Факультет

Студентам

Посетителям

Увеличение содержания двуокиси углерода (углекислого газа) в атмосфере, фотосинтез и урожаи

Важнейшим аспектом проблемы является возможная реакция фотосинтеза растений и биопродуктивности почв на увеличение концентрации углекислоты в атмосфере.

Потребность растений в CO2 для фотосинтеза весьма велика. Без постоянного образования углекислоты вследствие минерализации органических веществ в почвах и при дыхании организмов ее запасов в атмосфере хватило бы лишь на 10—15 лет. Над большими полями в солнечные дни концентрация CO2 может находиться в минимуме, что ограничивает интенсивность фотосинтеза и рост урожая.

В практике тепличного хозяйства некоторых стран уже есть опыт применения приемов искусственного повышения концентрации углекислоты для увеличения урожаев (Нидерланды, Япония). Показательны в этом отношении детальные исследования динамики CO2 хлопкового поля, выполненные в США в утренние и в дневные часы. На рисунке хорошо видно интенсивное снижение содержания двуокиси углерода в зоне наибольшего скопления листьев хлопчатника и в воздухе над полем, получившем дополнительную углекислоту искусственно. В условиях естественного содержания CO2 ее концентрация, измерявшаяся каждые 15 мин, была на 10—15 ppm ниже исходной. Утром и днем концентрация CO2 снижалась с 330—500 до 50 ppm, а вечером до 200 ppm. Поток углекислоты шел от почвы в гущу растений вместе с парами воды.

Почва и ее органическое вещество являются постоянным источником углекислоты для питания и роста растений. История формирования химического состава атмосферы и земной коры свидетельствует о том, что периоды повышенного содержания двуокиси углерода в воздухе сопровождались бурным развитием растительности. Поэтому теоретически можно ожидать, что увеличение концентрации CO2 в воздухе должно способствовать при прочих благоприятных условиях росту урожаев сельскохозяйственных культур. В пользу такого мнения высказываются как советские исследователи (Ничипорович, 1972а, б; Шлык, 1972; Оканенко, 1972), так и зарубежные ученые (Goudrian, Ajtay, 1979). Один из последних обзоров (Kauppi, 1982) показывает, что концентрации CO2 в воздухе порядка 800 ppm заметно увеличивают урожаи зерновых, прирост кустарников и древесных. Увеличение CO2, кроме того, снижает расход воды на транспирацию, т. е. повышает засухоустойчивость растений.

Особенно эффективно проявляется положительное влияние CO2 на продуктивность фотосинтеза при высокой обеспеченности почв и растений влагой и теплом. Больший положительный эффект оказывают повышенные концентрации CO2 при обеспеченности влагой, теплом и улучшенной освещенностью. При этих условиях в сочетании с оптимальным содержанием и питательных веществ концентрация CO2 порядка 600—800 ppm позволяет удвоить-утроить урожай биомассы. В этом отношении особенно интересны данные о значительном увеличении годовой чистой продукции древесины в лесах США за время 1900—1977 гг. Фактический прирост оказался в 2—3 раза выше в период конца 40—70-х годов по сравнению с прогнозом, основанным на опыте начала XX в.

Освещенность и температура оказывают различное действие на урожай. При низких температурах (5—10°) даже большая освещенность мало сказывается на повышении продуктивности фотосинтеза. Это явление наблюдается на холодных почвах Севера и Сибири. Утепление почв любыми агротехническими приемами (снег, мульча и др.) всегда дает прирост урожая. Наоборот, охлаждение воздуха и почв (например, промерзание, холодная поливная вода) неизбежно в несколько раз снизит продуктивность фотосинтеза и урожай. Этого, к сожалению, не учитывают в практике дневных поливов. При оптимальных температурах и влажности определяющая роль, конечно, принадлежит освещенности растений. Удвоение и утроение освещенности увеличивает интенсивность фотосинтеза в 1,5—2 раза у райграса и в 2,5—3 раза у подсолнечника и кукурузы.

