Решение о регистрации выдано: Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. ЭЛ № ФС 77 - 68501, от 27 января 2017.
Live and bio-abiotic systems
ISSN 2308-9709 (Online)
Научное электронное периодическое издание
Южного федерального университета.

Реакция растений на рост концентрации углекислого газа в атмосфере

УДК: 574.24
DOI: 10.18522/2308-9709-2013-5-14
3685
В статье дан краткий обзор возможных изменений в растительном покрове при увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере.

Ключевые слова: углекислый газ, растительность, фотосинтез, продуктивность, транспирация

Response of plants to rising of atmospheric carbon dioxide The published data on response of plants to rising of atmospheric carbon dioxide are reported.

Keywords: dioxide, plants, photosynthesis, transpiration

Введение

В последние десятилетия накопление углекислого газа в атмосфере является одной из ключевых проблем, активно обсуждаемых учеными, политиками и СМИ. Основное внимание при этом сконцентрировано на его способности влиять на глобальный климат. Гораздо реже обсуждается непосредственное (прямое) влияние роста концентрации этого газа на рост и развитие растений. В России эта тема почти не обсуждается и информация по ней в русскоязычных изданиях крайне ограничена.

Цель исследования

Целью работы являлось восполнение недостающих знаний по прямому влиянию углекислого газа на рост и развитие растений.

Результаты и обсуждение

Рост концентрации СО2 и интенсивность фотосинтеза

Фотосинтез это процесс преобразования атмосферного углерода в форме молекул CO2 в зеленую массу растений. Для фотосинтеза требуется также солнечный свет и вода. Все три фактора являются обязательными, отсутствие любого из них сделает этот процесс невозможным. 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 [5, 4]. С4 механизм фиксации углерода выработался как приспособление к условиям низких концентраций углекислого газа в атмосфере. Практически у всех видов растений рост концентрации углекислого газа в воздухе приводит у активизации фотосинтеза и ускорению роста [9, 6, 14, 3], 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 [8]. Поэтому современная его концентрация, составляющая на данный момент примерно 395 молекул на миллион (ppm) [15], 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. В [14] и [5] подробно описаны результаты экспериментов, показывающих 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 50100%, а у подроста деревьев они еще выше. По данным [6], 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 [5]. В работе [11] показано, что на 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 [5].

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, в [14] 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 [12]. 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 [16]. С 1982 по 2010 г. в зоне полупустынь в целом на планете наблюдался рост зеленой массы растений на 11% при неизменном количестве осадков [17].

Влияние концентрации СО2 на морфологию растений и физиологические процессы

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 [9, 14]. В частности, в экспериментах отмечено увеличение (в среднем) размеров листовых пластинок у деревьев и кустарников, а также средних размеров плодов и корней [14]. При увеличении концентрации углекислого газа с 340 до 600 ppm наблюдается повышение водного потенциала листьев на 30% [5]. 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 [7]. Но как отмечено в [2], снижение интенсивности транспирации может иметь и отрицательный эффект, поскольку вызовет повышение температуры листовых поверхностей.

Влияние концентрации СО2 на другие компоненты экосистем

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 [10], 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, в [13] отмечено снижение содержания азота и белка в тканях растений, растущих при повышенной концентрации СО2. Как отмечено в [1], 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 [18]. 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 [5].

Выводы

Итак, из нашего краткого обзора следует, что прогнозируемый и уже наблюдаемый рост концентрации углекислого газа в атмосфере может оказывать влияние на растительный покров не только косвенно, изменяя климат, но и непосредственно воздействуя на скорость роста, размер и биомассу растений, интенсивность транспирации воды растениями, биохимический состав их тканей. Это может оказать существенное влияние на состояние окружающей среды, региональный климат и хозяйственную деятельность человека.

Литература

  1. Зитте П., Вайлер Э. В., Кадерайт Й. В., Брезински А., Кёрнер К. Ботаника. Учебник для вузов. 35-е издание. Пер. М.: «Академия». 2007. — 256 с.
  2. Carbon dioxide’s effects on plants increase global warming, study finds. Proceedings of the National Academy of Sciences, Web. May 4. 2010.
  3. Curtis, P. S. , Wang, X. A meta-analysis of elevated CO2 effects on woody plant mass, form, and physiology // Oecologia. 113. 1998. — Pp. 299—313.
  4. Ghannoum, O., Caemmerer, S. v. , Ziska, L. H., Conroy, J. P. The growth respons of C4 plants to rising atmospheric CO2 partial pressure: a reassessment // Plant, Cell and Environment, 23. 2000. — Pp. 931—942.
  5. Idso, C. D., Carter, R. M., Singer, S. F., Eds. Climate change reconsidered: interim report of the nongovernmental panel on climate change (NIPCC), Chicago, IL: The Heartland Institute. 2011. — 415 p.
  6. Idso, C. D., Idso, K. E. Forecasting world food supplies: the impact of rising atmospheric CO2 concentration //Technology 7 (suppl). 2000. — Pp. 33—56.
  7. Keenan, T. F., Hollinger, D. Y., Bohrer, G., et al. Increase in forest water-use effenciency as atmospheric carbon dioxide concentrations rise // Nature. v. 499. 2013. — Pp. 324—327.
  8. Nakano, H., Makino, A., Mae, T. The effect of elevated partial pressures of CO2 on the relationship between photosynthetic capacity and N Content in rice leaves // Plant Physiology, 1997. Vol.115, N.1. — Pp. 191—198.
  9. Norby, R. J., Wullschleger, S. D., Gunderson, C. A., Johnson, D. W., Ceulemans, R. Tree responses to rising CO2 in field experiments: implications for the future forest // Plant, Cell and Environment. 22. 1999. — Pp. 683—714.
  10. Nowak, R. S., Ellsworth, D. S., Smith, S. D. Functional responses of plants to elevated atmospheric CO2  — Do photosynthetic and productivity data from FACE experiments support early predictions? // New Phytologist. 162. 2004. — Pp. 253—280.
  11. Schippers, P., Lürling, M., Dcheffer, M. Increase of atmospheric CO2 promotes phytoplankton productivity // Ecology Letters. 7. 2004. — Pp. 446—451.
  12. Seaquist, J. W., Hickler, T., Eklundh, L., Ardo, J., Heumann, B. W. Disentangling the effects of climate and people on Sahel vegetation dynamics // Biogeosciences, 6. 2009. — Pp. 469—477.
  13. Taub, D. R. Effects of rising atmospheric concentrations of carbon dioxide on plants // Nature Education Knowledge. 2010, 3(10). — P. 21.
  14. Wittwer, S. H. Flower power: rising carbon dioxide is great for Lants. Policy Review 1992. — Pp. 4—10.
  15. http://www.esrl.noaa.gov
  16. http://www.membrana.ru/particle/3667
  17. http://compulenta.computerra.ru/zemlya/klimatologiya/10007168
  18. www.scepticalscience.com