădere de 8 ± 3% a carbonului din sol după tăiere, iar această scădere este de așteptat să fie de 30 ± 6% în stratul de frunze [16]. În studiu, s-a menționat că scăderea cantității de carbon ar putea fi diferită în funcție de specia de copaci, în speciile de conifere și rășinoase scăderea fiind a fost în jur de 20%, în timp la foioase a fost în jur de 36%. Cercetătorii au mai afirmat că reducerea carbonului din sol poate varia și în funcție de clasa de sol. În timp ce nu s-a observat nicio schimbare semnificativă în solurile cu conținut scăzut de materie organică, s-a afirmat că scăderea a fost considerabil semnificativă în solurile cu un conținut ridicat de materie organică. De exemplu, în timp ce schimbarea în alfisoluri și spodosoluri nu a fost semnificativă, scăderea conținutului de carbon din sol în inseptisoli și ultisoli a fost de 13% și, respectiv, 7%.

Dispariția zonelor forestiere determină transformarea în surse de carbon a acestor zone, care acționează ca un rezervor de carbon. Anual apar emisii de 2,1 miliarde de tone de CO₂ datorită degradării pădurilor tropicale, din care 53% se datorează producției de lemn, 30% lemnelor de foc și 17% incendiilor de pădure [17].

Într-un studiu efectuat pentru a măsura schimbările nete anuale din ultimii 12 ani (2003 - 2014) în densitatea de carbon deasupra solului reprezentând vegetația din pădurile tropicale ale lumii s-au folosind datele culese prin satelit MODIS, menționându-se că pădurile tropicale ale lumii sunt surse de carbon cu emisii nete anuale de 425,2 ± 92,0 Tg [18]. În studiu, emisia netă de carbon a fost evaluată la 861,7 ± 80,2 TgCan^-1, în timp ce câștigul a fost calculat la 436,5 ± 31,0 TgCan^-1. Cercetătorii au stabilit că creșterea resurselor de carbon obținută se datorează creșterii pădurilor, în timp ce pierderile se datorează defrișării și scăderii ulterioare a densității de carbon în pădurile rămase. Datele obținute în studiu sunt prezentate în Tabelul 3 pentru cele trei continente unde sunt prezente aceste păduri.

Tabelul 3. Modificări în stocurile de carbon deasupra solului (Tg C an ^-1) în pădurile tropicale de pe glob.

În zonele forestiere, modificările stocurilor de carbon organic din sol în funcție de schimbările categoriilor de folosință a terenului sunt inevitabile. Cu toate acestea, există mulți factori care afectează stocurile de carbon organic din sol. De exemplu, într-un studiu care a examinat efectele conversiei de la silvicultură la plantație, s-a raportat că există o schimbare foarte mică în stocurile de carbon din sol într-o pădure cu specii foioase, în timp ce reducerea stocurilor de carbon a ajuns la 15% într-o zonă transformată din specii rășinoase [8]. Modificările stocurilor de carbon au fost afectate și de intensitatea precipitațiilor, pierderi de până la 56% fiind înregistrate în zonele cu precipitații de peste 1500 mm. Pierderea carbonului solului în zonele transformate din pădure în plantație a continuat pe parcursul procesului și s-a constatat că este de 20% stabilizându-se după al patruzecilea an. În rezultatele aceluiași studiu, s-a menționat că pierderea carbonului organic din solurile transformate din pădure în terenuri agricole a fost de 42%, aceasta producându-se în primii 60 cm ai solului.

Într-un alt studiu care a examinat efectul conversiei zonelor agricole în zone forestiere, pinul a fost plantat în zonele anterior cultivate cu cereale și viță de vie. Rezultatele, în care stocarea carbonului în sol a fost determinată prin modelare, au fost împărtășite prin stabilirea plantațiilor de pin [19]. În timp ce s-a raportat că acumularea materiei organice a avut loc în principal în straturile superficiale ale solului, în timpul împăduririi, acumularea anuală de carbon pe metru pătrat a fost de 19 g în zonele cultivate cu viță de vie și 41 g în zonele cultivate cu cereale.

Zonele de mangrove, care constau din arbori și arbuști în zonele de coastă, sunt rezervoare de carbon importante pentru lume, cu un potențial de stocare a carbonului de până la 25,5 milioane de tone pe an [20], și sunt și ele în scădere constantă. Se estimează că între 0,15 și 1,02 miliarde de tone de carbon sunt emise anual din cauza degradării mangrovelor, mlaștinilor și algelor [21].

Modificarea Stocurilor de Carbon Datorită Urbanizării

Datorită urbanizării în creștere, se observă schimbări în acoperișul terenului și, ca rezultat, există pierderi semnificative în rezervele terestre de carbon. Mai ales în zonele mai puțin afectate de expansiunea urbană, pierderile de habitate ating niveluri mai ridicate. Este clar că în ultimii ani s-a înregistrat o urbanizare rapidă la nivel global.

Un studiu a evaluat efectele terenurilor urbanizate asupra dinamicii carbonului în America de Sud pe o perioadă de 63 de ani între 1945 și 2007, utilizând un model dinamic bazat pe procese. În acest studiu s-a calculat că emisia de carbon în atmosferă a fost de 0,21 Pg în această perioadă datorită urbanizării [22]. Potrivit cercetătorilor, tipul vegetației terestre care exista înainte de urbanizare și timpul scurs de la transformarea terenului determină amploarea efectelor urbanizării asupra dinamicii carbonului. După declinul rapid al stocării de carbon în timpul schimbării categoriei de folosință a terenurilor, un ecosistem urban va acumula treptat carbon putând compensa pierderea inițială de carbon în 70-100 de ani. Potrivit cercetătorilor, rata de sechestrare a carbonului a ecosistemului urban scade în timp și aproape că dispare după două secole.

Într-un alt studiu care a încercat să determine efectul urbanizării rapide asupra resurselor terestre de carbon, a fost analizat efectul schimbării categoriilor de folosință a terenurilor asupra rezervoarelor de carbon și emisiilor între 2000 și 2012 în Guangzhou, China [23]. Urbanizarea în orașul Guangzhou a crescut cu 119% în perioada de studiu, iar emisiile de carbon au depășit semnificativ capacitatea de absorbție a carbonului. În timp ce scăderea totală a rezervorului de carbon a fost de 30%, emisiile totale de carbon au crescut de la 13,73 × 10⁶ tone la 39,67 × 10⁶ tone. Cercetătorii au avertizat că politicile statale ar trebui stabili "limita de creștere urbană" și "liniile roșii ecologice" în utilizarea terenului pentru a asigura utilizarea economică a acestuia.

Emisia de carbon în atmosferă din oceane și ecosistemele terestre a devenit o problemă foarte importantă astăzi. Utilizarea terenului este de o importanță majoră în ceea ce privește sechestrarea carbonului în soluri. Pășunile și pădurile au în general un potențial mai mare de sechestrare a carbonului decât terenurile arabile. Evitarea schimbării categoriei de utilizare a terenurilor în cazul în care această schimbare duce la creșterea emisiile nete de carbon în zonele terestre va deveni din ce în ce mai necesară pentru a limita procesul de încălzire globală.

Bibliografie

1. Song, XP., Hansen, MC, Stehman, SV et al. (2018). Global land change from 1982 to 2016. Nature 560, 639–643. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0411-9

2. Breewood, H. & Garnett, T. (2020). What is feed food competition? (Foodsource: building blocks). Food Climate Research Network, University of Oxford DOI: 10.13140/RG.2.2.32463.64161

3. Jobbágy, EG ., & Jackson, RB, (2000). the vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation. Ecol. Appl. 10, 423–436.

4. Deng, L. , Zhu, G., Tang, Z., & Shangguan, Z. (2016). Global patterns of the effects of land-use changes on soil carbon stock - Global Ecology and Conservation, 5, 127–138. doi:10.1016/j.gecco.2015.12.004

5. Dawson, JJ C., & Smith, P. (2007). Carbon loss from soil and its consequences for land use management. Science of The Total Environment, 382(2-3), 165–190. doi:10.1016/j.scitotenv.2007.03.

