Drzewa – sposób na dobry klimat?

Wyobraźmy sobie Ziemię 500 mln lat temu. Tak jak dzisiaj zobaczymy oceany oblewające lądy, padające deszcze i spływające do tych praoceanów rzeki. To, co zwróci naszą uwagę, to zapewne fakt, że rzeki są brązowe, muliste, brudne, a lądy bardziej skaliste niż obecnie. Erozja wietrzna i erozja wodna, brak gleby, brak roślin lądowych: pustka, mokra pustka…

Oczywiście im dalej od wody, tym ta pustka bardziej będzie przypominała obecne pustynie, suche i wietrzne. Temperatury dobowe mają bardzo dużą amplitudę, tak jak na pustyniach – w dzień bardzo wysokie, a w nocy bardzo niskie. Pękają skały, kruszą się na coraz drobniejsze kamienie i kryształy, głównie kwarcu. Stężenie CO₂ jest wysokie, a klimat gorący i wilgotny (to koniec kambru i początek ordowiku). Temperatury powietrza są średnio o 2°C wyższe niż współcześnie, a temperatury oceanów w okolicach równika sięgają ponad 40°C. Tlenu w atmosferze jest ok. 13,5%, dwutlenku węgla natomiast 15 razy więcej niż w epoce przedindustrialnej (4200 ppm). Parno i duszno. Bardzo duszno. Rozpuszczony w wodzie deszczowej CO₂ przyspiesza erozję skał i wymywanie mikro- i makroelementów, które trafiają do oceanów, w ten sposób praoceany są nawożone mineralnie. 

Jeszcze 500 mln lat temu biosfera była niemal w całości ograniczona do hydrosfery. Życie korzystało z fotosyntezy, jako sposobu transformowania energii słonecznej w chemiczną, już od ponad 3,2 mld lat, ale nie zrobiło jeszcze kroku na ląd, nie znalazło jeszcze sposobu na wspięcie się po nabrzeżu i skolonizowanie lądu. 

Tak, proszę sobie wyobrazić Ziemię bez drzew i bez roślin lądowych… Co prawda pierwsze szczątki roślin lądowych, które odkryli paleobotanicy pochodzą sprzed ok. 420 mln lat (z Syluru), ale rzadko zdarza się tak, żeby to, co znajdujemy jako skamieniałości, było „tym” naprawdę pierwszym. Dlatego bezpiecznie jest przesunąć granicę o ok. 50-70 mln lat, na co wskazywałyby inne okoliczności, takie jak znaczne ochłodzenie klimatu, co można wiązać z pojawieniem się pierwszej roślinności lądowej i związaniem ogromnych ilości CO₂ (można również wiązać z wybuchem supernowej i zniszczeniem warstwy ozonowej…). Spowodowało to przede wszystkim powstanie ogromnych lądolodów i obniżenie poziomu mórz i oceanów – wahania poziomu oceanów wynosiły w tym okresie ok. 80 m! Ślady tego znajdujemy w wymieraniu ordowickim.

Dlaczego sięgam w aż tak odległe czasy? Bo historia drzew i ich ekologiczne funkcje narodziły się bardzo dawno temu, choć drzewa nie są organizmami przedwiecznymi. Drzewa współczesne, o których będę opowiadał, powstały w procesie ewolucji ok. 290 mln lat temu (iglaste) oraz ok. 135 mln lat temu liściaste. Zatem w skali geologicznej to całkiem młode grupy organizmów żywych. No, ale w tej skali czasowej nasz gatunek dopiero się narodził. Co prawda historię drzew możemy rozciągać niemal do początków syluru, ale dla dalszej opowieści ma to drugorzędne znaczenie. 

Istotne jest to, że drzewa jako grupa funkcjonalna nie są ze sobą spokrewnione. Powstawały w historii życia wielokrotnie z różnych grup roślin (psylofity, widłaki, skrzypy, paprotniki, kordaity, drzewa nagozalążkowe, okrytozalążkowe dwuliścienne, okrytozalążkowe jednoliścienne). Ich wspólną cechą jest zdolność do wynoszenia aparatu asymilacyjno-fotosyntetyczno-transpiracyjnego (liści) w górę, do słońca. Jednocześnie wszystkie drzewa biorą udział w powstawaniu przestrzennej (pionowej) struktury roślinności lądowej, zwiększając aktywną biologicznie powierzchnię lądów. 

