Утицај промена коришћења земљишта на садржај угљеника у земљишту

Највећи разлог глобалних климатских промена, чије смо ефекте последњих година много јасније осетили, јесте повећање стопе гасова стаклене баште у атмосфери. Угљен-диоксид је гас са највећим процентом ових гасова стаклене баште. Пораст концентрације атмосферског угљеника (CO2) по растућим стопама након индустријске револуције је последица антропогених фактора (људских активности).

После океана, копнени екосистеми су највећа подручја складиштења угљеника. Земљиште је највећа резерва угљеника у земаљској биосфери и чува три пута више угљеника од атмосферског угљеника. Чак и најмања промена угљеника у земљишту утиче на атмосферски угљеник јер постоји сталан проток између атмосфере и угљеника у тлу. У зависности од разлика у коришћењу земљишта, мења се и угљеник у залихама земљишта. Када је правац ове промене од тла ка атмосфери, количина атмосферских гасова стаклене баште се повећава.

Промене у коришћењу земљишта и површинског покривача могу да допринесу климатским променама утичући на светску енергетску равнотежу, као и утицај климатских промена. Док се више од половине промена земљишта дешава директно људским активностима, преостали део је повезан са индиректним факторима као што су климатске промене [1]. Промене површинског покривача изазване човековом активношћу су од великог значаја за структуру и функцију екосистема, али пођеднако важне и за обезбеђивање хране и склоништа за људе. У овом модулу се испитује интеракција између промена коришћења земљишта и климатских промена.

Ефекти различитих употреба копненог земљишта на усвајање угљеника

Постоји неизвесност о томе како се тачно користи земља на планети. С друге стране, позната је чињеница да се ова земљишта стално трансформишу. Широм света постоји 13 милијарди хектара неглацијалног земљишта, од чега једну трећину (4,3 милијарде хектара) чине трајни травњаци и пољопривредно земљиште [2]. Генерално, пропорционална дистрибуција неглацијалних копнених подручја у свету покушана је да се сумира на слици 1

Слика 1. Процена глобалног коришћења неглацијалног земљишта (прилагођено из Breevood i Garnett 2020 [2])

Одавно је познато да промене у површинском покривачу земље могу променити количину угљеника ускладиштеног у тлу, и као резултат тога, атмосферски угљеник може бити погођен. Међутим, велики број студија које испитују промене у промени коришћења земљишта и залихама Ц у тлу су показале да могу постојати значајна неслагања око правца и величине промене која се јавља као резултат неких разлика у употреби.

Прелазак из једног екосистема у други може се десити спонтано у природи, али углавном као резултат људских активности. Свако земљиште има капацитет ношења угљеника и равнотежни садржај угљеника у зависности од врсте биљака на њему и климатских карактеристика региона [3]. У променама коришћења земљишта, постоје разлике у уносу и излазу угљеника у земљиште и ова равнотежа је нарушена. На крају процеса, залихе угљеника у тлу ће се променити или као извор угљеника или као понор угљеника. Постоји много студија на ову тему.

У студији коју су урадили Deng и сар., [4], на основу синтезе 103 нове публикације из 29 земаља, покушали су да открију ефекте промена коришћења земљишта на залихе угљеника у земљишту. У својим резултатима они су навели да су као општи просек трансформације коришћења земљишта значајно смањиле залихе угљеника у земљишту (0,39 Mg.ha-1.год-1). Остали резултати које су истраживачи пронашли су сумирани у табели 1. Док су се залихе угљеника у тлу повећале у преласку са пољопривредног земљишта и шумских површина на ливадске пашњаке у залихама угљеника у земљишту, промена у залихама угљеника се појавила као смањење површина претворених из ливада и ливада. шуме до пољопривредног земљишта. Такође се наводи да се залихе угљеника смањују на местима где долази до трансформације из шуме у шуму. Међутим, истраживачи су известили да није било промене у залихама угљеника у земљишту у областима претвореним из пољопривредног земљишта и травњака у шуму. Поред тога, у резултатима исте студије је такође наведено да су промене у залихама угљеника током времена флуктуирале због промена у коришћењу земљишта.

