Катастрофа или благо

Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере

Фотосинтез — это процесс преобразования атмосферного углерода в форме молекул CO2 в зеленую массу растений. По способу фиксации углекислого газа подавляющее большинство растений относятся к С3 и С4 типам. К группе С3 принадлежит большинство известных видов растений. К группе С4 — некоторые травянистые растения, в том числе важные сельскохозяйственные культуры: кукуруза, сорго, сахарный тростник, просо. Механизм фиксации углерода для С4 выработался как приспособление к условиям низких концентраций углекислого газа в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации углекислого газа в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста, причем как надземных, так и подземных их частей. Зависимость скорости роста растений и накопления биомассы от концентрации СО2 нелинейна и имеет логарифмический вид. У С3 растений кривая начинает выходить на плато при концентрации углекислого газа более 1000 ppm. Однако у С4 растений рост скорости фотосинтеза прекращается уже при концентрации углекислого газа в 400 ppm. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm), уже практически достигла оптимума для фотосинтеза у С4 растений, но всё еще очень далека от оптимума для С3 растений.

Таким образом, большинство современных растений используют далеко не весь свой потенциал. Проведенные эксперименты, показывают значительный рост продуктивности дикорастущих и культурных видов растений по сравнению с современным уровнем в случае увеличения концентрации СО2 примерно до 1000 ppm. Как правило, для травянистых растений увеличение прироста биомассы находится в диапазоне 25—60% у С3 растений и несколько меньше (10—55%) у С4 растений. Для древесных растений получены более высокие значения — 50—100%, а у подроста деревьев они еще выше. Удвоение текущей концентрации углекислого газа приведет (в среднем) к ускорению прироста биомассы у С3 растений на 41%, а у С4 — на 22%. Добавление в окружающий воздух 300 ppm СО2 приведет к росту продуктивности у С3 растений на 49% и у С4 — на 20%, у фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24%, бобовых — на 44%, корнеплодных — на 48%, овощных — на 37%. При увеличении СО2 с 350 ppm до 1100 ppm фотосинтез у кукурузы усиливается на 15%. У арахиса отмечен рост сухого веса на 19% и 31% при росте концентрации СО2 с 400 ppm до 800 ppm и 1200 ppm, соответственно. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере активно реагируют не только наземные растения, но и фитопланктон, причем как морей, так и пресноводных водоемов. Так, при удвоении современной концентрации углекислого газа продуктивность этого компонента водных экосистем увеличивается примерно на 50%. Следует отметить, однако, что в случае дефицита в среде такого важного элемента как азот, влияние роста концентрации двуокиси углерода на продуктивность растений будет существенно (в 2 и более раз) ниже.

Во многих работах отмечается, что рост концентрации углекислого газа в последние 100—150, а то и 30 лет, уже заметно сказывается на состоянии растительности. Так, отмечено, что с 1971 по 1990 г., на фоне роста концентрации СО2 на 9%, отмечалось увеличение содержания биомассы в лесах Европы на 25—30%. За последние десятилетия область южной Сахары и прилежащих территорий заметно позеленела на спутниковых снимках. Обширное исследование, проведенное в штате Мэриленд, выявило ускорение роста деревьев в 2—4 раза за последние 200 лет. Анализ причин ускорения роста растений показал, что главными факторами были рост температуры воздуха и рост концентрации углекислого газа в атмосфере. С 1982 по 2010 г. в зоне полупустынь в целом на планете наблюдался рост зеленой массы растений на 11% при неизменном количестве осадков.

Кроме воздействия роста концентрации СО2 в атмосфере на продуктивность растений могут наблюдаться и другие эффекты. К наиболее значимым относят: морфологические изменения, снижение интенсивности транспирации, снижение чувствительности к недостатку света, повышение способности к адаптации к химическим загрязнителям, повышение температуры, оптимальной для фотосинтеза. В частности, в экспериментах отмечено увеличение (в среднем) размеров листовых пластинок у деревьев и кустарников, а также средних размеров плодов и корней. При увеличении концентрации углекислого газа с 340 до 600 ppm наблюдается повышение водного потенциала листьев на 30%. Рост растений при низкой освещенности в условиях высокой концентрации углекислого газа происходит более активно, чем при современной концентрации, что может позволить таким растениям занимать новые экологические ниши. В результате может измениться структура многих лесных экосистем. Важным для растений является снижение интенсивности транспирации, так как это способствует более длительному удержанию воды в почве, что позволяет им переносить более длительные засушливые периоды. За последние 20 лет в бореальных и умеренных лесах Северного полушария отмечено существенное повышение эффективности использования воды растениями. Но, снижение интенсивности транспирации может иметь и отрицательный эффект, поскольку вызовет повышение температуры листовых поверхностей.

Изменения растений и их сообществ в результате роста концентрации двуокиси углерода в атмосфере могут сказаться на других, как неживых, так и живых компонентах экосистем. Так, усиление роста растений приведет к росту биомассы (сухого веса) растительного покрова, что в свою очередь замедлит накопление в атмосфере углекислого газа. Логично также предположить, что по мере увеличения густоты и плотности растительного покрова снизится интенсивность поверхностного стока дождевых вод в реки и океаны, что будет способствовать росту количества осадков и, соответственно, росту увлажнения. Также весьма вероятно, что это ослабит проблемы водной и ветровой эрозии, опустынивания, паводков и обмеления рек.

Другие последствия могут оказаться не столь позитивными. Так, отмечено снижение содержания азота и белка в тканях растений, растущих при повышенной концентрации СО2. Как отмечено в, увеличение соотношения C/N наблюдалось почти всегда, и прежде всего в листьях. Авторы отмечают, что это негативно сказывается на росте и размножении травоядных животных. Из других возможных минусов иногда указывают на возможное обострение проблемы сорняков на полях и более высокий риск размножения насекомых–вредителей. Необходимо также учитывать и возможные перемены в структуре экосистем, связанные с различной реакцией разных видов растений на рост концентрации СО2, а также изменением (снижением) отражательной способности (альбедо) растительного покрова.

Акатов П.В 03.02.08

http://www.jbks.ru/archive/issue–5/article–14/

Написал Nordex на science.d3.ru / комментировать