Wróćmy jednak do „drzewa funkcjonalnego”. Jak każda roślina zielona, ma zdolność przetwarzania energii słonecznej w energię chemiczną w postaci cukrów. Do tego procesu rośliny wykorzystują, poza energią słoneczną, wodę i CO₂. W tym przypadku CO₂ jest niezbędnym substratem do zmagazynowania energii (używając terminologii rolniczej, CO₂ jest nawozem mineralnym). Bez CO₂ nie ma możliwości prowadzenia fotosyntezy, a przy intensywnej fotosyntezie często czynnikiem ograniczającym możliwość dalszego magazynowania energii słonecznej jest deficyt CO₂ w środowisku (zwykle następuje po kilku godzinach intensywnej fotosyntezy i braku wiatru, który może dostarczać CO₂ z miejsc o mniej intensywnym zużywaniu CO₂). Dlatego w niektórych krajach, w tzw. leśnych gospodarstwach węglowych, stosuje się nawożenie CO₂, zwiększając w ten sposób szybkość przyrostu drewna. Jak zwykle w takich sytuacjach bywa, drzewa na dopingu CO₂, szybciej zużywają inne mikro- i makroelementy i dlatego tego typu „leśne farmy węglowe” muszą być dodatkowo nawożone mineralnymi nawozami azotowymi i fosforowymi. A co z wodą? Otóż woda i CO₂ w drzewach (zdecydowana większość to rośliny z dominującym metabolizmem typu C3) są ze sobą ściśle powiązane poprzez proces asymilacji i transpiracji. Aby asymilacja CO₂ mogła zajść, muszą być otwarte aparaty szparkowe, jednak otwarte aparaty szparkowe oznaczają zwykle zwiększoną transpirację. W przypadku roślin typu C3 wszystko dzieje się równolegle w dzień, zatem w warunkach, w których potencjał wodny atmosfery jest zazwyczaj bardzo niski, co sprzyja szybkiej utracie wody. Przy obecnym stężeniu CO₂ (411 ppm) koszt pozyskania jednej cząsteczki CO₂ to blisko trzysta cząsteczek H₂O. Zachodzi tu jednak ciekawa zależność. Im mniejsze stężenie CO₂, tym więcej cząsteczek wody jest potrzebnych do zasymilowania określonej ilości CO₂. Im wyższe, tym mniej. Zatem wzrost drzew przy wyższym stężeniu CO₂ w atmosferze staje się wydajniejszy nie tylko ze względu na większą podaż „węglowego dopingu”, ale również w związku z efektywniejszym wykorzystaniem wody. I rzeczywiście drzewa obecnie rosną szybciej. 

Jest to jeden z bardzo licznych, ciekawych i jednocześnie adaptacyjnych mechanizmów regulacyjnych. Drzewa mają bowiem zdolność zwiększania swojego popytu na CO₂, jeśli jego stężenie w atmosferze rośnie. Patrząc wstecz na historię geologiczną Ziemi, optimum owo może być na poziomie ponad 1000 ppm. Oczywiście warunkiem, że możliwe będzie zasymilowanie dodatkowej ilości CO₂ jest to, że temperatura nie będzie zbyt wysoka (subkrytyczna dla wzrostu), a woda będzie dla takiego drzewa dostępna.

Wyposażeni w garść informacji możemy zastanowić się, w jaki sposób drzewa mogą wspomagać nas w opóźnianiu zmian klimatu, łagodzeniu ich efektów, adaptacji do i wreszcie zwiększaniu naszej odporności na zmiany klimatu.

Ponieważ przyjmujemy, że główną przyczyną kryzysu klimatycznego jest globalny wzrost temperatury, którego przyczyną jest zwiększenie stężenia CO₂ w atmosferze, to wszystko, co pomoże ograniczyć, zahamować czy wręcz odwrócić globalny wzrost temperatury, będzie naszym sprzymierzeńcem. 

