Carbon sequestration rates in coastal Blue Carbon ecosystems: a perspective on climate change mitigation

Abstract

Recentment s'ha descobert que els ecosistemes costaners, també coneguts com a embornals de carboni blau (praderies de fanerògames marines, manglars i marjals) igualen o fins i tot superen la capacitat dels ecosistemes terrestres per a segrestar carboni. Aquest fet ha conduït al desenvolupament d'una prometedora estratègia per a la mitigació del canvi climàtic, anomenada “Blue Carbon”, basada en la conservació i la restauració d'aquests hàbitats. No obstant això, la inclusió del segrest de carboni blau com a component en els plans i polítiques per a la mitigació del canvi climàtic requereix determinar amb precisió la quantitat de carboni orgànic (CO) retingut en aquests ecosistemes, com s'acumula amb el temps, i quin és el seu destí si els embornals de carboni blau es veuen degradats. L'objectiu d'aquesta tesi se centra en respondre aquestes preguntes quantificant les taxes d'acumulació de CO en els sediments d'ecosistemes costaners naturals i degradats de praderies marines i manglars. Per fer-ho, utilitzem la radiocronologia de sediments costaners utilitzant el 210Pb i n’avaluem els seus potencials i limitacions. Contribuïm amb l'anàlisi de 167 noves taxes d'acumulació de CO en sediments de praderies marines per avaluar la seva contribució al segrest de carboni a l’oceà i determinem el risc de pèrdua dels dipòsits de CO emmagatzemats als sediments de praderies marines i boscos de manglars després de la seva pertorbació. Els resultats fan reconsiderar alguns dels paradigmes acceptats a la ciència del "blue carbon": que els estocs de CO constitueixen una mesura de l'eficiència del seu segrest, que les taxes de segrest de carboni a praderies marines són ordres de magnitud superiors a les dels boscos terrestres, o que la pertorbació dels hàbitats dona com a resultat la pèrdua de la major part o la totalitat de l'estoc de CO prèviament segrestat. Globalment, vam trobar que les taxes de sedimentació als embornals de carboni blau determinen més acuradament l'eficiència de segrest de CO, independentment de la quantitat de CO als seus sediments. Tenint en compte les incerteses associades a la tècnica del 210Pb, hem estimat que les taxes de segrest de CO als sediments de les praderies marines oscil·len entre 20 i 30 g C m-2 yr-1 (o 6 -18 Tg C yr-1, globalment). Això suposa un rebaixa de 7 vegades el segrest reconegut anteriorment. Tanmateix, les estimacions revisades, encara són extraordinàriament elevades. A escala global, l'enterrament anual de CO en sediments de praderies marines contribueix entre el 4 i el 8% del CO total enterrat a l'oceà, àdhuc i ocupar menys del 0,1% de la seva superfície. La degradació dels ecosistemes costaners causa la pèrdua del CO emmagatzemat a un ritme molt més elevat que el del seu segrest. Això pot succeir en el transcurs de mesos a anys, depenent del tipus de pertorbació i de la grandària dels dipòsits de CO. Tant la pèrdua de praderies a causa d'una onada de calor marina a Austràlia, i la desforestació de manglars a Madagascar van causar pèrdues d’entre el 4 i el 20% (a les praderies) i del 20% (als manglars) del CO emmagatzemat en el primer metre de sediment després de 3 i 10 anys de la pertorbació. En tots dos estudis, les taxes de pèrdua de CO en hàbitats degradats van ser varies (> 4) vegades superiors a les taxes de retenció de CO sota condicions intactes, la qual cosa suggereix que el potencial real per a mitigar les emissions de carboni està en la conservació dels embornals de carboni blau existents i en la immediata restauració dels ecosistemes degradats per a així evitar emissions de gasos d’efecte hivernacle addicionals i rebaixar els costos de mitigació.

Coastal blue carbon ecosystems (seagrasses, mangroves and tidal marshes) have recently been found to match or even exceed the capability of terrestrial ecosystems to sequester organic carbon (OC) per unit area. This has led to the development of a promising new strategy for climate change mitigation, termed Blue Carbon, based on the conservation and restoration of these habitats. But including blue carbon sequestration as a component in schemes and policies for climate change mitigation and adaptation requires determining precisely how much OC these ecosystems hold, how it accumulates over time, and which is its fate after habitat conversion and degradation. The aim of this thesis was to resolve these questions by quantifying OC sequestration rates and their controls over contemporary (∼100 yr) time scales in sediments of natural and degraded coastal blue carbon ecosystems, with a focus on seagrass and mangrove habitats. To accomplish this aim, we used the 210Pb dating technique to assess the rate of OC accumulation in sediments and evaluated its potentials and limitations. We reassessed OC sequestration rates in seagrass ecosystems by compiling and analyzing 167 new OC accumulation rates in seagrass sediments worldwide, and assessed the vulnerability of sediment OC stores in seagrass meadows and mangrove forests to be remineralized after ecosystem disturbance. Results re-considered some of the accepted paradigms of ‘blue carbon’ science: that OC stocks are a measure of OC sequestration efficiency, that the sequestration rates of seagrass ecosystems are orders of magnitude higher than those of terrestrial counterparts, or that habitat disturbance will result in the loss of most or all of the OC stock previously sequesterd. We found that sedimentation rates were a better predictor of OC sequestration efficiency in sediments of coastal blue carbon ecosystems than it was the sediment OC content. Considering 210Pb dating models and associated uncertainties, contemporary global OC accumulation rates in seagrass beds were reassessed and estimated at 20 – 30 g C m-2 yr-1 (or 6 – 18 Tg C yr-1, globally). This was 7 times lower than previously acknowledged, nonetheless, the revised estimates, based on the best available contemporary data, are still extraordinarily high. On a global scale, OC burial in seagrass sediments contributes between 4 and 8% to the total OC buried in ocean sediments. Additionally, its significance as C sinks could be larger, while only 10% of their net community production is buried in immediate sediments, the remaining 90% (32 – 65 Tg C yr-1) production is exported to adjacent systems, a fraction of which could be buried beyond the meadows or preserved in the deep sea. Physical disturbance and habitat loss caused losses of sediment OC over the course of months to years depending on the type of disturbance and the size of the OC stock. Using satellite imagery and a published model of OC decomposition, we quantified that between 4 and 20% of the C stock in the upper meter of degraded seagrass sediments was remineralized 3 years following a marine heatwave in Shark Bay, Western Australia. In mangroves, direct measurements of sediment OC revealed that a 20% of the top meter C stock was lost 10 years following deforestation. In both studies, the rates of OC loss in degraded habitats were several (> 4) times higher than the rates of OC sequestration under intact conditions suggesting that the real potential of blue carbon ecosystems to mitigate greenhouse gas emissions is towards the preservation of existing habitats and restoration of lost habitats, which can result in avoided significant GHG emissions.