Неофициальный перевод научной статьи Shani Rohatyn, Dan Yakir, Eyal Rotenberg и Yohay Carmel Limited climate change mitigation potential through forestation of the vast dryland regions, опубликованной 22 сентября 2022 года в журнале Science (Vol 377, Issue 6613, pp. 1436-1439). Разделы “Благодарности”, “Дополнительные материалы” и “Библиография” не переводились и доступны в оригинале статьи. Ссылка на источники в переводе сохранены.
Форматирование текста было изменено для облегчения восприятия.
Резюме
Залесение обширных засушливых земель мира считается многообещающей стратегией смягчения последствий изменения климата. Однако его реальные климатические преимущества неясны, поскольку из-за пониженного альбедо (способности отражать коротковолновую радиацию — прим. пер.) лесов это может привести к значительному потеплению.
Используя пространственный анализ засушливых земель с картами высокого разрешения, мы обнаружили, что во всём мире для облесения пригодны 448 млн гектаров. Потенциал связывания углерода на этой площади до 2100 года составляет 32,3 млрд тонн углерода (Гт C), но 22,6 Гт C из них потребуется для того, чтобы сбалансировать действие альбедо. Чистый углеродный эквивалент компенсирует примерно 1% выбросов, которые прогнозируются в среднем (medium-emissions), при сценариях обычного развития (business-as-usual).
Если сосредоточить облесечение только на территориях с чистым эффектом охлаждения, то потребуется только половина всей площади и удвоение компенсаций выбросов (речь идёт о carbon offset — прим. пер.). Хотя такое «умное» облесение явно важно, его ограниченные климатические преимущества усиливают необходимость быстрого сокращения выбросов парниковых газов.
Использование способности лесов секвестировать углерод считается многообещающим подходом к смягчению последствий глобального изменения климата (1–3). Также известно, что залесение (afforestation), включая облесение (forestation) для создания новых лесов и лесовосстановление (reforestaton) для восстановления истощённых лесов, охлаждает местный климат. Это происходит за счёт увеличения испарения и образования бóльшего количества облаков (4, 5).
Богатый объём научных исследований поддерживает посадку деревьев как эффективный подход к смягчению последствий глобального потепления. Griscom с коллегами (2) подсчитали, что лесовосстановление на площади около 700 млн га в умеренной и тропической зонах приведёт к секвестрации (улавливанию или связыванию — прим. пер.) почти трёх миллиардов тонн углерода в год (Гт C год-1). Bastin с соавторами (3) называют восстановление древесного покрова «одной из наиболее эффективных стратегий смягчения последствий изменения климата». По их оценкам, восстановление лесов на площади 1700 млн га потенциально может секвестировать 205,7 Гт C (от 133,2 до 276,2 Гт C) за всё время существования этих лесов (6).
Деревья улавливают атмосферный CO2. За счёт снижения его концентрации в атмосфере посадки оказывают на климат охлаждающий эффект (7). Но залесение также снижает способность отражать коротковолновую радиацию (альбедо) — в большей степени, чем многие другие формы земного покрова. Это увеличивает чистую радиацию и явный тепловой поток (sensible heat flux), создавая эффекты локального и, потенциально, глобального потепления (8). Эти противоположные эффекты залесения уже давно признаны (9–11).
Однако такой согревающий эффект ограничивается в основном бореальными регионами (северные части Северного полушария, покрытые бореальными лесами, также известными как тайга — прим. пер.). Признание этого явления очевидно в недавних публикациях, которые поддерживают лесовосстановление как инструмент смягчения последствий изменения климата (2, 12). В этих исследованиях эффект альбедо удалось избежать путём исключения бореального биома из анализа, для получения максимальных климатических выгод.
Но недавно появились признаки того, что согревающие эффекты альбедо также значительны в умеренных зонах и жарких засушливых районах (13, 14). В некоторых засушливых регионах согревающий эффект альбедо в результате облесения может значительно перевешивать охлаждающий эффект связывания углерода — из-за перехода от светлой пустыни к более тёмному густому лесному покрову (15).
Засушливые земли определяются как имеющие индекс засушливости (или AI, соотношение между среднегодовым количеством осадков и среднегодовым потенциальным испарением) <0,65 (16). Засушливые земли занимают 40% мировой площади суши (17), причём большая часть их территории доступна для действий по залесению.
Засушливые земли также считаются потенциальными поглотителями углерода — из-за свойств их почв и длительного времени оборота (речь идёт о времени, необходимом для полного обновления запаса углерода в почве — прим. пер.). Это позволяет предположить, что залесение засушливых земель может привести к эффективному переносу углерода из леса вниз, в почвы засушливых земель (18, 19).
Анализ двух возможностей глобального восстановления показал, что 50% глобального потенциала восстановления сосредоточено в засушливых землях (3, 20). Проекты по облесению и лесовосстановлению в засушливых районах реализуются по всему миру. Недавно были инициированы или планируется к запуску в ближайшее время крупномасштабные проекты в Китае, Сахеле и Саудовской Аравии (21, 22).
В совокупности эти инициативы направлены на преобразование более 500 млн га засушливых земель из незалесенных в залесенные. Однако, учитывая, что в некоторых регионах залесение в итоге будет давать согревающий эффект, эти крупные проекты могут привести к непредвиденному потеплению климата. Таким образом, для правильной оценки ожидаемых климатических результатов таких проектов и их экономической эффективности (25) необходим детальный, пространственно явный анализ контрастирующих последствий залесения (23, 24).
Крупномасштабное облесение может привести к уничтожению редких видов, которые зависят от незалесенных засушливых земель, и, таким образом, может иметь серьёзные последствия для биоразнообразия (26–29). Такого вымирания можно избежать, ограничив облесение конкретными районами региона, а не покрывая лесами всю имеющуюся территорию (30, 31). В любом случае, соображения относительно сохранения биоразнообразия накладывают дополнительные ограничения, которые ещё больше ограничивают количество земель, доступных для облесения.
Учитывая затраты на крупномасштабное залесение, а также возможные последствия для биоразнообразия, возникающие в результате изменений в земельном покрове, крайне важно получить (i) точные оценки климатических выгод от облесения засушливых земель для конкретного участка и (ii) надежную глобальную оценку максимального потенциального вклада крупномасштабного залесения засушливых земель как инструмента смягчения последствий потепления климата.
Следовательно, основная цель этого исследования состоит в том, чтобы провести пространственный анализ с высоким разрешением для выявления засушливых земель с потенциалом облесения и оценить фактические климатические выгоды от проведения глобальных действий по облесению в этих районах, включая секвестрацию углерода и влияние альбедо.
Чтобы определить потенциальные засушливые земли для действий по облесению, включающих преобразование низкой растительности в густой лесной покров, мы использовали анализ пригодности (suitability analysis), основанный на земном покрове и биологических критериях. Мы изучили потенциальный вклад облесения как подхода к смягчению последствий изменения климата, включая как секвестрацию углерода, так и влияния альбедо. Для этого использовалась комбинация инструментов дистанционного зондирования и оценок, основанных на данных (более подробную информацию см. в разделе «Методы» в дополнительных материалах).
Чтобы расширить нашу сферу деятельности за пределы облесения, мы также использовали два ранее опубликованных набора данных по восстановлению лесов (3, 20), в которых применялись критерии, отличные от критериев нашего исследования. Оба исследования допускали посадку деревья на территориях, уже покрытых древесной растительностью (уплотнение), и предложили посадку деревьев на территориях, которые когда-то были покрыты лесами (лесовосстановление). Наше же исследование было сосредоточено на полузасушливых районах, которые ранее не были покрыты лесами (облесение).
Затем мы смоделировали эффекты секвестрации углерода и альбедо для карт лесовосстановления, используя тот же метод, что и для нашей карты облесения. Наконец, мы объединили три карты лесных массивов, чтобы смоделировать максимальный потенциал смягчения последствий изменения климата, которого можно достичь благодаря залесению засушливых земель по всему миру.
Результаты дают количественную оценку опубликованных предположений о том, что изменение климата можно смягчить за счёт залесивания предположительно больших незалесенных территорий засушливых земель.
Наш пространственный анализ с высоким разрешением мировых полузасушливых и засушливых субгумидных земель (плодородные земли с достаточным увлажением, но подверженные эрозии при неправильном землепользовании — прим. пер.) и связанный с ним анализ пригодности облесения выявил 448 млн га глобальных засушливых земель, потенциально пригодных для облесения (рис. 1А; ~6% глобальной площади засушливых земель).
Оставшаяся засушливая территория (~94%) была исключена как непригодная для облесения. Исключенными территориями были городские районы (<1%), водоёмы и водно-болотные угодья (2%), пахотные земли (17%), территории выше линии леса (3%), кустарниковые и лесные территории с покрытием древесной растительности выше нашего 15%-го порогового значения (25%), а также засушливые и гиперзасушливые земли (AI <0,2), несовместимые с выживанием деревьев (47%).
(от A до G) Результаты NESC, рассчитанные как чистая разница между потенциалом поглощения углерода (ΔSP) и эквивалентом выбросов коротковолнового радиационного воздействия (EESF), возникающим из-за изменений альбедо, вызванных залесением. Цвета представляют диапазон эффекта NESC, где NESC рассчитан в единицах тонн углерода на гектар за срок жизни леса в 80 лет (2020–2100 годы): сильное потепление, NESC ≤ −50; слабое потепление −50 < NESC ≤ 0 (представляет собой почти нейтральный климатический эффект);
слабое охлаждение, 0 < NESC ≤ 50; и сильное охлаждение, NESC > 50 (представляет собой наибольший потенциальный эффект охлаждения климата). Темно-серый фон указывает на полное распространение глобальных засушливых земель [определенных как семиаридные и сухие субгумидные земли в диапазоне индекса аридности (AI) 0,05 < AI ≤ 0,65]. (A) Глобальная карта. Увеличенные карты засушливых земель в (B) Казахстане, (C) Монголии, (D) северо-восточном Китае (Внутренняя Монголия), (E) США, (F) Южной Африке и (G) Австралии. Интерактивную карту результатов можно найти здесь.
Затем мы смоделировали последствия облесения этих 448 млн га в течение 80 лет (с 2020 по 2100 год; как консервативная продолжительность жизни лесов в этих регионах). За этот период мы оценили чистый совокупный потенциал секвестрации углерода (ΔSP) при облесении в 32,3 Гт C.
Однако расчётный эквивалент выбросов коротковолнового воздействия (Emissions Equivalent of Shortwave Forcing, или EESF), связанный с пониженным альбедо после залесения ранее незалесенных засушливых земель, значительно снизил этот потенциал. Наш анализ показал, что 22,6 Гт C необходимо секвестировать в течение этого периода, чтобы компенсировать EESF, возникающий из-за действий альбедо (в зависимости от продуктивности и изменения альбедо близлежащих лесов относительно состояния текущей растительности; см. Методы).
Следовательно, чистое климатическое изменение (рассчитанное как изменение чистого эквивалентного запаса углерода (Net Equivalent Carbon Stock Change), NESC = ΔSP − EESF), приводящее к охлаждению, было эквивалентно секвестрации всего лишь 9,7 Гт C до 2100 года (Таблица 1).
| Сценарий залесения | Сумма по всей площади (Гт C) | Средние значения (t C га−1) | ||||
| ΔSP | EESF | NESC | ΔSP | EESF | NESC | |
| Облесение (текущее исследование) | ||||||
| Всего (448 млн га) | 32.3 | 22.6 | 9.7 | 72.1 | 50.5 | 21.6 |
| NESC > 0 (251 млн га) | 27.8 | 10.1 | 17.7 | 110.7 | 40.1 | 70.6 |
| Лесовосстановление [Popatov et al. (20)] | ||||||
| Всего (1134 млн га) | 75.9 | 30.3 | 45.6 | 66.9 | 26.7 | 40.2 |
| NESC > 0 (836 млн га) | 76.5 | 19.1 | 57.4 | 91.5 | 22.9 | 68.6 |
| Лесовосстановление [Bastin et al. (3)] | ||||||
| Всего (1882 млн га) | 57.1 | 27.1 | 30.0 | 30.3 | 14.4 | 16.0 |
| NESC > 0 (1148 млн га) | 65.9 | 8.0 | 57.9 | 57.4 | 6.9 | 50.4 |
| Максимальный потенциал смягчения | ||||||
| NESC максимум (1804 млн га) | 143.5 | 29.9 | 113.6 | 79.6 | 16.6 | 63.0 |
Значения изменения чистого эквивалентного запаса углерода (NESC) и его компонентов, чистого потенциала поглощения углерода (ΔSP) и эквивалента выбросов коротковолнового радиационного воздействия (EESF), где NESC = ΔSP − EESF, представлены для 80-летнего срока жизненного цикла леса, суммированные (первые три столбца) и усреднённые (последние три столбца) для всей залесенной территории. Для каждого сценария результаты представлены как для общей площади потенциального залесения («Всего»), так и только для залесения в областях, где оно имеет охлаждающий эффект («NESC > 0»). Максимальный потенциал смягчения выбирается как максимальное значение NESC на пиксель для всех трёх сценариев залесения. Оценки поглощения углерода для ΔSP основаны на данных дистанционного зондирования и фактических измерениях потоков в соответствующих областях (см. Материалы и Методы в дополнительных материалах).