6. Kalonia, HD ., (2022). The Importance of Pasturelands in Climate Change Mitigation and Adaptation Processes, Journal of Environment, City and Climate. Year: 1. Issue: 1. ss. 128-157.

7. Janzen, H.H. , (2004). Carbon cycling in the earth systems -a soil science perspective, Agriculture, Ecosystems and Environment 104:399-417

8. Guo, L. B., & Gifford, RM (2002). Soil carbon stock and land use change: a meta-analysis. Global Change Biology, 8(4), 345–360. doi:10.1046/j.1354-1013.2002.00486.x

9. Tang, S. , Guo, J., Li, S., Li, J., Xie, S., Zhai, X., Wang, K. (2019). Synthesis of soil carbon losses in response to conversion of grassland to agriculture land - Soil and Tillage Research, 185, 29–35. doi:10.1016/j.still.2018.08.011

10. Liu YY, Evans JP, McCabe MF, de Jeu RAM, van Dijk AIJM, et al. (2013) Changing Climate and Overgrazing are Decimating Mongolian Steppe - PLOS ONE 8(2): e57599. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057599

11. Conant, R. T., Cerri, CEP, Osborne, BB, & Paustian, K. (2017). Grassland management impacts on soil carbon stocks: a new synthesis - Ecological Applications, 27(2), 662–668. doi:10.1002/eap.1473

12. McSherry, M. E., & Ritchie, ME (2013). Effects of grazing on grassland soil carbon: a global review: Global Change Biology, 19(5), 1347–1357. doi:10.1111/gcb.12144

13. Conant, R.T. , Paustian, K., & Elliott, ET (2001). Grassland Management and Conversion Into Grassland: Effects On Soil carbon - Ecological Applications, 11(2), 343–355. doi:10.1890/1051-0761(2001)011

14. Dixon, RK ., Brown, S., Houghton, RA, Solomon, AM, Trexler, MC, & Wisniewski, J., (1994). carbon pools and flux of global forest ecosystems. Science 263, 185–190.

15. Schimel , DS (1995). terrestrial ecosystems and the carbon cycle. Global Change Biology 1, 77–91.

16. Nave, L.E., Vance, ED, Swanston, CW, & Curtis, PS (2010). Harvest impacts on soil carbon storage in temperature forest - Forest Ecology and Management, 259(5), 857–866. doi:10.1016/j.foreco.2009.12.009

17. Pearson, TRH ., Brown, S., Murray, L., & Sidman, G., (2017). Greenhouse gas emissions from tropical forest degradation: an underestimated source. Carbon Balance and Management volume 12, Article number : 3 (2017)

18. Baccini, A., Walker, W., Carvalho, L., Farina, M., Sulla-Menashe, D., & Houghton, RA (2017). Tropical forests are a net carbon source based on aboveground measurements of gain and loss. Science, 358(6360), 230–234. doi:10.1126/science.aam5962

19. Romania, J., Cortina, J., Falloon, P., Coleman, K., & Smith, P. (2000). Modelling changes in soil organic matter after planting fast-growing pinus radiata on Mediterranean agricultural soils. european Journal of Soil Science, 51, 627–641.

20. Ong, JE (1993) Mangroves – a carbon source and sink. Chemosphere 27: 1097–1107.

21. Pendleton, L., Donato, DC, Murray, BC, Crooks, S., Jenkins, WA, Sifleet, S., et al. (2012) Estimating Global “Blue Carbon ” Emissions from Conversion and Degradation of Vegetated Coastal Ecosystems. PLoS ONE 7(9): e43542. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043542

22. Zhang , C. , Tian , H., Chen , G., Chappelka , A., Xu , X., Ren, W., … Lockaby , G. (2012). Impacts of urbanization on carbon balance in terrestrial ecosystems of the Southern United States. Environmental Pollution, 164, 89–101. doi:10.1016/j.envpol.2012.01.020

23. Xu , Q. , Yang , R., Dong , Y.-X., Liu , Y.-X., & Qiu , L.-R. (2016). the influence of rapid urbanization and land use changes on terrestrial carbon sources/sinks in Guangzhou, China. Ecological Indicators, 70, 304–316. doi:10.1016/j.ecolind.2016.05.05