Obieg węgla w ekosystemie leśnym

1 Węgiel na Ziemi

Węgiel jest podstawowym pierwiastkiem budującym organizmy żywe. Na Ziemi wyróżniamy 5 głównych pul C. Największa z nich to oceany gromadzące 38000 t *109 C, następnie litosfera (5000 t*109C), gleba (2500 t *109 C), atmosfera (720 t *109 C) i biomasa nadziemna (620 t *109 C). Między komponentami zachodzi nieustanna wymiana C. Największa między oceanami, a atmosferą (ok. 100 t *109 C/rok w każdą stronę).

Dla człowieka najistotniejsze są te elementy obiegu, w które może on zaingerować. Pod tym względem największe możliwości istnieją w puli węgla zawartego w biomasie nadziemnej i glebie. Rośliny i gleba wymieniają z atmosferą 20 razy więcej węgla, niż jest emitowane do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych. Wzrost zawartości C w atmosferze, który powoduje efekt cieplarniany to zaledwie znikoma część tej wymiany (ok. 3,4 t *109 C/rok). Ograniczenie wzrostu koncentracji węgla w atmosferze wymaga, więc niewielkich zmian w tym przepływie. Ekosystemem, stwarzającym największe możliwości w tej dziedzinie jest las. W nim to zachodzą procesy zarówno pochłaniania jak i uwalniania węgla do atmosfery Zachodzą one w różnym tempie i zależą do wielu czynników.

2 Obieg węgla w lesie

Węgiel akumulowany jest w lesie w różnych częściach ekosystemu w rozmaitych ilościach, co przedstawia ryc.1. Kierunki przepływu węgla między poszczególnymi elementami obrazują strzałki.

ryc1. Obieg węgla w drzewostanie (wg. Forestry Canada, 1992)

A Absorpcja i akumulacja C

Pochłanianie węgla przez rośliny zachodzi na drodze fotosyntezy. Jest to proces produkcji substancji odżywczych (cukrów) z wykorzystaniem atmosferycznego CO2, wody i energii słonecznej. Substancje wykorzystywane są do wytworzenia liści, pączków i korzeni słowem do budowy ciała roślin. W tej postaci zostają na dłużej wiązane w organizmie roślin drzewiastych.

Czynniki wpływające na przebieg fotosyntezy

Wyrazem intensywności fotosyntezy u drzew jest wielkość rocznych przyrostów na grubość i wysokość. Zależy ona przede wszystkim od warunków wzrostu roślin, czyli klimatu, siedliska i w mniejszym stopniu lokalnych warunków terenu, jak również od wieku i składu gatunkowego drzewostanu.

Warunki wzrostu - klimatyczne (zmienność sezonowa i strefowa), siedliskowe i terenowe

Wyrazem czynników klimatycznych jest temperatura i wilgotność. Generalna zasada mówi, iż wraz ze wzrostem temperatury i wilgotności wzrasta intensywność fotosyntezy, jednak do pewnych granic. Zarówno temperatura jak i wilgotność zmieniają się sezonowo i strefowo. W okresie zimy fotosynteza jest silnie ograniczona, a w okresie ciepłym największą intensywność osiąga na wiosną przez okres około miesiąca. W ujęciu strefowym największa intensywność fotosyntezy jest w lasach tropikalnych, a najmniejsza w borealnych. Nie przekłada się to jednak bezpośrednio na wielkość akumulacji C, ponieważ również procesy uwalniania CO2 są w lasach tropikalnych najintensywniejsze.

Im Siedlisko lepsze, bardziej zasobne w składniki odżywcze i bardziej odpowiednie do wymagań gatunku tym większa jest intensywność fotosyntezy i przyrosty.
Warunki terenu, czyli ekspozycja i nachylenie w wymiarze lokalnym mogą mieć duże znaczenie. Im bardziej stromo tym drzewom rośnie się gorzej. Najlepsze są ekspozycje południowa i i wschodnia, w których do koron dociera najwięcej światła, co powoduje zintensyfikowanie procesu.