Пространственное распределение климатических эффектов нашей потенциальной схемы облесения засушливых земель представлено на Рис. 1. Мы обнаружили, что эффекты облесения следуют чёткой пространственной схеме с отрицательным NESC (т.е. согревающими эффектами) в высоких широтах и положительным NESC (т.е. , охлаждающими эффектами) в более низких широтах. Эти закономерности указывают на то, что облесение в таких странах, как Южная Африка и Австралия, приведёт к положительным значениям NESC (Рис. 1, F и G), тогда как облесение в Казахстане и Монголии приведёт, вероятно, к большим отрицательным значениям NESC (Рис. 1, B). и С). Промежуточные результаты указаны для облесения в Китае и США (Рис. 1, D и E).
Чтобы оценить диапазон потенциальных последствий от схем облесения и лесовосстановления, мы сравнили климатические последствия облесения (с точки зрения NESC). Для этого мы использовали данные предыдущих исследований. Это сравнение фокусируется не только на облесении как таковом, но включает лесовосстановление с разнообразным лесным покровом и уплотнение существующих лесов, на основе сценариев лесовосстановления Potapov и др. (20) и Bastin и др. (3).
Общая площадь, предложенная для облесения в нашем исследовании, составляет 448 млн га, или 6% от общей площади засушливых земель мира. Сценарии лесовосстановления Potapov и др. (20) и Bastin et al. (3) охватывали возможные площади для залесения, которые были соответственно в три и четыре раза больше, чем наша площадь облесения (15 и 25% от глобальной площади засушливых земель соответственно; Таблица 1 и Рисунки S1–S3).
Мы смоделировали предполагаемые эффекты похолодания и потепления в засушливых районах, предложенные в каждом из этих сценариев, используя тот же протокол и в течение того же 80-летнего жизненного цикла леса, который мы применили к нашей карте облесения (Таблица 1 и Рисунки S1–S3). Для сравнения различных сценариев мы рассчитали эффективность смягчения последствий изменения климата как нормализованный уровень NESC на единицу лесной площади.
Эффективность смягчения последствий изменения климата была самой высокой у Потапова и др. (20) сценарий лесовосстановления [40,2 тонны углерода на гектар (т C га-1)] и самый низкой для сценария Бастина и др. (3) (16,0 т C га-1). При этом наш сценарий облесения показывает промежуточную эффективность (21,6 т C га-1) (Таблица 1).
Мы также смоделировали применение подхода «умного залесения» к обоим сценариям в течение 80-летнего периода. Из анализа умных залесений были исключены места, где наше моделирование прогнозировало чистые эффекты потепления (Таблица 1, NESC < 0; т. е. области, выделенные красным на Рис. 1).
В нашей схеме облесения применение умного залесения примерно вдвое сократило потенциальную площадь облесения, почти удвоив при этом общие значения NESC и более чем в три раза увеличив эффективность смягчения последствий изменения климата, измеряемую средними показателями NESC на гектар (Таблица 1).
Значительное увеличение эффективности смягчения последствий изменения климата было также обнаружено как у Bastin и его коллег (увеличение в три раза) и Potapov с соавторами (почти двукратное увеличение). Применение умного залесения увеличило общий NESC для данного исследования, исследования Potapov и др. (20) и исследования Bastin и др. (3) в 1,8, 1,3 и 1,9 раза соответственно (Табл. 1).
Мы использовали результаты всех трёх сценариев умного облесения для получения первоначальной оценки верхнего предела, до которого облесение может потенциально смягчить изменение климата через увеличение чистого удержания углерода. С этой целью мы объединили три доступных сценария потенциала смягчения [текущее исследование, Potapov и др. (20) и Бастин и др. (3)], выбрав максимальное значение NESC на пиксель для трёх сценариев. Как и ожидалось, это привело к самому высокому общему значению (NESC) за 80-летний период моделирования (113,6 млрд тонн углерода), однако не к самой высокой эффективности смягчения изменения климата (Таблица 1).
Затем, чтобы оценить максимальный потенциал залесения для смягчения потепления, мы использовали сценарий максимального потенциала смягчения. Исследование инициатив по залесению в северном Китае, регионе Сахель в Африке и на севере Ближнего Востока показало, что, соответственно, 25%, 44% и 40% потенциальных залесенных площадей всё ещё будут иметь чистый эффект потепления климата после 80 лет усилий по залесению (Рис. S4 и Таблица S1). Очевидно, что планировщики залесения и лица, принимающие решения, должны учитывать потенциал потепления климата при выборе территорий для инициатив по залесению.
Наконец, для всех сценариев был оценён вклад, который облесение засушливых земель может потенциально внести в компенсацию выбросов парниковых газов в эквиваленте CO2 к 2100 году, как это обобщено в Таблице 2. Мы использовали выбросы в эквиваленте CO2, предсказанные World Climate Simulator (C-ROADS 2015) для сценария с высокими выбросами [обычного развития, или business-as-usual (BAU)]; сценарий со средними выбросами [предполагаемый определяемый на национальном уровне вклад (Intended Nationally Determined Contribution, INDC) в сокращение выбросов парниковых газов, по состоянию на сентябрь 2015 года]; и сценарий с низкими выбросами, призванный ограничить повышение глобальной температуры на 2°C по сравнению с доиндустриальным уровнем (2C).
Учитывая обширную территорию и значительный потенциал поглощения углерода, удивительно, что глобальный потенциал крупномасштабного залесения засушливых земель для смягчения изменения климата относительно невелик. Это является результатом большого EESF в этих регионах.
Если рассматривать прогнозы BAU, то даже сценарий максимального потенциала смягчения может компенсировать всего 5% совокупных выбросов в течение следующих 80 лет (Таблица 2). Только при весьма оптимистичном сценарии 2C (который предполагает сокращение выбросов всего до 25% от их значений по сценарию BAU) доля выбросов, которые потенциально можно смягчить за счёт глобального залесения (затрагивающего >20% площади засушливых земель), возрастает почти до одной пятой (19%).
| Реакция на изменение климата | Глобальные эмиссии CO2-эквивалента (Гт C) | Доля (%) глобальных выбросов CO2-эквивалента, которые можно потенциально смягчить путём залесения засушливых земель, достигаемое через: | |||
| Облесение(текущее исследование) | Лесовосстановление[Potapov и др. (20)] | Лесовосстановление[Bastin и др. (3)] | Потенциал максимального смягчения | ||
| BAU | 2390 | 0.7 | 2 | 2 | 5 |
| INDC | 1592 | 1.1 | 4 | 4 | 7 |
| 2C | 608 | 2.9 | 9 | 10 | 19 |
Оценка глобальных CO2 эквивалентов выбросов парниковых газов и доля выбросов, которые потенциально могут быть смягчены за счёт залесения засушливых земель, представлены для трёх возможных сценариев выбросов. Четыре сценария облесения засушливых земель определены так же, как и в Таблице 1 (ограничены областями, в которых они имеют охлаждающий эффект; NESC > 0). Глобальные выбросы парниковых газов, предсказанные для каждого сценария реагирования на изменение климата на основе мирового климатического симулятора C-ROADS (34), накопленные за жизненный цикл леса в 80 лет (2020–2100). Рассматриваемые реакции на изменение климата включали: обычное развитие (business-as-usual, или BAU); предполагаемый национально определяемый вклад в сокращение выбросов парниковых газов по состоянию на сентябрь 2015 года (Intended Nationally Determined Contributions, или INDC); и обязательства по контролю выбросов парниковых газов для ограничения глобального потепления на 2°C по сравнению с доиндустриальными значениями (2C).