Табела 1. Ефекти промена коришћења земљишта на унос C у земљиште

У сличној студији, Dawson и Smith [5] су направили поређење резултата многих истраживања и у својим налазима нагласили да се садржај угљеника у земљишту смањивао са претварањем шумског и пашњачког земљишта у пољопривредно земљиште, док је примећено повећање угљеника у обрнутом случају. Резултати које су истраживачи прикупили на основу података до којих су дошли дати су у табели 2.

Табела 2. Потенцијалне промене у залихама угљеника у земљишту услед промене коришћења земљишта (прилагођено из Dawson и Smith (2007) [5]. Позитивне вредности показују добитке, док негативне вредности показују губитке.)

Као што се може видети из графикона, шуме и ливаде имају витални значај у складиштењу угљеника. С обзиром на област коју покривају у свету, они играју важну улогу у смањењу емисија обезбеђујући секвестрацију угљеника у глобалном циклусу угљеника.

Ефекти промена коришћења земљишта на ливадским пашњацима

Пашњаци су од виталног значаја за свет у смислу њиховог биодиверзитета и способности да спрече ерозију. Поред тога, они су међу најважнијим копненим понорима угљеника. Површине травњака и пашњака су један од главних елемената глобалног циклуса угљеника и може се рећи да задржавају приближно 0,5 Pg CO₂ годишње, иако постоји несигурност у њиховој ефикасности и времену циклуса [6]. Пријављено је да залихе угљеника у земљишту износе 634 Pg, заједно са вегетацијом на ливадама и травњацима који се налазе у тропским и умереним климатским регионима широм света [7]. Травњаци, који су важан понор угљеника, имају виталну улогу у смањењу ефеката климатских промена.

Претварање пашњака у пољопривредно земљиште је једна од највећих промена у коришћењу земљишта, убрзавајући и ерозију земљишта и губитак органског угљеника у земљишту. Пошто се угљеник из земљишта може лакше ослободити на пашњацима који су претворени у обрадиве површине, то узрокује повећање атмосферског угљеника. Међутим, постоји превише варијабли које утичу на губитак органског угљеника у таквим трансформацијама. У студији која је покушала да открије ефекте промена коришћења земљишта на залихе угљеника у тлу помоћу мета-анализе, залихе угљеника у тлу су се смањиле за 10% када су се претвориле са пашњака на плантажу, док је овај губитак био 59% у конверзији са пашњака на поље. Поред тога, органски угљеник у земљишту порастао је за 8% у површинама претвореним из природне шуме у пашњаке и за 19% у површинама претвореним из поља у пашњаке [8].

У другој студији мета-анализе која је спроведена испитивањем 81 узорка, констатовано је да се органски угљеник у земљишту смањио након трансформације површина ливадских пашњака и то смањење се десило на дубини тла од 0-60 цм и остало исто на дубљим дубинама [9] . Исти истраживачи су нагласили да се смањење органског угљеника у земљишту наставља током времена и достиже равнотежу након 20 година. Као резултат студије, констатовано је да се губитак органског угљеника углавном јавља као резултат падавина, физичких и хемијских својстава земљишта и промена у земљишним микроорганизмима.

Осим директног губитка пашњака, веома је уобичајена ситуација у свету да пашњаци губе продуктивност, посебно због погрешне праксе. Залихе угљеника у земљишту се природно смањују на површинама оштећеним на овај начин. Најштетнија пракса у овом погледу је неправилна испаша. Сателитска посматрања у Монголији, једној од земаља са највећим травњацима на свету, показала су да је током времена дошло до значајних губитака биомасе. Смањење биомасе од приближно 60% као резултат посматрања у периоду од 21 године у скоро читавом степском региону земље повезано је са смањеним падавинама и повећаном температуром, као и са повећаном производњом коза због потражње за кашмиром. производа у земљи и резултирајуће прекомерне испаше [10].

Биће могуће повећати продуктивност у овим областима уз правилно управљање пашњацима ради заштите и побољшања пашњака. Ово ће узроковати повећање залиха угљеника на ливадским пашњацима, који су важни понори угљеника. Као резултат испитивања података добијених као резултат бројних истраживања, констатовано је да се повећање нивоа C у распону од 0,105 до 1 Мг по хектару годишње постиже побољшаним управљањем испашом, ђубрењем на ливадским пашњацима, обогаћивање пашњака легуминозним врстама, и наводњавањем [11].

Интензивна испаша повећава садржај органског угљеника у земљишту за 6-7% на мешовитим пашњацима C₄ - C₃ на којима доминирају биљке C₄, док је садржај органског угљеника у земљишту на травњацима где доминирају биљке C₃ показао просечно смањење од 18% [12]. Истраживачи су нагласили да доминантни пашњаци C₃ и C₄ показују тако јаке разлике у садржају органског угљеника у тлу у вези са испашом да би фокус требало ставити на ово.

Да би се проценио потенцијал земљишта за складиштење угљеника, глобални ефекти побољшане праксе управљања травњацима и конверзије на пашњаке процењени су анализом резултата 115 студија [13]. Према резултатима, методе као што су ђубрење, побољшано управљање испашом, претварање ораница у пашњаке, коришћење природне вегетације, сетва махунарки, наводњавање и инкорпорација кишних глиста оцењени су међу побољшаним праксама управљања пашњацима и откривено је да се садржај угљеника у земљишту повећао са побољшаним управљањем у 74% студија. Док се повећање стопе секвестрације угљеника наставило током 40 година, генерално је било највише на дубини тла од 10 цм. Стопе задржавања по врсти ремедијације крећу се од 0,11 до 3,04 Мг C.ха−1.год.-1 са просеком од 0,54 Мг C.ха−1.год.-1.

Утицај разлика у коришћењу земљишта на залихе угљеника у шумским подручјима

Шуме су један од најважнијих понора угљеника у копненим екосистемима у погледу земљишта и биомасе. Глобално, око половина угљеника који се налази на копну налази се у шумама (1146 x 10¹⁵ г), док се 2/3 ове количине задржава у базенима земљишта [14]. Земљишта доприносе нето секвестрацији угљеника на глобалном нивоу, пошто количина угљеника који улази у земљиште разградњом (61.4 x 10¹⁵г) на годишњем нивоу незнатно премашује количину ослобођену дисањем (60 x 10¹⁵ г) [15].

Иако је секвестрација угљеника у земљишту важан феномен у смислу глобалног циклуса угљеника, неопходна је и употреба неких производа добијених из шума. Шумарство је данас важан индустријски сектор и очекује се да ће доћи до промена у угљеничним базенима у шумама у зависности од различитих шумарских пракси. Сеча и размак стабала су међу њима.

У мета-анализи у којој су анализирана и процењена 432 података на глобалном нивоу, наведено је да може доћи до смањења угљеника у земљишту након сече за 8±3%, а очекује се да ће ово смањење бити за 30±6%. [16]. У студији је констатовано да смањење количине угљеника може бити различито према врсти дрвећа, а смањење код четинарских врста износило је око 20%, док је код лисних врста било око 36%. Истраживачи су такође изјавили да смањење угљеника у земљишту може варирати у зависности од класе земљишта. Иако није примећена значајна промена у земљиштима са ниским садржајем органске материје, констатовано је да је смањење било значајније у земљиштима са већим садржајем органске материје. На пример, док промена у алфисолима и сподосолима није била значајна, смањење садржаја угљеника у земљишту у инсептисолима и ултисолима било је 13% и 7%, респективно.

Нестанак шумских површина узрокује да се ове области, које делују као понор угљеника, претворе у изворе угљеника. Тврди се да се 2,1 милијарда тона емисије CO₂ годишње јавља због деградације тропских шума, од чега је 53% због производње дрвета, 30% због огревног дрвета и 17% због шумских пожара [17].

У студији спроведеној ради мерења нето годишњих промена у надземној густини угљеника живе вегетације у тропским шумама света, 12-годишњи подаци између 2003. и 2014. процењени су коришћењем МОДИС сателитских података и наведено је да тропске шуме свет су били извори угљеника са годишњом нето емисијом угљеника од 425,2 ± 92,0 Тг. [18]. У студији је утврђено да је нето емисија угљеника 861,7 ± 80,2 Тг Ц година-1, док је добитак израчунат као 436,5 ± 31,0 Тг Ц година-1. Наведено је да су добијени добици угљеника последица раста шума, док су губици последица крчења шума и накнадног смањења густине угљеника у преосталим шумама. Подаци добијени у студији дати су у табели 3 на основу континената.

