Пользуясь таблицей влияние распыления углекислого газа на урожай растений и знаниями курса биологии

Обновлено: 08.07.2024

Ученые обобщили данные 138 экспериментов, которые были посвящены тому, как повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере влияет на рост биомассы растений в различных географических и экологических условиях. Оказалось, что только за счет антропогенных выбросов этого газа урожайность культурных растений до 2100 года может вырасти на 10%, а общая биомасса сухопутных растений увеличится еще больше.

Спутниковые наблюдения за земной растительностью позволили ученым сделать следующий вывод: с 1982 по 2011 год на 46% покрытой растительностью земной суши, или на 39% всей земной суши в целом (с учетом полярных и тропических пустынь, лишенных растительности), площадь листьев значительно выросла. На 70% этот бум вызван ростом содержания СО₂ в атмосфере, и лишь за 8% отвечает глобальное потепление. Вопреки часто встречающимся в СМИ оценкам, растет и площадь земных лесов, несмотря на вырубки и пожары. Особенно быстро, по данным Рослесхоза и западным спутниковым снимкам, это происходит в России.

Общий объем озеленения Земли от антропогенного воздействия (в основном за счет выбросов СО₂) куда больше, чем можно судить по спутниковым снимкам, благо те охватывают считанные десятилетия. По индикаторам из ледовых кернов скорость наращивания зеленой биомассы на Земле в XX веке была на 31% выше, чем до начала промышленной революции, и повысилась именно из-за нее, а точнее, из-за связанных с ней выбросов парниковых газов.

Научное сообщество давно пытается оценить, насколько долго может продолжаться антропогенный бум земной растительности. Одни исследовательские группы утверждают, что он скоро остановится из-за нехватки азота, фосфора и воды, в то время как другие группы считают, что бум продолжится еще очень долго. Сторонники обеих точек зрения ставили эксперименты по выращиванию растений в атмосфере, которая была обогащена СО₂, однако результаты таких опытов противоречили друг другу.

Авторы новой работы, опубликованной в журнале Nature Climate Change, рассмотрели данные по 138 подобным экспериментам, которые проводили разные научные группы. Их целью было построить модель того, как увеличится биомасса земной растительности к 2100 году. По оценкам ученых, за этот период содержание СО₂ в атмосфере может вырасти с нынешних 410 до 660 частей на миллион.

Рассчитав, как различные растительные сообщества будут реагировать на это, исследователи выяснили, что в результате общая биомасса земной сухопутной растительности увеличится на 12%. При этом в разных географических зонах это увеличение будет сильно различаться. Меньше всего СО₂ нарастит биомассу луговой и степной растительности, всего на 8% (здесь и далее — к 2100 году). На 10% вырастет биомасса культурных растений (без учета других факторов возможного роста урожайности, включая удобрения и генетические модификации). Северные леса прибавят в биомассе на 14,5%, леса умеренного пояса — на 14,0%. Тропические леса, в силу умеренного дефицита фосфора, нарастят биомассу только на 12,5%.

Исследователи подчеркивают, что их выводы заметно противоречат ряду более ранних работ, авторы которых предполагали, что сегодня растения близки к пределам роста, обусловленного CO₂, из-за дефицита азота и фосфора в почве. Как показывает их модель, обобщающая данные всех экспериментов в этой области, как минимум в этом столетии ускоренный рост растительности не остановится ни в одной из климатических зон. В результате общее количество углекислого газа, дополнительно поглощенного биосферой, к 2100 году составит около 200 миллиардов тонн, что примерно равно 5-6 годам антропогенных выбросов СО₂.

Следует отметить, что исследователи не затрагивали вопрос о том, как антропогенные выбросы СО₂ влияют на растения в океанах. Однако в земных условиях океаны содержат намного меньше углекислого газа на единицу массы, чем атмосфера. Из-за этого моря на нашей планете являются биологическими пустынями: занимая две трети поверхности, они содержат в 90 с лишним раз меньше биомассы, чем суша. Поэтому на оценку общего баланса живой материи на планете данные по океанам влияют в гораздо меньшей степени.

Что это такое CO2?

Оптимальный уровень концентрации СО2 для различных культур

Растения были на земле задолго до того, как появилась обезьяна, которая взяла в руки палку и эволюционировала в homo sapiens. Концентрация CO2, в лихие годы гигантских папоротников, составляла примерно 1500 ppm (parts per million – частей на миллион), что в наше время недостижимо в естественных условиях.

Применение СО2 при выращивании в теплице

Эксперименты с растениями в тепличных условиях показали, что при повышении уровня углекислого газа, урожайность некоторых культур увеличивается до 50%. Для большинства растений точка насыщения CO2 достигается при уровне 1000-1300 ррm. Уровень в 800-1000 ppm рекомендуется для культурных растений, таких как: огурцы, перец, салат латук. Также при этом уровне концентрации стабилизируется фотосинтез. (исследование: Idso, C. D., Idso, K. E. Forecasting world food supplies: the impact of rising atmospheric CO2 concentration //Technology 7 (suppl). 2000. — Pp. 33—56.)

