Рост концентрации CO₂ в атмосфере не слишком повысит урожайность зерновых

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 Иллинойского 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 Nösberger, 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

Последние новости: Экология, Алексей Гиляров

9 февраля Колонии муравьев, состоящие из особей с разным типом поведения, оказываются более успешными

2 февраля Флора тропических лесов — против гипотезы нейтральности

27 января Изменение ветров, дующих над Южным океаном, пошло на пользу альбатросам

11 января Для фитопланктона не действует закон Кляйбера

28 декабря Одну треть рыбных запасов оставить птицам — новый закон в экологии

21 декабря Стойкость органического вещества почвы объясняется не столько его строением, сколько условиями, в которых оно пребывает

16 декабря «Живые ископаемые» саговники оказались вовсе не такими старыми

9 декабря Посткопуляционные, презиготические барьеры мешают близкородственным видам сверчков скрещиваться

30 ноября Рис и рыба: что обеспечивает успешность комплексных рисоводческих агроценозов?

22 ноября Рост численности людей на Земле регулировался как положительными, так и отрицательными обратными связями

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):