Na pewno drzewa mogą nam pomóc. Po pierwsze w sposób naturalny są magazynami CO₂. Proces ten nazywany bywa biosekwestracją węgla. W 1 tonie drewna (dla różnych gatunków będzie to oznaczało różną objętość drewna) zgromadzonych jest ok. 1,5 tony CO₂. 

Jak wygląda taka sekwestracja w skali Polski? Obecnie średnioroczny przyrost drewna (brutto) na 1 ha lasu to ok. 8 m³ (ok. 5,3 m³ grubizny), czyli ok. 4 ton suchej masy, co oznacza sekwestrację ok. 6 ton CO₂/ha/rok. Przypomnijmy, że wg GUS z 2017 r. powierzchnia lasów w Polsce wynosi około 9,2 mln ha, a lasy pokrywają blisko 30% powierzchni naszego kraju. Dosyć łatwo z tego wyliczyć, że rocznie w lasach Polski gromadzonych jest 36 800 000 ton suchego drewna, czyli 55 200 000 ton CO₂. Czy to dużo i czy ma to znaczenie? W porównaniu z roczną antropogeniczną produkcją CO₂ wynoszącą ok. 330 mln ton wydaje się, że to ilość niewielka, bowiem stanowi zaledwie 1/6 rocznej produkcji. Wiedząc, że średni wiek drzewostanu w Polsce wynosi ok. 60 lat, można przyjąć, że w lasach zgromadzonych jest ok. 3,3 mld ton CO₂.  A więc nasze lasy zaabsorbowały naszą 10-letnią emisję CO₂. Należy jednak wziąć pod uwagę również to, że rocznie wycinamy drzewa z powierzchni ok. 90 000 ha w średnim wieku ok. 100 lat, czyli z powierzchni ok. 10% lasów usuwamy: 100 (lat) x 6 ton CO2/(ha) rocznie x 90 000 (ha) = 54 000 000 ton CO₂). Zatem netto w lasach sekwestruje się bardzo niewiele CO₂ i w tym sensie prowadzona zrównoważona gospodarka leśna może zostać określona jako neutralna pod względem emisji i sekwestracji CO₂. Jeśli jednak przyjrzymy się dalszym losom pozyskiwanego drewna, to obraz jest nieco bardziej pozytywny. Wiele pozyskanego drewna wykorzystuje się do produkcji trwałych drewnianych elementów domów i ich wyposażenia. Nie zmienia to jednak faktu, że w zakresie pochłaniania CO₂ drzewa nie są wystarczająco dużym wsparciem w opóźnianiu zmian klimatycznych, ale bez nich byłoby znacznie gorzej. CO₂ jest uwalnianie do atmosfery szybciej, niż jest pochłaniane przez lasy. Oczywiście problem ten nie dotyczy jedynie Polski i Europy. O ile w Europie lasów stale przybywa, to niestety globalnie lasów ubywa. Dotyczy to szczególnie obszarów równikowych i podzwrotnikowych. Problem ten z roku na rok się pogłębia i sumarycznie oznacza, że wpadamy w poważne tarapaty. Zatem bez ograniczenia emisji się nie obejdzie.

Jednak drzewa i lasy to nie tylko biologiczna sekwestracja CO₂. Drzewa są naturalnymi klimatyzatorami obniżającymi lokalnie temperaturę nawet o kilka stopni Celsjusza. Utrzymują większą wilgotność powietrza, obniżają lokalnie ciśnienie i tym samym przyczyniają się do częstszych i mniej gwałtownych deszczów. Można powiedzieć, że równie ważną jak sekwestracja CO₂ funkcją drzew i lasów jest retencja wody i lokalna regulacja mikroklimatu. Właśnie te funkcje drzew powodują, że są one naszym ważnym sprzymierzeńcem w zwiększaniu odporności na zmiany klimatu i adaptacji do nich. 