Wiek i skład gatunkowy drzewostanu

Kolejnym istotnym czynnikiem wpływającym na wielkość przyrostów jest wiek drzew i wynikający z niego wiek drzewostanu. Zmiany intensywności przyrastania wraz z wiekiem obrazuje wykres ryc.2. Największe pochłanianie CO2 występuje w młodości, gdy drzewo intensywnie przyrasta. Tempo przyrostu i czas jego kulminacji zależy od gatunku. Dla gatunków światłożądnych, szybkorosnących jak modrzew, czy sosna, maksymalny przyrost przypada na 30-50 rok życia, w przypadku gatunków cienioznośnych jak cis, czy jodła może być to nawet 35-80 i więcej lat. W drzewostanach jednogatunkowych i jednowiekowych procesy opisane dla pojedynczego drzewa można odnieść do drzewostanu. W przypadku drzewostanów złożonych z różnych gatunków o urozmaiconej budowie opis jest trudniejszy.

Akumulacja

Jak już wcześniej wspomniano zasymilowany węgiel jest w różnej postaci akumulowany w drzewach. Czas tej akumulacji zależy od podobnych czynników jak przyrost. W przypadku żywej materii organicznej największe znaczenie ma czas życia drzew, co jest zależne od gatunku. Średni wiek wyrębu to 100 lat, choć w naturze zdarza się, że sosna żyje 300-350, a dąb 400-500 lat.
Drugim istotnym miejscem akumulacji węgla jest martwa materia organiczna w postaci ściółki. Tempo jej dekompozycji, a co za tym idzie czas akumulacji zależy w dużym stopniu od panujących warunków termicznych i wilgotnościowych jak i samego rodzaju martwej materii. W przypadku opadu gatunków drzew leśnych czas rozkładu waha się od ok. 3 lat dla grabu do ok. 14 lat dla sosny i 37 lat dla buka.
Ważnym rezerwuarem węgla jest gleba. W początkowych stadiach tworzenia gleby zawsze przybywa materii organicznej. Tempo akumulacji waha się od 0,2 gC/m2/rok w tundrze do 15 gC/m2/rok w tajdze. Inne ekosystemy mają wartości pośrednie co obrazuje tab1. Sam proces tworzenia gleby może trwać od kilkuset do kilkunastu tysięcy lat. Tempo akumulacji w dojrzałych ekosystemach może spaść nawet do zera lub utrzymywać się na stale wysokim poziomie. Jeszcze istotniejsze z punktu widzenia rozważanego tematu jest czas akumulacji materii organicznej w ściółce (tab.1), który w tajdze wynosi 353 lata. Wynika to przede wszystkim z panujących tam warunków klimatycznych.

Tab1. Tempo akumulacji oraz czas zatrzymania materii organicznej w różnych typach ekosystemów lądowych (wg Schlesingera, 1991)

Typ ekosystemu	Tempo akumulacji [gC/m2/rok]	Czas zatrzymania materii organicznej w ściółce [lata]
Tundra	0,2	-
Tajga	11,7-15,3	353
Las iglasty strefy umiarkowanej	6,8-10,0	17
Las liściasty strefy umiarkowanej	0,7-5,1	4
Zarośla śródziemnomorskie	-	3,8
Równikowy las deszczowy	2,3-2,5	0,4

B Uwalnianie C - oddychanie i rozkład materii organicznej

Procesy, w których CO2 jest uwalniany do atmosfery to oddychanie oraz rozkład materii organicznej. Wcześniej omówiono materię organiczną, głównie w postaci ściółki jako rezerwuar C, jednak jako martwe drewno, gałęzie i korzenie jest ona Ąródłem uwalniania co2 do atmosfery. W tym wypadku tempo również uzależnione jest od wilgotności i temperatury, a także w dużej mierze od rozmiaru drewna, a w mniejszym stopniu od jego gatunku. W górach w warunkach regla dolnego gruba kłoda jodłowa rozkłada się do 50lat, natomiast podobnych rozmiarów świerk w reglu górnych nawet ponad 100lat. Generalnie drewno gatunków liściasty w podobnych warunkach rozkłada się szybciej niż iglastych.