Важно отметить, что залесение, если оно тщательно спланировано и реализовано, может принести пользу на местном уровне, включая предотвращение эрозии почвы, рекреацию, местное испарительное охлаждение и, возможно, увеличение количества осадков (4, 5, 32). Более того, хотя наше исследование моделирует выгоды на 80-летний период, леса засушливых зон могут длительнее сохранять в своих почвах значительный углеродный резерв (carbon stock) — благодаря большому потенциальному запасу углерода в их почвах(18, 19), что обеспечивает долгосрочное смягчение климатического потепления.
Предыдущие оценки потенциала смягчения последствий потепления климата посредством крупномасштабных проектов по восстановлению лесов предсказывали, что эффект смягчения последствий будет гораздо большим, чем результаты этого исследования. Используя карту восстановительных возможностей от Potapov и его коллег (20), Griscom с со-авторами (2) подсчитали, что за 80-летний период существования лесов глобальное лесовосстановление на площади 700 млн га во всём мире (~30% в засушливых районах) может смягчить потепление климата до максимального уровня 200 Гт C. Это почти вдвое превышает полученное нами значение. Это означает, что потенциал секвестрации лесных массивов на единицу площади составит ~300 т C га-1 за этот период.
Аналогично, Bastin и др. (3) оценили потенциальную плотность запасов углерода для восстановления пустынь, ксерических кустарников и средиземноморских лесов в ~200 т C/га. Обе оценки значительно выше, чем в настоящем исследовании. Эти различия, вероятно, возникают в результате дополнительного рассмотрения в данном исследовании двух основных факторов: (i) потенциальной секвестрации нынешнего растительного покрова до лесовосстановления; и (ii) согревающий эффект, возникающий в результате уменьшения альбедо залесенных засушливых земель.
Наши результаты демонстрируют важность оценок планов по смягчению последствий потепления климата, включая эффект потепления, возникающий в результате снижения альбедо глобального залесения засушливых земель. Учёт альбедо и недопущение залесения засушливых земель, где залесение будет иметь чистый согревающий эффект (NESC < 0, таблица 1), почти удваивает общее ожидаемое влияние на климат. Действия по залесению в районах с отрицательным NESC рискуют усугубить, а не смягчить глобальное потепление.
Наш анализ не включает в себя дополнительные эффекты, которые могут ещё больше усложнить оценку смягчения последствий изменения климата в результате залесения. Это такие факторы, как влияние изменения климата на температуру атмосферы, облака или степень радиационного охлаждения (в результате подъёма длинноволновой радиации). Такие эффекты влияют как на продуктивность, так и на альбедо и могут привести к тому, что засушливость некоторых земельных участков выйдет за пределы рассматриваемого здесь диапазона пригодности лесного хозяйства (0,2 < AI ≤ 0,65) [например, (33)].
Подробный анализ воздействия изменения климата выходит далеко за рамки настоящего отчёта, но для первого приближения мы провели перекрестный анализ путём наложения карт ожидаемого AI в 2100 году с учётом сценария BAU [+4°C (33)] на нашу карту лесов. Мы обнаружили, что к 2100 году ~3% потенциальных лесных площадей (~10 млн га) перейдут в сторону более засушливых значений аридности, ниже нашего минимального порога AI, равного 0,2. Этот анализ показывает, что будущее изменение климата окажет лишь незначительное влияние на наши оценки площадей, доступных для залесения, и не меняет наших выводов.
Таким образом, мы показываем, что крайне важно оценивать возможности облесения с точки зрения их потенциала смягчения климатического потепления, и что это может значительно улучшить охлаждающий эффект возможностей залесения (как погектарно, так и на общую площадь земель). Усилия по залесению, сосредоточенные на ограниченных территориях с потенциалом чистого климатического охлаждения, могли бы выиграть от карт высокого разрешения (1 км), подобных тем, которые разработаны в настоящем исследовании. В целом, мы оцениваем общий вклад в компенсацию выбросов CO2, который можно получить в результате всех действий по залесению засушливых земель, как ограниченный и подчёркиваем необходимость быстрого сокращения выбросов для достижения климатических целей.