W kontekście magazynowania CO₂ i retencji wody w lasach można przywołać jeszcze jeden dosyć ciekawy wątek. W ostatnich latach wiele się mówi o ekologicznej funkcji pożarów. Badania wskazują, że pożary w starych lasach były bardzo częstymi zdarzeniami. Ich ślady zostały zapisane w starych, rosnących cały czas drzewach oraz w glebie, w postaci pokładów trudno rozkładającego się węgla drzewnego. Właśnie węgiel drzewny stanowi dosyć ciekawą formę trwałego wprowadzenia węgla do ekosystemów leśnych. A warto dodać, że ma on bardzo cenną własność, ponieważ zwiększa pojemność wodną gleb – na jego powierzchni powstaje biologicznie aktywna warstwa i co ważne, węgiel drzewny w glebach leśnych może być zdeponowany na tysiące lat, zatem oddziałuje na kolejne pokolenia drzew. Należy o tym pamiętać zarówno w kontekście pogłębiającego się deficytu wody w glebach, jak i w kontekście obiegu materii w przyrodzie – „uwięzienie” CO₂ w drzewie utrzymuje się do czasu jego śmierci i rozkładu drewna lub spalenia w tlenie, kiedy to CO₂ zostanie z powrotem uwolniony do atmosfery. Jeśli jednak drewno ulega pirolizie, czyli odgazowaniu w wysokiej temperaturze bez dostępu tlenu, wówczas ulega zwęgleniu i z tego obiegu jest wyłączany. 

Zatem połączenie naturalnego procesu, jakim jest wzrost i różnicowanie się komórek drewna, w trakcie którego gromadzona jest w tkance drzewnej energia w postaci przetransformowanego (zredukowanego) węgla z procesem odgazowania drewna (pyroliza), pozwala na uzyskanie bardzo trwałego i jednocześnie funkcjonalnego półproduktu, jakim jest biowęgiel. Wprowadzenie na trwałe węgla do gleby jest niezmiernie skutecznym sposobem jego wycofywania z atmosfery przy jednoczesnej poprawie jej własności. Być może warto rozważyć możliwość wprowadzania do gleb leśnych części przekształconych w biowęgiel zrębków, gałęzi i korzeni. Oczywiście problemu to nie rozwiąże, ale niewątpliwie pozytywnie wpłynie na odporność naszych lasów na kryzys klimatyczny.Podsumowując. Można powiedzieć, że drzewa nie są wystarczającym lekarstwem na poważny kryzys klimatyczny związany z ogromną emisją CO2 do atmosfery pochodzącą ze spalania paliw kopalnych. Jednak ich brak czy tylko ograniczanie powierzchni zajmowanej przez lasy w skali globalnej problem może tylko pogłębić i spowodować przyspieszenie negatywnych procesów prowadzących do katastrofy klimatycznej. Bez znaczącej redukcji emisji CO2 do atmosfery ze źródeł kopalnych (od węgla brunatnego poczynając, przez różne rodzaje węgla kamiennego, ropy naftowej i gazu ziemnego) nie uda nam się ani kryzysu klimatycznego opóźnić, ani zwiększyć naszą odporność na nadciągającą zmianę ani też nie zdążymy się do tak szybkiej zmiany zaadoptować. Należy jednak oddać drzewom i roślinom w ogóle ich fundamentalną rolę w kontrolowaniu warunków klimatycznych w warunkach, w których dodatkowej emisji CO₂ nie ma. Innymi słowy, gdybyśmy nie emitowali dodatkowego CO₂ i w takim tempie niszczyli naturalne lasy to i tak doprowadzilibyśmy do poważnej zmiany w środowisku. Zatem kryzys, z którym mamy do czynienia wiąże się z nakładaniem się efektu emisji CO₂, związanym ze spalaniem paliw kopalnych i systematycznym ograniczaniem powierzchni zalesionych. Można zatem sprowadzić to do trywialnego hasła: chrońmy lasy i ograniczajmy emisję CO₂, bo tylko działając wielotorowo mamy szansę opóźnić efekty kryzysu klimatycznego.