Глава VII УВЕЛИЧЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДАВ АТМОСФЕРЕ, ФОТОСИНТЕЗ И УРОЖАИ

Важнейшим аспектом проблемы является возможная реакция фотосинтеза растений и биопродуктивности почв на увеличение концентрации углекислоты в атмосфере. Потребность растений в С02 для фотосинтеза весьма велика.

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 С02 хлопкового поля, выполненные в США (рис. 34) в утренние и в дневные часы. На рисунке хорошо видно интенсивное снижение содержания двуокиси углерода в зоне наибольшего скопления листьев хлопчатника (рис. 34, а) и в воздухе над полем, получившем дополнительную углекислоту искусственно

Рис. 35. Зависимость интенсивности фотосинтеза (ф) листьев сахарной свеклы (7), устьичного Rs (2) и мезофильного Rm (3) сопротивлений диффузии С02 от водного дефшдата W (Оканенко, 1972)

Рис. 36. Световые кривые фотосинтеза (Ф) листьев сахарной свеклы при нормальной (7) и насыщающей (2) концентрациях углекислоты и зависимость КПД этих листьев от интенсивности ФАР при насыщающей (5) и нормальной (4) концентрациях С02 (Оканенко, 1972)

Рис. 37. Температурная зависимость интенсивности фотосинтеза (Ф) при нормальной (7) и насыщающей (2) концентрациях С02, сопротивления мезофилла Rm (3) и устьиц Rs (4) при нормальной концентрации С02 (Оканенко, 1972)

Рис.

Почва и ее органическое вещество являются постоянным источником углекислоты для питания и роста растений. История формирования хими- четкого 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 С02 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 С02 в воздухе порядка 800 ppm заметно увеличивают урожаи зерновых, прирост кустарников и древесных. Увеличение С02, кроме того, снижает расход воды на транспирацию, т.е. повышает засухоустойчивость растений.

Особенно эффективно проявляется положительное влияние С02 на продуктивность фотосинтеза при высокой обеспеченности почв и растений влагой и теплом (рис. 35—37). Больший положительный эффект оказывают повышенные концентрации С02 при обеспеченности влагой, теплом и улучшенной освещенностью (рис. 38). При этих условиях в сочетании с оптимальным содержанием и питательных веществ концентрация С02 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. (см. рис. 21). 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 (рис. 38). Этого, к сожалению, не учитывают в практике дневных поливов. При отпимальных температурах и влажности определяющая роль, конечно, принадлежит освещенности растений. Удвоение и утроение освещенности увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2 раза у райграса и в 2,5-3 раза у подсолнечника и кукурузы (рис. 39).

Так называемые С3-растения (рис, рожь, пшеница, хлопчатник, картофель и другие культурные растения) при повышенной концентрации С02 увеличивают урожайность и снижают интенсивность транспирации (рис. 40, 41). Растения типа С4 (кукуруза, сорго, просо, портулак) отличаются вдвое меньшей интенсивностью транспирации, они более засухоустойчивы, положительный эффект повышения концентрации С02 на них проявляется слабее. Но и для С4-растений, судя по опытам (Yamauchi, Yamada, 1980), в песчаных и водных культурах установлено (рис. 42), что интенсивность и продуктивность фотосинтеза, определенная с помощью 14С, возрастает в 1,5—2 раза при увеличении концентрации С02 в воздухе с 220 до 840 ppm (особенно у кукурузы). Выше этой величины интенсивность фотосинтеза несколько уменьшается. Поведение С4-и С3-растений (маис и томаты

Рис. 39. Влияние освещенности на интенсивность фотосинтеза

1 — кукуруза; 2 — подсолнечник; 3 — райграс (Woolhause, 1978)

Рис. 40. Урожай зерна пшеницы при увеличенной концентрации С02 на 250 ррт в течение всего вегетационного периода.

1 — опыты; 2 — расчет (Kauppi, 1982)

Рис. 41. Реакция видов Larrea divaricata (С3) на увеличение С02

1 — использование воды; 2 — фотосинтез; 3 — транспирация (Kauppi» 1982)

Рис. 42. Влияние концентрации С02 на продуктивность фотосинтеза

1 — кукуруза; 2 — томаты (каждая точка — среднее содержание 1 4С, проникшего в ткань после подачи 1 4С02) (Yamauchi, Yamada, 1980)

соответственно), однако, различно в отношении биосинтеза сахаров и аминокислот и расхода энергии на транспирацию в условиях повышенной концентрации С02.

Итак, можно считать, что повышение С02 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[VI]. В этом и заключалась ’’магическая” роль органических удобрений и особенно навоза и травосеяния. Поэтому, если произойдет повышение концентрации С02 за счет сжигания ископаемого топлива, это, может быть, будет сопровождаться ростом биопродуктивности растений суши, особенно культурных.

К аналогичным выводам пришли американские агро экологи, 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 С02 на фотосинтезе 31 вида растений (злаки, бобовые, картофель, хлопчатник, древесные).

Интересно мнение индийских ученых по этому вопросу. На основе большого экспериментального и литературного материала установлена положительная роль увеличения содержания С02 в атмосфере и НСОз 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 С02.

Американские авторы (Wittwer, 1980; Cooper, 1982) считают, что положительный эффект С02 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 С02 в атмосфере, можно считать, что на каждые 2,5—3 ppm прироста концентрации С02 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 С02 в воздухе должен ослабить отрицательные последствия возможных засух для большинства растений. Если же оправдается совпадение роста содержания С02 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 С02 должны осуществляться уже теперь.