Интенсивность фотосинтеза и продуктивность посевов в значительной мере зависят от уровня обеспеченности растений СО2.
Еще в середине прошлого века было доказано, что содержание СО2 в воздухе — 0,03 % по объему (0,47 % от массы воздуха), явно недостаточно для удовлетворения потребности сельскохозяйственных культур в углеродном питании. Лучшее развитие растений по краям, нежели в середине поля («краевой эффект») обусловлено в основном с более высоким содержанием в воздухе углекислоты. Равновесное содержание СО2 в воздухе (0,03%) является следствием двух противоположно направленных процессов — минерализации различных органических веществ многочисленными организмами, проживающими на суше и в водной среде, включая дыхание животных, и ассимиляции углекислоты высшими и низшими фотосинтезирующими растениями. Однако такое равновесное содержание СО2 не соответствует реальной потребности большинства сельскохозяйственных растений. В период их интенсивного роста, за редким исключением, они пребывают на «голодном углекислотном пайке». При уменьшении содержания СО2 в атмосферном воздухе до 0,01 % фотосинтез значительно снижается и приостанавливается, при этом многолетние растения менее чувствительны к дефициту углекислоты, чем однолетние. Обеспеченность растений углеродом воздуха в обозримом будущем представляется достаточной, особенно, если иметь в виду единодушно прогнозируемое повышение его содержания в атмосфере.
При благоприятных агротехнических и экологических условиях урожайность полевых и овощных культур часто лимитируется не столько недостатком элементов минерального питания, сколько дефицитом СО2 в приземном слое воздуха. Интенсивность фотосинтеза растений в загущенных посевах всегда значительно ниже, чем разреженных. Стелющие растения (огурец, тыква, бахчевые и др.) страдают от дефицита СО2 значительно сильнее, чем прямостоячие и лучше отзываются на внесение органических удобрений, продуцирующих углекислоту. Растения практически не способны усваивать СО2 при содержании его в воздухе менее 0,01%. В безветренные дни, когда газообмен приземного воздуха с атмосферой в посевах крайне затруднен, интенсивность фотосинтеза сельскохозяйственных культур значительно снижается из-за острого углекислотного голодания. Умеренный ветер значительно повышает газообмен в приземном слое и фотосинтез растений. Более того, колебание листьев в воздушном потоке вызывает усиленный газообмен (принудительное всасывание и выталкивание воздуха из паренхимы листа) через устица в результате изменения межклеточного пространства губчатой паренхимы.
Особенно остро вопросы углеродного питания стоят перед тепличными хозяйствами, перешедшими на малообъёмные и минеральные грунты (керамзит, перлит, минеральную вату, цеолиты и др.), которые в отличие от прежних органических грунтов, приготавливаемых на основе органических субстратов: торфа, соломы, опилок и почвы, не продуцируют СО2.
Различные растения обладают весьма неодинаковой чувствительностью к увеличению содержания СО2 . К настоящему времени установлено, что практически все растения положительно отзываются на повышение концентрации СО2 в 10-15 раз по сравнению с его содержанием в воздухе. В зависимости от биологических особенностей возделываемых культур, освещенности и уровня минерального питания растений, повышение концентрации СО2 в воздухе с 0,03% до 0,3-0,6% увеличивает урожайность на 30-60%. При низкой освещенности оптимальная концентрация СО2 по объему составляет 0,2-0,3%, средней — 0,4-0,5 и высокой — 0,5-0,6%. Аналогичная зависимость наблюдается также при повышении уровня минерального и, прежде всего, азотного питания растений. В то же время, при слабой обеспеченности растений питательными веществами увеличение концентрации СО2 в воздухе не оказывает заметного влияния на урожайность растений.
Повышенная концентрация СО2 в воздухе также негативно сказывается на растениях. Большая часть овощных культур начинают страдать, когда содержание СО2 в атмосфере теплицы превышает 1,4%. Выращивание их в атмосфере, содержащей боле 2% СО2 вызывает угнетение растений.
Таким образом, продуктивность сельскохозяйственных культур обусловливается оптимальным сочетанием комплекса незаменимых и равнозначных факторов жизни растений, действие которых необходимо учитывать при обосновании приемов оптимизации минерального питания растений и системы удобрения.
В этой связи высокая продуктивность сельскохозяйственных культур может быть достигнута в том случае, когда многочисленные факторы, определяющие в той или иной мере рост и развитие растений гармонично удовлетворяют физиологические потребности сельскохозяйственных культур в течение всего периода вегетации.