Al 30 jaar kijken wetenschappers naar een kwelder in centraal Maryland die ademt. Dat wil zeggen, ze hebben onderzocht hoe een ecosysteem van Chesapeake Bay koolstofdioxide uit de atmosfeer haalt, een deel van de koolstof ondergronds opslaat en een deel ervan in de lucht teruggeeft in de vorm van methaangas.
Onderweg hebben ze het milieu gemanipuleerd om een toekomstige wereld na te bootsen met meer atmosferisch koolstofdioxide (CO 2 ), het broeikasgas dat het meest verantwoordelijk is voor de opwarming van de aarde, hogere zeespiegels en meer voedingsstoffen in het water door vervuilde afvoer. Wanneer het groeiseizoen dit voorjaar begint, zullen ze nog een ander stukje van de puzzel verkennen in de hoop een beter beeld te krijgen van wat de toekomst in petto heeft. Ze willen weten wat er met het moeras gebeurt als de temperatuur stijgt.
"We brengen al 30 jaar CO 2 op in dit moeras, maar [verhoogde] CO 2 komt met opwarming", zegt Pat Megonigal, hoofdonderzoeker van de nieuwe studie in het Global Change Research Wetland van het Smithsonian Environmental Research Center (SERC) . “Warme lucht vertaalt zich in de loop van de tijd in de bodem. We beginnen gewoon dat deel ervan aan te vallen. '
Als adjunct-directeur van het Environmental Research Centre houdt Megonigal toezicht op deze veldsite waar tientallen wetenschappers experimenten uitvoeren. Hier is het moeras bezaaid met testplots die eruit zien als doorzichtige plastic kamers gebouwd over stukken riet en grassen. De plastic constructies stippelen een landschap doorkruist door promenades, kabels en slangen. Hier en daar worden de promenades onderbroken door houten kisten waarin de verschillende controlestations zijn ondergebracht.
Onderzoekers zoals Megonigal bestuderen al meer dan drie decennia klimaatverandering in dit 125 hectare grote moeras in een onontwikkeld deel van de rivier de Rhode. Wat ze hebben geleerd, heeft belangrijke implicaties, niet alleen voor de toekomst van wetlands, maar ook voor de naderende klimaatverandering, omdat het verliezen van wetlands zoals moerassen en moerassen miljoenen tonnen koolstofdioxide in de atmosfeer kan brengen.
Ondanks dat ze slechts vier tot zes procent van het landoppervlak van de aarde innemen, bevatten wetlands zoals moerassen, moerassen en mangrovebossen een kwart van alle koolstof die in de aarde is opgeslagen.
Alle planten nemen kooldioxide uit de atmosfeer op en veranderen de koolstof in bladeren, stengels en wortels. Maar de koolstof komt terug in de atmosfeer wanneer bacteriën in de bodem gevallen bladeren en ander dood plantmateriaal afbreken.
In een moerasland berooft echter frequente overstroming met water de zuurstofminnende bacteriën van zuurstof en vertraagt ze. Dood plantmateriaal vervalt niet zo snel als in een drogere omgeving, dus het hoopt zich op, verdicht en verandert in koolstofrijk veen. Door op deze manier koolstof op te slaan, wordt de atmosfeer beschermd tegen stijgend kooldioxide.
Maar er is een donkere kant aan het verhaal. De vochtige natte omstandigheden zijn voorbereid op fermentatie, wat methaan produceert, een ander op koolstof gebaseerd broeikasgas dat 25 tot 45 keer krachtiger is dan koolstofdioxide. Wetlands vormen zelfs de grootste enkele methaanbron en produceren naar schatting 22 procent van alle wereldwijde methaanemissies.
In december 2015 hebben leiders uit 195 landen een overeenkomst gesloten in Parijs om de opwarming van de aarde te beperken tot niet meer dan 2 graden Celsius (3, 6 graden Fahrenheit) boven pre-industriële niveaus. Bovendien, ze toegewijd aan het nastreven van methoden die dat aantal zou verminderen tot 2, 7 graden Fahrenheit boven pre-industriële niveaus.
Gemiddeld over de hele wereld zijn de temperaturen de afgelopen 120 jaar al 1, 4 graden F gestegen, dus het bereiken van dergelijke ambitieuze doelen vereist een snelle vermindering van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen, iets dat niet kan worden gevolgd zonder een redelijk nauwkeurige balansafrekening tussen koolstofemissies en koolstofopslag over de hele wereld. Daarvoor moeten wereldleiders begrijpen wat er aan de hand is in de wetlands.