Табела 3. Промене надземног складиштења угљеника (Тг Ц година -1) у тропским шумама света

У шумским подручјима, промена органског угљеника у земљишту у зависности од промена у коришћењу земљишта је неизбежан резултат. Међутим, постоји много фактора који утичу на промену залиха органског угљеника у земљишту. На пример, у студији која испитује ефекте конверзије из шумарства у плантаже, објављено је да је дошло до веома мале промене у залихама угљеника у тлу у шуми са широколисним врстама, док је смањење залиха угљеника достигло 15% у четинарском подручју [8]. На промену угљеника у тлу утицао је интензитет падавина, а губици који достижу 56% забележени су у областима са падавинама преко 1500 мм. Губитак угљеника у земљишту у областима трансформисаним из шуме у плантажу наставио се током процеса и утврђено је да износи 20% и стабилизује се након 40. године. У резултатима исте студије наведено је да је губитак органског угљеника у земљишту у земљишту претвореном из шумског у пољопривредно земљиште износио 42% и то у првих 60 цм земљишта.

У другој студији која испитује ефекат претварања пољопривредних површина у шумске површине, Храст на раније узгајане површине житарица и винове лозе. Резултати у којима је моделовањем одређивано складиштење угљеника у земљишту подељени су успостављањем засада [19]. Иако је пријављено да је дошло до акумулације органске материје, углавном у горњим слојевима земљишта, током пошумљавања, годишња акумулација угљеника по квадратном метру дата је као 19 г у виноградским површинама и 41 г у површинама за које се узгајају житарице.

Подручја мангрова, која се састоје од дрвећа и жбуња у обалним областима и која су важни понори угљеника за свет са својим потенцијалом складиштења угљеника до 25,5 милиона тона годишње [20], такође се константно смањују. Процењује се да се годишње емитује између 0,15 и 1,02 милијарде тона угљеника услед деградације мангрова, мочвара и ливада морске траве [21].

Промене у залихама угљеника услед урбанизације

Услед све веће урбанизације, промене се виде у земљишном покривачу и као резултат тога долази до значајних губитака у копненим залихама угљеника. Нарочито у областима које су више погођене урбаном експанзијом, губици станишта достижу већи ниво. Јасно је да је последњих година дошло до брзе урбанизације на глобалном нивоу.

Урађена је студија која процењује ефекте урбанизованог земљишта на динамику угљеника у Јужној Америци током 63-годишњег периода између 1945. и 2007. године, користећи динамички модел заснован на овом процесу. У овој студији је израчунато да је емисија угљеника у атмосферу била 0,21 Pg услед урбанизације током овог периода [22]. Према истраживачима, врста земљишне вегетације која је постојала пре урбанизације и време које је протекло током трансформације земљишта одређују степен утицаја урбанизације на динамику угљеника. Након брзог пада складиштења угљеника током конверзије земљишта, урбани екосистем постепено акумулира угљеник и може да надокнади почетни губитак угљеника за 70-100 година. Према истраживачима, стопа секвестрације угљеника у урбаном екосистему се временом смањује и скоро нестаје након два века.

У другој студији која је покушала да утврди ефекат брзе урбанизације на земаљске ресурсе угљеника, анализиран је ефекат промена коришћења земљишта на поноре угљеника и емисије од 2000. до 2012. године у Гуангџоуу, Кина [23]. Урбанизација у граду Гуангџоу порасла је за 119% током периода истраживања, а емисије угљеника су значајно премашиле њихов капацитет понора угљеника. Док је смањење укупног понора угљеника било 30%, укупне емисије угљеника су порасле са 13,73×10⁶ тона на 39,67×10⁶ тона. Истраживачи су упозорили да би "граница урбаног раста" и "еколошке црвене линије" требало да се одреде за коришћење земљишта у државним политикама како би се обезбедила економска употреба земљишта.

Емисија угљеника у атмосферу задржавањем у океанима и копненим екосистемима данас је постала веома важна. Коришћење земљишта је од великог значаја у смислу секвестрације угљеника у земљишту. Травњаци и шуме генерално имају већи потенцијал секвестрације угљеника од обрадивог земљишта. Избегавање промена у коришћењу земљишта које ће повећати нето емисије угљеника у копненим областима ће постати све виталније за контролу глобалног загревања.

Референце

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[0343:gmacig]2.0.co;2

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). modeling 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