Растенията “предпочитат” по-високи атмосферни температури и концентрации на CO2

Покачването на концентрациите на атмосферния въглероден диоксид е една от най-добре документираните промени на глобалната атмосфера за последния век. Полагат се много усилия, за да се установи как растенията и екосистемите ще реагират на покачване на CO2. Основните ефекти върху растенията са документирани и включват редукция на проводимостта и отделяне при растителните пори, подобрена водна ефективност, по-високи нива на фотосинтеза, по-ефективно използване на светлината (1).

Според Greanpeace растенията не могат да се адаптират към високи температури и високи концентрации на CO2, но данните сочат обратното. При тези условия те използват по-добре водните си ресурси и губят по-малко вода при изпаряване. Те са по-ефективни.
Това е обяснява лесно. Растенията са фотоавтотрофи, чиито оптимални условия далеч не са наблюдаваните. Всеки организъм има различни оптимални условия, при които се развива най-добре и бързо. За растенията това са високи температури и високи концентрации CO2. Всеки вид увеличава биомасата си висока концентрация на предпочитания от него въглероден източник. http://www.greenpeace.org/international/en/campaigns/climate-change/impacts/habitat_loss/

По-голяма част от тези заключения са резултат от проучвания върху единични видове в контролирани условия (2 – 11). Но докато заключенията от тези експерименти оформят фундаментите на нашето познание за физиологичния, растителен отговор към покачването на концентрацията на въглеродния диоксид, има сериозни ограничения при използването на затворени и контролирани експериментални установки. Това може да доведе до нереални резултати – изкуствено понижаване на фотосинтетичната активност, може да се създаде изкуствен парников ефект, който надвишава реално наблюдавания. Освен това затворените помещения имат лимит в размерите, което означава, че не може да се проследи развитието на дървета например. Отглеждането в саксии пък ограничава пространството за развитие на корени, което ограничава развитието на растенията и възможността да фиксират атмосферен въглерод.

FACE система

Експериментите с обогатяване с въглероден диоксид в големи мащаби (FACE експерименти) позволяват излагане на изпитваните растенията на CO2 при естествени условия. FACE технологията използва множество хоризонтални тръбни инсталации, за да изпуска струи обогатен на въглероден диоксид въздух или чист CO2 газ. Тази технология разчита на естествените ветрове, за да се разпространи газът на територията на експерименталната площадка. Но първата използвана такава система е разчитала на големи вентилатори (12, 13). Тази технология позволява да се контролира много точно и специфично концентрацията на въглероден диоксид върху определена територия, което е важно за добиване на стойностни аналитични данни (14).

Засилена консумация на въглерод по време на фотосинтеза

Повишените нива на CO2 увеличава интензивността на фотосинтезата чрез засилване на процеса карбоксилиране от ензимния комплекс Рубиско и напълно инхибиране на окислението на рибулозо-1,5-бифосфат (15). Излагане на повишени нива на CO2 води до покачване на фотосинтетичната активност при наситените с фотони листа с цели 31% и 28% повишаване на усвояването на въглероден диоксид по време на фотосинтеза.

Растенията се разделят на две основни групи – C3 и C4. Разделението е на база на използваните (едноименни) метаболитни пътища за фиксиране на въглероден диоксид. Изследователите са смятали, че C4 видовете няма да имат никакви ползи от покачването на атмосферния въглероден диоксид. Но метаанализ показва, че C3 и C4 тревисти видове (Poaceae) проявяват интензивно засилване на фиксацията на CO2 с 33% и 25% (11). Освен това при C3 има по-ефективно използване на вода (цели 68% подобрение), което означава, че не се обезводняват и успешно се предпазват от неефективни изпарения на флуиди.

Температура и стрес

Теоретично е предсказано, че фотосинтезата при повишени нива на CO2 е по-интензивна при по-високи температури (7). Този модел е подкрепен от експериментални данни, които сочат, че растенията се чувстват по-добре при температури по-високи от 25 градуса. При по-високи температури и повишена концентрация на CO2 ефективността от усвояване на фотоните е увеличена с цели 30%. Озонът също увеличава ефективността от усвояването на светлинната енергия, докато лимитираното количество на азотни съединения понижава ефективността. Средно растенията без стрес имат с 36% подобрена ефективност, а при наличен озон тази ефективност се увеличава до 59%.

Източникът на азот е изключително важен. При недостатъчно количество може да се ограничи развитието на растението, както и самият процес на фотосинтеза. Това може да се дължи на пренасочване на наличните азотни съединения (аминокиселини) в растението към растежа на по-млади листа, което да ограничи синтеза протени важни за фотосинтеза.

Растеж, трупане на биомаса и селскостопански добиви

Растежът и продукцията на растителна биомаса над повърхността нараства с излагане на по-високи количества въглероден диоксид, но силата на този отговор варира между различните видове, сезони и експериментални условия. Покачване на концентрацията на CO2 води до по-високи растения с по-голям диаметър на стеблото, увеличено пъпкуване и по-голям брой листа. Интересното е, че стимулацияат на растеията с въглероден диоксид е по-засилено през третия растежен сезон, а не през първия или втория.

Един интересен въпрос е дали горската биомаса ще се увеличи при високи нива на CO2 (16). Резултатите показват, че се наблюдава силно увеличение на твърдата дървесна маса и увеличение на продукцията на надземна суха маса при дърветата с цели 28% при по-високи концентрации на парникови газове. Добивът при земеделските култури е увеличен с цели 17% (2, 17, 18, 19).

Растеж

Растеж на растения при различна концентрация на CO2

Височината на растенията се е увеличила през третата година, но не е била засегната през първите две години от излагането на CO2 газове. Тези резултати противоречат на очакването, че с времето стимулирането на растежа ще намалее и ще спре, което се обяснява с пренасочването на биомасата в различни части на растението (20). Увеличението в размера е по-видимо сред дървесни видове, отколкото сред тревисти.

Диаметърът на растенията се е увеличава средно с 9% и не повлиян от продължителността на излагане на CO2. Диаметърът силно се повлиява от наличен стрес. В някои експерименти не е наблюдавана промяна в разклоняването, но данните са оскъдни.

За 12 вида от 7 мащабни експеримента броят на листата е бил увеличен с 8% при растеж при повишени концентрации на CO2. Toва увеличение на дърветата се обяснява с увеличеният диаметър и височина. Това може да доведе до по-бързо създаване на сенчести горски образувания, потенциално увеличение на гъстотата при дървесно-тревните системи, както и при саванните и горските екосистеми.

Продукцията на суха маса над земята

Продукцията на суха маса над земята е увеличена с цели 20% за 29 предимно тревисти вида (19). При дърветата натрупването на суха маса е увеличено с 28%. Докладвано е, че при млади дървета натрупването на биомаса достига дори до 28.8% (21). Дърветата при недостиг на нутриенти (стрес) увеличават сухата си маса с 14%.

Селскостопански добиви

Средното увеличение на добивите варира между 17 и 35% при различните експерименти (2, 17, 18). По-високите концентрации на CO2 са стимулирали полета с памук да дадат добив с увеличение от цели 42%. Това се дължи на по-бързото развитие на листата (преди производство на плод), по-голям брой цветни образувания, по-дълъг период на натрупване на плодна маса (22). Пшеницата и царевицата също показват признаци за увеличаване на добивите. Тенденцията е пшеницата да дава с 15% повече зърно, което отговаря на моделите на Amthor (18). Ниското количество на азотни съединения в почвата или липсата на тор елиминират всякакви увеличения на добива, които се дължат на високите концентрации на CO2 (над 500-600 ppm).

Интересно е да се отбележи, че много изследователи препоръчват земеделските производители да инсталират системи за разпространение на CO2 (до концентрации 600 ppm) в обработваемите площи, за да имат увеличени добиви. Понижаване цените за управление на тези системи, подобрени контролни алгоритми и евтини или естествени източници на CO2 правят тази технология достъпна и дори е възможно да се създава градиент на различни местоположения.

Използвана литература:

1)      Drake BG, Gonzàlez-Meler MA, Long SP. 1997. More efficient plants: a consequence of rising atmospheric CO₂? Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 48: 609–639.

2)      Kimball BA. 1983. Carbon dioxide and agricultural yield: an assemblage and analysis of 430 prior observations. Agronomy Journal 75: 779–788.

3)      Ceulemans R, Mousseau M. 1994. Effects of elevated atmospheric CO₂ on woody plants. New Phytologist 127: 425–446.

4)      Gunderson CA, Wullschleger SD. 1994. Photosynthetic acclimation in trees to rising atmospheric CO₂: a broader perspective. Photosynthesis Research 39: 369–388.

5)      Amthor JS. 1995. Terrestrial higher-plant response to increasing atmospheric [CO₂] in relation to the global carbon cycle. Global Change Biology 1: 243–274.

6)      Curtis PS. 1996. A meta-analysis of leaf gas exchange and nitrogen in trees grown under elevated carbon dioxide. Plant, Cell & Environment 19: 127–137.

7)      Drake BG, Gonzàlez-Meler MA, Long SP. 1997. More efficient plants: a consequence of rising atmospheric CO₂? Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 48: 609–639.

8)      Curtis PS, Wang X. 1998. A meta-analysis of elevated CO₂ effects on woody plant mass, form, and physiology. Oecologia 113: 299–313.

9)      Saxe H, Ellsworth DS, Heath J. 1998. Tree and forest functioning in an enriched CO₂ atmosphere. New Phytologist 139: 395–436.

10)   Norby RJ, Wullschleger SD, Gunderson CA, Johnson DW, Ceulemans R. 1999. Tree responses to rising CO₂ in field experiments: implications for the future forest. Plant, Cell & Environment 22: 683–714.

11)   Wand SJE, Midgley GF, Jones MH, Curtis PS. 1999. Responses of wild C₄ and C₃ grass (Poaceae) species to elevated atmospheric CO₂ concentration: a meta-analytic test of current theories and perceptions. Global Change Biology 5: 723–741.

12)   Hendrey GR, Lewin KF, Nagy J. 1993. Free air carbon dioxide enrichment: development, progress, results. Vegetatio 104/105: 17–31.

13)   Lewin KF, Hendrey GR, Nagy J, LaMorte RL. 1994. Design and application of a free-air carbon dioxide enrichment facility. Agricultural and Forest Meteorology 70: 15–29.

14)   Hendrey GR, Ellsworth DS, Lewin KF, Nagy J. 1999. A free-air enrichment system for exposing tall forest vegetation to elevated atmospheric CO₂. Global Change Biology 5: 293–309.

15)   Drake BG, Gonzàlez-Meler MA, Long SP. 1997. More efficient plants: a consequence of rising atmospheric CO₂? Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 48: 609–639.

16)   Karnosky DF. 2003.Impacts of elevated atmospheric CO2on forest treesand forest ecosystems: knowledge gaps.Environmental International29:161–169

17)   CureJD, Acock B. 1986.Crop responses to carbon dioxide doubling: aliterature survey.Agricultural and Forest Meteorology38: 127–145

18)   Amthor JS. 2001.Effects of atmospheric CO2on wheat yield: reviewof results from experiments using various approaches to control CO2concentrations.Field Crops Research73: 1–34.

19)   Jablonski LM, Wang X, Curtis PS. 2002.Plant reproduction under elevatedCO2conditions: a meta-analysis of reports of 79 crop and wild species.New Phytologist156: 9 –26.

20)   WardJK, Strain BR. 1999.Elevated CO2studies: past, present and future.Tree Physiology19: 211–220

21)   Curtis PS, Wang X. 1998.A meta-analysis of elevated CO2effects on woodyplant mass, form, and physiology.Oecologia113: 299 –31

Mauney JR, Kimball BA, Pinter PJ, LaMorte RL, Lewin KF, Nagy J,Hendrey GR. 1994.Growth and yield of cotton in response to a free-aircarbon dioxide enrichment (FACE) environment.Agricultural and ForestMeteorology70: 49

Хареса ли ти тази статия? Може да подкрепиш biologist чрез Patreon!