"Niets kan van de tafel worden gehaald", zegt Virginia Burkett , hoofdwetenschapper voor klimaat- en landgebruiksveranderingen bij de US Geological Survey. “Alle systemen moeten worden beoordeeld op hun vermogen om koolstof op te slaan, niet alleen de uitstoot alleen. De opslag van koolstof, en hoe mensen het vermogen van systemen zoals wetlands om koolstof op te slaan, kunnen verbeteren, is ook essentieel om te begrijpen, om deze enorme reducties te realiseren die worden geprojecteerd en verwacht door de internationale gemeenschap. ”
Onderzoekers zoals Pat Megonigal (links) bestuderen al meer dan drie decennia klimaatverandering in dit 125 hectare grote moeras in een onontwikkeld deel van de rivier de Rhode. (Smithsonian Environmental Research Center) Het is echter niet eenvoudig om natuurlijke ecosystemen in de vergelijking te verwerken.
Hoeveel koolstof wetlands opnemen, hoeveel ze vrijgeven, hoe snel de bodem zich ophoopt en of getijden wetlands gelijke tred houden met of worden ingeslikt door stijgende zeeën zijn allemaal factoren die met elkaar verweven zijn en afhankelijk zijn van verschillende invloeden.
Zoals het trekken van een lijn in een verward web van touwen, terwijl een lus losser wordt, een andere strakker, waardoor de vorm van de hele bundel verandert. In een moeras veranderen temperatuur, zoutgehalte, koolstofdioxide en vervuiling van het land allemaal tegelijk. Door de jaren heen hebben wetenschappers de knoop doorgehakt en de complexiteit ontrafeld, maar er is veel meer te begrijpen.
Terwijl het bodemverwarmingsexperiment van Megonigal dit voorjaar op gang komt , zal hij de warmte van de bovenkant van de planten helemaal naar beneden brengen tot aan de onderkant van de wortelzone, vier en een halve voet onder het oppervlak.
Tegen de lente heeft zijn team 30 nieuwe testpercelen toegevoegd aan hun hoek van het moeras. Met behulp van een bank van infrarood warmtelampen en een raster van elektrische kabels verzonken in de grond, zal Megonigal de temperatuur in zijn percelen in gestage stappen verhogen. De toename zal variëren van 0 graden tot 7, 2 graden Fahrenheit boven de omgeving, en benadert de warmste omstandigheden voorspeld voor het jaar 2100 als er niets werd gedaan om de klimaatverandering te beteugelen.
Zijn primaire doel is inzicht te krijgen in de factoren die het verval en de ophoping van dood plantmateriaal in de kwelder beïnvloeden. Als de veengrond snel genoeg groeit, kan deze mogelijk gelijke tred houden met de stijging van de zeespiegel. Zo niet, dan kan het moeras gewoon verdrinken.
De vraag is een nagelbijter voor gemeenschappen die afhankelijk zijn van moerassen, die kraamkamers bieden voor belangrijke commerciële vissen, en laaggelegen land beschermen tegen stormvloeden en stormgolven.
De veldsite, waar tientallen wetenschappers experimenten uitvoeren, is bezaaid met plastic constructies en doorkruist door promenades, kabels en slangen. (Kimbra Cutlip) Volgens bodemkernen heeft het kweldergebied van het Environmental Research Centre 4000 jaar overleefd. In die tijd is de Chesapeake Bay 15 voet gestegen en heeft het moeras zich gestaag opgebouwd om gelijke tred te houden.
Veel wetlands over de hele wereld hebben hetzelfde gedaan. Maar het klimaat verandert en de zeespiegel stijgt sneller dan ooit. Bovendien heeft vervuiling de chemie van het water veranderd en kunnen nieuw geïntroduceerde soorten planten en dieren belangrijke aspecten van het functioneren van het ecosysteem veranderen. Zelfs de hoeveelheid sediment die in wetlands spoelt, is snel veranderd met de menselijke ontwikkeling op het land.
Megonigal verwacht dat de toegevoegde hitte de microben ondergronds zal opwellen, waardoor de snelheid waarmee de wortels en andere organische stoffen worden afgebroken, toeneemt. Als dat zo is, kan dit het langzaam zinken van het moeras en het vrijkomen van meer methaan in de atmosfeer voorspellen. Aan de andere kant misschien niet.
Misschien zullen langzamere microben beginnen te domineren, ”zegt Stephen Long, hoogleraar gewaswetenschappen en plantenbiologie aan de Universiteit van Illinois en hoofdredacteur van het tijdschrift Global Change . Of de combinatie van opwarming en toegevoegde koolstofdioxide zorgt ervoor dat planten sneller groeien dan ze kunnen rotten, die beide het niveau van het moeras kunnen verhogen. "Het wordt heel moeilijk om met enige zekerheid te voorspellen wat er gaat gebeuren, en daarom is een dergelijk experiment zo belangrijk, " zegt hij.
Long is een van de vele onderzoekers die experimenten hebben uitgevoerd op de Smithsonian marsh site. Hij zegt dat de gedachte om dit soort werk in de natuurlijke omgeving te doen revolutionair was toen het eerste experiment 30 jaar geleden werd opgezet. Er zijn zoveel factoren die in de natuur moeten worden gecontroleerd of verantwoord dat velen in de wetenschappelijke gemeenschap dachten dat het niet kon.
Bert Drake, een plantenecoloog en senior wetenschapper emeritus bij Environmental Research Center, is de man die ze in 1985 ongelijk had bewezen.
De groei van een plant hangt samen met de hoeveelheid koolstof die het opneemt en Drake bedacht aanvankelijk een elegant experiment om de groei in het moeras te volgen. "Ik zei goed, in plaats van naar buiten te gaan en alle planten te meten, zullen we gewoon de CO 2 -flux meten, " zegt hij. "Mensen die ons voorstel hebben beoordeeld, dachten dat we onszelf veel verder uitstrekten dan wat zij geloofden dat in het laboratorium werkbaar was."
Bert Drake, een plantenecoloog en senior wetenschapper emeritus bij het Environmental Research Centre, bedacht een elegant experiment om de groei in het moeras te volgen. (Smithsonian Environmental Research Center) Drake ontwierp een reeks cilindrische kamers met open bodem die over moerassen moesten worden geplaatst. Ongeveer drie voet in diameter, ze hadden een achthoekig aluminium buisframe met doorzichtige plastic wanden en een open bovenkant zodat ze geen warmte zouden vasthouden als een kas. Vervolgens liet hij koolstofdioxide in de kamers stromen, waardoor het niveau werd verhoogd naar wat 100 jaar in de toekomst werd verwacht.
"We konden de concentratie van de CO 2 in de kamers volgen, en de CO 2 binnenin, en de CO 2 die eruit gaat", zegt hij. Onmiddellijke resultaten toonden aan dat de zegges in Drake's kamers groeiden met extra kracht, waardoor de extra kooldioxide gemakkelijk werd opgenomen, terwijl de grassen niet veranderden. Het patroon kwam overeen met wat wetenschappers in het laboratorium hadden gezien en bewees dat zijn methode werkte. Hij had met succes een gecontroleerde studie in een verder oncontroleerbare omgeving geleid. Drake kon nu vertrouwen op andere waarnemingen over hoe de planten water en voedingsstoffen gebruikten en in wisselwerking stonden met hun met kooldioxide verrijkte omgeving. "Met zo'n aanpak kunnen we de netto winst in koolstof of verlies meten en dit doen in samenhang met temperatuur, regenval, zonlicht, noem maar op."
Als een demonstratie dat een dergelijk experiment mogelijk was, had Drake nooit verwacht dat zijn project de basis zou worden voor een veldsite die drie decennia zou duren en vergelijkbaar werk zou inspireren in andere omgevingen over de hele wereld. Het is nu de langstlopende veldstudie ooit naar de effecten van stijgende koolstofdioxide op een plantengemeenschap, en die loopt nog steeds.
"Terwijl we het bestuderen, is de koolstofdioxide in de atmosfeer ongeveer 13 of 14 procent gestegen", zegt Drake. “De zeespiegel is ongeveer 10 of 15 cm (4 tot 6 inch).” Bovendien hebben hij en de tientallen onderzoekers die nu experimenten op de locatie hebben uitgevoerd, het moeras kunnen observeren door een volledig scala aan omgevingscondities, van natte tot droge jaren, van warmere tot koelere jaren, lange groeiseizoenen en korte.
"Het hebben van zo'n lange doorlopende studie geeft ons echt enorme hoeveelheden informatie die we eenvoudigweg niet op een andere manier kunnen verkrijgen", zegt Long. “[Drake] nam iets compleet nieuws op toen hij het opzette. Het was heel gewaagd om te doen en het is gelukt. ”
Een van de eerste bevindingen van Drake was dat toenemende koolstofdioxide naar het moeras leidde tot verhoogde emissies van methaangas. Ze leerden ook dat zeggeplanten geen grassen inhalen, ondanks hun vermogen om sneller te groeien in een omgeving met veel kooldioxide.
Elke ontdekking leidde tot meer vragen en de veldsite groeide exponentieel. Wetenschappers zoals Megonigal die Drake volgden, hebben hun ontwerp verbeterd, gelaste aluminium frames voor PVC verwisseld, de kamers vergroot en meer toegevoegd voor aanvullende studies. Onderweg zijn nieuwe experimenten dieper ingegaan op complexe interacties in het ecosysteem.
De groei van een plant hangt samen met de hoeveelheid koolstof die het opneemt, en Bert Drake (metingen controleren) bedacht in eerste instantie een elegant experiment om de groei in het moeras te volgen. (Smithsonian Environmental Research Center) Toen de wetenschappers stikstof in de bodem verhoogden om toenemende afvoer van land te simuleren, ontdekten ze dat niet alle planten hetzelfde reageerden en hun reacties veranderden afhankelijk van de beschikbare kooldioxide en water. Ze stapten stap voor stap belangrijke interacties uit elkaar en zochten een venster op hoe het moeras er de komende 100 jaar uit zou kunnen zien.
In 2015 heeft Megonigal een studie gepubliceerd waarin hij en zijn collega's de planten aan verschillende waterstanden hebben onderworpen om te zien hoe ze zouden reageren op stijgende zeespiegel. "We verwachtten dat wanneer het moeras begint onder te duiken, het meer koolstof zou moeten kunnen behouden en de stijging van de zeespiegel zou kunnen bijhouden, " zegt Megonigal. Ze dachten dat vaker overstromen met water het zuurstofniveau in de bovenste laag van de bodem laag zou houden. Dat zou de microben die dode plantenwortels ontbinden vertragen en meer grond laten ophopen.
Maar dat is niet wat er gebeurde. Zoals kleine snorkels voor microben, transporteren de wortels zuurstof vanuit de lucht naar de bodem, wat betekent dat het niet echt uitmaakt hoe lang de grond onder water doorbrengt. Het gaat erom hoeveel wortels er zuurstof aan de microben leveren. Megonigal ontdekte dat hoe meer wortels je hebt, hoe meer afbraak optreedt.
"De manier waarop ontleding in modellen wordt weergegeven, houdt geen rekening met de invloed van planten", zegt Megonigal. “Onze modellen kloppen dus grotendeels niet, althans op basis van deze ene studie. We moeten ons concentreren op de combinatie van deze dingen, omdat het hun interacties zijn die echt belangrijk zullen zijn om klimaatverandering te begrijpen. ”
Voor beleidsmakers gaat het begrijpen van de combinatie van factoren die van invloed zijn op het overleven van wetlands meer dan alleen weten wat er zal gebeuren. Actief beheer van het land wordt een cruciaal onderdeel van de strategieën van sommige landen om de opwarming van de aarde in de gaten te houden.
Volgens Burkett van de US Geological Survey kon het niet urgenter zijn. "[Wetlands] stoten van nature methaan uit, maar ze slaan ook miljarden tonnen koolstof op en de manier waarop ze worden beheerd, heeft invloed op de snelheid van koolstofvastlegging en -afgifte."
Het handhaven of herstellen van natuurlijke hydrologie in wetlands kan hun vermogen om koolstof op te slaan vergroten, terwijl het omzetten ervan in landbouw of garnalenvijvers kan vrijgeven wat in de bodem is opgeslagen als kooldioxide.
"Een belangrijke boodschap voor beleidsmakers is dat wetlands complexe systemen zijn", zegt ze, "om de langetermijnopslag van koolstof in deze wetland-systemen te verbeteren, moet je de biogeochemische cycli van koolstof in deze systemen begrijpen. Dat is een wetenschappelijk streven dat de inzet van landen over de hele wereld in Parijs zal ondersteunen. ”
Wat wetenschappers in dit veldproject hebben geleerd, is belangrijk, niet alleen voor de toekomst van wetlands, maar ook voor de naderende klimaatverandering, omdat door het verliezen van wetlands zoals moerassen en moerassen miljoenen tonnen koolstofdioxide in de atmosfeer kunnen vrijkomen. (Tom Mozdzer)