Так называемые C3-растения (рис, рожь, пшеница, хлопчатник, картофель и другие культурные растения) при повышенной концентрации CO2 увеличивают урожайность и снижают интенсивность транспирации. Растения типа C4 (кукуруза, сорго, просо, портулак) отличаются вдвое меньшей интенсивностью транспирации, они более засухоустойчивы, положительный эффект повышения концентрации CO2 на них проявляется слабее. Но и для C4-растений, судя по опытам (Yamauchi, Yamada, 1980), в песчаных и водных культурах установлено, что интенсивность и продуктивность фотосинтеза, определенная с помощью 14С, возрастает в 1,5—2 раза при увеличении концентрации CO2 в воздухе с 220 до 840 ppm (особенно у кукурузы). Выше этой величины интенсивность фотосинтеза несколько уменьшается. Поведение C4— и C3-растений (маис и томаты соответственно), однако, различно в отношении биосинтеза сахаров и аминокислот и расхода энергии на транспирацию в условиях повышенной концентрации CO2.

Итак, можно считать, что повышение CO2 в атмосфере до 400—600 и даже 800 ppm для большинства растений при прочих нормальных условиях будет сопровождаться ростом продуктивности фотосинтеза, снижением требований к водообеспеченности и повышением урожая биомассы.

К этим оптимистическим выводам автор пришел раньше под влиянием давних работ шведского исследователя Г. Люндегорда (1937). В своих публикациях и выступлениях автор настаивал на обогащении пахотных почв органическим веществом как источником углекислоты, необходимой для фотосинтеза. Повышение урожаев без регулярного обеспечения растений углекислотой, производимой почвой, просто невозможно (роль океана в производстве углекислоты ничтожна. Она скорее обратна). В этом и заключалась «магическая» роль органических удобрений и особенно навоза и травосеяния. Поэтому, если произойдет повышение концентрации CO2 за счет сжигания ископаемого топлива, это, может быть, будет сопровождаться ростом биопродуктивности растений суши, особенно культурных.

К аналогичным выводам пришли американские агроэкологи, в частности Виттвер (Wittwer, 1980), профессор Мичиганского университета и директор сельскохозяйственной опытной станции, большой знаток земледелия США и мира. С. Виттвер сообщает, что в США проведено около 500 различных исследований, показавших высокое положительное влияние повышенных концентраций CO2 на фотосинтезе 31 вида растений (злаки, бобовые, картофель, хлопчатник, древесные). Повышение содержания CO2 в воздухе теплиц увеличивает урожаи на 20—600%. Наибольший прирост урожаев в теплицах получают при содержании CO2 в воздухе около 1000—1200 ppm. По мнению Виттвера, к 2020 г. за счет прироста CO2 в атмосфере можно ожидать в среднем 20%-ный прирост урожаев сельскохозяйственных культур при одновременном снижении водопотребления растений.

Интересно мнение индийских ученых по этому вопросу. На основе большого экспериментального и литературного материала установлена положительная роль увеличения содержания CO2 в атмосфере и HCO3 в растворах в фотосинтезе и продуктивности растений (Vermaas, Govindjee, 1981). Эти соединения углерода — основа создания органической биомассы и особенно образования хлоропластов. Ни азот, ни фосфор, ни другие элементы не могут возместить недостаток CO2.

Американские авторы (Wittwer, 1980; Cooper, 1982) считают, что положительный эффект CO2 будет сказываться сильнее в неблагоприятных экологических условиях, ослабляя отрицательное влияние низких температур и засухи, слабой освещенности или дефицита NPK, токсических веществ. Произойдет, однако, смещение природных зон к северу, что потребует совершенствования или изменения систем земледелия и набора культур. Оценивая положительную (удобрительную и утепляющую) роль CO2 в атмосфере, можно считать, что на каждые 2,5—3 ppm прироста концентрации CO2 произойдет рост урожая на 0,5%. В целом урожаи могут подняться на 25—100—300%.

Неясным остается вопрос о характере изменения климата конкретных территорий. Они слишком различны. Но даже в худшем варианте возрастания сухости климата рост содержания CO2 в воздухе должен ослабить отрицательные последствия возможных засух для большинства растений. Если же оправдается совпадение роста содержания CO2 в воздухе с потеплением и с увлажнением равнин Восточной Европы и территории нашей страны (как это допускается рядом ученых), то экологические условия конца XX и середины XXI в. окажутся более благоприятными, чем ныне.

Возможные значительные изменения климата Земли и уровня океана могут наметиться лишь через 30—50 лет, однако нельзя откладывать предупредительные меры до того времени, когда угроза станет очевидной. Комплексы мер по усилению связывания CO2 должны осуществляться уже теперь.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: