Кубанский государственный технологический университет

Рост концентрации CO

10-11-2011
Установка для оценки влияния повышенной концентрации CO2 на рост и урожай зерновых культур (фото из обсуждаемой статьи в Science)

Считалось, что повышение содержания углекислого газа в атмосфере должно привести к более интенсивному росту растений и более высоким урожаям (по крайней мере там, где недостаточно влаги). Однако данные, полученные в последнее время, заставляют усомниться в таком выводе. Повышение будет весьма незначительным.

К настоящему времени концентрация углекислого газа (CO2) в атмосфере достигла 380 ppm (parts per million, «частей на миллион»), то есть 0,038%, хотя 150 лет назад она составляла примерно 260 ppm (0,026%). В истории Земли сильные подъемы и спады содержания CO2 в атмосфере бывали и раньше, но, по крайней мере за последние полмиллиона лет, столь быстрого подъема еще не было. Причина в том, что естественные (потепление, вызванное регулярными изменениями формы земной орбиты; см.

циклы Миланковича) и антропогенные (связанные с деятельностью человека, например сжигание ископаемого топлива) механизмы сейчас работают в одном направлении. Каким же образом на этот рост концентрации CO2 в атмосфере реагируют сельскохозяйственные культуры?

Эксперименты с растениями в теплицах и замкнутых камерах показывали, что при увеличении содержания в воздухе CO2 интенсивность фотосинтеза (а соответственно, скорость прироста и урожай) растет сначала почти линейно, а затем выходит на плато при значении концентрации около 800–1000 ppm.

Особенно выражен ответ у так называемых С3 -растений (к ним относятся пшеница, рис, соя и многие другие). У С4 -растений, произрастающих в более жарком и сухом климате (из сельскохозяйственных культур к ним относятся кукуруза и сорго), есть механизм концентрирования (в несколько раз!) CO2 внутри листьев — соответственно, изменения CO2 в окружающей среде на них влияют слабее и только опосредованно.

Однако по мере того, как накапливались новые данные о влиянии повышенного содержания CO2 на рост растений, становилось ясно, что изоляция растений в теплицах и камерах сама по себе создает сильный побочный эффект (прежде всего из-за изменения температуры и влажности), который маскирует непосредственное воздействие концентрации CO2. Поэтому исследователи стали внедрять в практику способы повышения содержания CO2 в воздухе непосредственно в полевой обстановке, подавая углекислый газ через трубы на участок поля или леса, не огороженный какими-либо стенками, тем более — крышей сверху.

Условным цветом показаны значения температуры на участке с повышенным содержанием CO2 и вокруг. По этим значениям можно судить о равномерности условий на экспериментальном участке (рисунок из обсуждаемой статьи в Science)

Результаты подобных экспериментов, максимально приближенных по своим условиям к природным, свидетельствуют, что стимулирующий эффект повышенного содержания CO2 на рост и урожай растений хотя и выражен, но значительно слабее, чем ожидалось на основе опытов с растениями в изолированных объемах. В частности, в последнем номере журнала Science опубликована работа Стефана Лонга из Отдела биологии растений Иллинойсского университета в Урбане (США) и его коллег из других научных учреждений США и Швейцарии, в которой сравниваются результаты экспериментов в изолированных камерах и непосредственно в поле.

В последнем случае авторы опирались на данные, полученные с помощью метода FACE (free-air concentration enrichment, «увеличение концентрации на открытом воздухе»). Суть метода в том, что на поле из отверстий трубы, образующей восьмигранник диаметром 20 м, выпускали углекислый газ с наветренной стороны. Место добавления CO2 и его количество регулировали автоматически. Для этого в центре участка стояли датчики, непрерывно измеряющие скорость и направление ветра, а также содержание в воздухе CO2. Заданное значение (550 ppm) поддерживали с точностью до 10% в течение 90% всего времени вегетации зерновых культур — от посева до получения урожая. Поскольку повышенный уровень содержания CO2 уменьшал транспирацию (устьица были не так широко раскрыты), ослаблялось охлаждение самих растений и почвы. Соответственно, на солнце температура на опытном участке была несколько выше, чем на окружающем поле (см. рисунок).

Увеличение урожая зерновых культур при увеличении концентрации CO2 в воздухе по отношению к росту при обычной концентрации. A — С3-растения: соя (красный цвет) и пшеница (синий); B — С4-растения (зеленый). Круглые точки и сплошная линия — результаты экспериментов в ограниченным объемах. Квадратиками показаны значения, полученные в открытом пространстве по методу FACE. Видно, сколь завышены данные, полученные в теплицах и камерах. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Результаты экспериментов по методу FACE показали, что в ответ на повышенное содержание CO2 только незначительно возрос урожай риса (на 12%), пшеницы (на 13%) и сои (на 14%). Все эти растения относятся к типу С3. Что касается растений С4 (кукурузы и сорго), то для них значимого увеличения урожая вообще не выявлено. Если сравнивать эти данные с полученными ранее в теплицах (и камерах), то становится ясно, что прежние данные очень завышены: для разных культур в изолированных объемах получали повышение урожая на 19-32%, в том числе эффект обнаруживался и для растений С4.

Новые данные заставляют по-другому взглянуть на прогноз сельского хозяйства в условиях того повышения температуры и увеличения концентрации углекислого газа, которые ожидаются к середине текущего столетия. Ранее предполагали, что отрицательные последствия этих перемен — усиление засухи в низких широтах будут отчасти компенсироваться положительными — потеплением в более высоких широтах и повсеместным «удобрением» растений CO2. Теперь ясно, что значимость последнего фактора была преувеличена.

Источник: Stephen P. Long, Elizabeth A. Ainsworth, Andrew D. B. Leakey, Josef Nosberger, Donald R. Ort. Food for thought: lower-than-expected crop yield stimulation with rising CO2 concentrations // Science. 2006. V. 312. P. 1918–1921.

См. также: В. В. Алексеев, С. В. Киселева, Н. И. Чернова. Рост концентрации CO2 в атмосфере — всеобщее благо? // «Природа». 1999. № 9.

Алексей Гиляров

‹‹