Обычно, в тепличных хозяйствах, CO2 получают путем сжигания пропана. Это помогает решить две задачи сразу: обогрев и получение CO2. Однако использовать такой способ при обычном выращивании в квартире с парочкой гроубоксов – это затратно и не всегда безопасно.

Применение СО2 при выращивании в зарытом грунте

Данное устройство оснащено датчиком уровня и клапаном подачи углекислого газа. Принцип его работы достаточно прост - это поддержание заданного уровня CO2. Если уровень концентрации падает, автоматически отрывается клапан для подачи углекислого газа. Цикл подачи будет повторяться пока уровень CO2 не достигнет заданного значения.
В сравнении с другими методами, использование устройств автоматизации – это современный подход к использованию углекислого газа, который поможет:

1 - уменьшить расход CO2;
2 - знать точную концентрацию CO2 в гроубоксе в реальном времени;
3 - получать звуковые/ визуальные сигналы, если уровень углекислого газа превышен;
4 - экспериментировать с уровнем концентрации CO2 и выбирать показатели, при которых вы получаете наибольший урожай.

Пример использования CO2 при выращивании томатов:

Важный плюс в копилку SensiRoom CO2 от E-mode — это возможность технического обслуживания в России. Чтобы не случилось с устройством: заводской брак или обстоятельства, связанные с не очень прямыми руками, можно связаться напрямую с производителем и решить все вопросы, не прибегая к англоязычным выражениям и китайским иероглифам.

Да, вложение средств в оборудование – это затратно. Но, в перспективе, вы получаете возможность контроля и оптимального расходования CO2. Что, в итоге, позволит вам сэкономить и получить качественный, а главное, большой урожай.

Что это такое CO2?

Оптимальный уровень концентрации СО2 для различных культур

Применение СО2 при выращивании в теплице

Применение СО2 при выращивании в зарытом грунте

Пример использования CO2 при выращивании томатов:

Живые организмы, населяющие верхний слой почвы являются одним из самых важных компонентов любой почвы, а наиболее важная часть из них — микроорганизмы. Основная роль микроорганизмов в почвообразовательном процессе — разрушение отмерших растений, их остатков и создание сложных органических коллоидных веществ, отвечающих за структурное состояние почвы.

По данным кафедры почвоведения и агрохимии при систематическом внесении возрастающих доз минеральных удобрений под зерновые культуры биологическая активность пашни по сравнению с неудобренной почвой повышалась [1, 2]. Т. Р. Майсямова, проведя ряд исследований, пришла к выводу, что микробиологический состав и активность микрофлоры пахотных почв существенно отличается от целины [3]. По ее мнению, при дефиците растительных остатков микроорганизмы используют гумус в качестве основного источника углерода. Исходя из того, что резкое увеличение активности микроорганизмов до конца вегетации является причиной больших потерь органического вещества в выщелоченном черноземе, перед нами была поставлена задачи изучить изменение микробиологической активности при внесении различных норм минеральных удобрений путем анализа эмиссии углекислого газа пахотного чернозема.

Условия иметодика исследований.

Изучение интенсивности разложения соломы яровой пшеницы проводилось в модельно-полевых опытах на стационаре кафедры почвоведения и агрохимии ГАУ Северного Зауралья, который расположен в северной лесостепи Тюменской области. Почва — чернозём выщелоченный тяжелосуглинистый, сформировавшийся на покровном суглинке. Опыты проводились с 1997 по 2010 год. Удобрения согласно схеме опыта вносились весной под предпосевную культивацию, в форме диаммофоса и аммиачной селитры. Агротехника выращивания зерновых была общепринятой для Западной Сибири. Удобрения вносились по следующей схеме и соответствующих дозах:

Без удобрений (контроль);
NPK на 3 т/га зерна, N₂₀P₁₁₀;
NPK на 4 т/га зерна, N₈₀P₁₆₀;
NPK на 5 т/га зерна, N₁₃₀P₂₀₀;
NPK на 6 т/га зерна, N₁₇₀P₂₆₀.

Выделение углекислого газа определялась в фазы посев-всходы, кущение-трубкование и перед уборкой по методу Штатнова в трех повторностях на варианте без внесения минеральных удобрений и с планируемой урожайностью зерновых 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 т/га.

Годы проведения опыта по условиям погоды отличались большим разнообразием. Количество осадков за вегетационный период (май-август) изменялось от 121 до 321 мм.

Результаты исследований.

Весной микробиологическая активность чернозема довольно низкая, что является, по мнению А. Г. Ермаковой и Н. М. Сулимовой (1973) характерной особенностью выщелоченных черноземов Тюменской области. Они объясняют этот факт низкой температурой почвы и малым содержанием азота, необходимого для жизнедеятельности микроорганизмов.

При постепенном прогревании, микробиологическая активность почвы усиливается и достигает максимального значения — 22.08 грамм СО₂/м 2 *час (табл.1). Столь высокому значению способствуют оптимальные факторы необходимые для развития микроорганизмов — температура и влажность. Внесение NPK на урожай 3,0 т/га существенного влияния не оказало, это объясняется тем, что растения пшеницы в период от кущения до колошения активно поглощают питательные вещества из удобрений, тем самым лишая микроорганизмы дополнительного питания.

Интенсивность дыхания всреднем за 1997–2010гг. грамм СО₂/м 2 *час

Фазы развития

Варианты

Контроль

NPK на 3,0 т/га

NPK на 4,0 т/га

NPK на 5,0 т/га

NPK на 6,0 т/га

До сих пор прогнозы глобального изменения климата предвещали мало хорошего — дефицит воды, экстремальная жара, рост концентрации углекислого газа в атмосфере с 410 до 900 частиц на миллион (далее — ppm). Согласно ученым, подобная картина может ожидать нас уже в 2100 году.

По крайней мере, мы сможем выращивать больше растений, говорят некоторые оптимисты. Дескать, глобальное потепление сделает возможным возделывание земель в самых холодных широтах планеты, там, где раньше ни о чем подобном нельзя было и помыслить. Однако на поверку выясняется, что подобные планы являются чересчур оптимистичными.

Дело в том, что производительность сельского хозяйства не зависит от одной лишь температуры. Важны и такие факторы, как и насыщенность почвы нутриентами, и влажность, и все то же содержание углекислого газа в воздухе. Согласно недавним исследованиям становится ясным, что с ростом концентраций CO2 в атмосфере урожайность полей будет падать, а не возрастать.

К подобному выводу пришли ученые из Университета штат Вашингтон (США). Для проверки своей гипотезы, они стали выращивать пшеницу и картофель на тестовых теплицах, воздух внутри которых содержал куда больше углекислого газа, чем обычно — 710 ppm, в то время как сегодня нормальный уровень углекислоты в воздухе составляет всего 410 ppm. В результате выращенные растения увеличили толщину своих листьев примерно на треть.

Поскольку фотосинтез конвертирует углекислоту в биомассу, подобный эффект не был сюрпризом для исследований. Тем не менее, рост толщины листьев привел к изменению соотношения площади растения к массе, что повлияло на процесс фотосинтеза и генерацию сахаров. В конечном итоге, растение оказалось даже менее эффективным поглотителем углекислого газа, в отличие от собратьев, выросших в обычных условиях.

Помимо нарушения соотношения площади к массе рост углекислого газа в атмосфере сам по себе негативно влияет на продуктивность растений. Так, ученые из Университета штата Мичиган установили, что существует некий природный предел растения по поглощению углекислоты. Соответственно, повышая уровень углекислого газа в атмосфере, рано или поздно превышается и этот самый предел, что в результате приводит к ситуации, когда растение просто не успевает производить фотосинтез достаточно быстро.

В своей работе, опубликованной в журнале Environmental Research Letters, он объясняет, что по мере того, как воздух насыщается углекислым газом, поглощение углекислоты растениями становится все менее и менее эффективным. Команда Тома Шарки также изучила процесс утилизации триозофосфата. Когда растение поглощает углекислый газ, углерод превращается в триозофосфат, и лишь после этого переходит в сахар. В процессе тестов выяснилось, что существует определенный предел в этом процессе. Таким образом, даже несмотря на то, что в таких условиях растения увеличиваются в размерах, их производительность неизменно падает.

Подобные результаты встревожили исследователей, и не зря: текущие модели климатических изменений учитывают такие факторы, как циклы океана, атмосферные условия, таяние ледников, и т.д.. Однако никто не учитывает биологические эффекты, которые к тому же весьма сложно просчитать.

По подсчетам ученых из Университета штата Мичиган, предел утилизации триозофосфата в растениях приведет к 9 гигатонн углерода в атмосфере к 2100 году, что эквивалентно весу 100 млн. слонов. А рост толщины растений приведет к росту температуры к концу этого столетия на 0,3-1,4 градуса по Цельсию. И это без учета текущих прибавок к температуре каждый год.

Несмотря на многообещающее Парижское соглашение, мы все еще сталкиваемся со множеством барьеров в борьбе с изменением климата, причем зачастую все зависит от политической воли государств. Так, сложно сохранять веру на фоне апатичных к данной проблеме США и новым режимом в Бразилии, правительство которой планирует вообще выйти из соглашения.

Читайте также: