Az emelkedett légköri szén-dioxid-koncentráció pozitív hatása a növényzetre

2018. nov. 08. | éghajlatváltozás | Nincs hozzászólás | Megosztás: Facebook

A tanulmányom

Az alábbi részletek Dr. Mőcsényi Mihály (1919–2017) kertészmérnök előadásából származnak. Mőcsényi Mihály Kossuth-, Széchenyi- és Sir Geoffrey Jellicoe-díjas magyar kertészmérnök, tájépítész, egyetemi tanár, a tájrendezés magyarországi oktatásának megalapozója, az önálló Tájépítészeti Kar (Corvinus Egyetem) létrehozója. 1991 és 1993 között a Kertészeti Egyetem (ma Corvinus) rektora volt. 1976–1986 között a Tájépítészek Nemzetközi Szövetsége (IFLA) alelnöke, majd 1986–1990 között elnöke, e tisztségében világkongresszusok szervezője, vezetője, előadója volt.

„Malthus a XVIII. század végén azt mondta, hogy ki fog halni az emberiség, mert az élelemtermelés számtani, míg az emberiség növekedése mértani haladvány szerint fog nőni. Nagyot tévedett! Nem számolhatott azzal, hogy az ipari forradalom azzal, hogy a fosszilis energiákat felszabadítva egyre növekvő mértékben szaporítja a légkör CO2-tartalmát, hihetetlen mértékű termésnövekedés fog alakulni.

Annyit hozzátennék, hogy a szén-dioxid koncentráció emelkedése mellett, ebben a terméshozam-növekedésben a műtrágyák és a növényvédő szerek és a nagyobb hozamú fajták kinemesítése, valamint a mezőgazdaság gépesítése döntő szerepet játszott. Így teljes a kép.

„A szén-dioxid növényi táplálék, légtrágya. A növények szárazanyag-tartalmának 1%-a kerül a talajból a növényzetbe. A tápanyagok zömét (99%-át) a levegőből veszi fel a vegetáció. Az asszimilált szárazanyag tartalom 99%-ából 50% a szén, 45% a hidrogén, 0,5-1% szervetlen anyag (P, K, Na), a többi oxigén. A növények a táplálékot vízben oldottan veszik fel, továbbá azért is van szükségük H2O-ra, hogy a testhőmérsékletüket optimális szinten tartsák. 20-25 °C-nál a legtermelékenyebbek. A C3-as típusú növényekhez képest a C4-esek lényegesen magasabb hőmérsékleten fotoszintetizálnak és produktivitásuk is magasabb. Az első fotoszintézis folyamatban 4 szénatomot kötnek meg. ”

„1 m2-nyi földfelületen élő növényzet, ami a levélfelületet tekintve általában 5-szöröse vagy több az alapterületnek (levélfelületi index), 1 óra alatt 25 légköbméter levegő szén-dioxidját az utolsó molekuláig elhasználja! A karbon korszak óriáspáfrányai a lényegesen nagyobb légköri CO2-koncentráció lehetőségét hasznosították, sokkal produktívabbak voltak [a hatalmas karbon kori kőszéntelepek megléte is bizonyítja a fokozott biomassza termelést], viszont a CO2-koncentráció csökkenésével nagy részük kipusztulhatott. Amennyiben nem volna a légkörnek CO2-utánpótlása (bomlás, fosszilis tüzelőanyagok égetése), 35 év alatt a levegő összes szén-dioxid-tartalma elfogyna!

A második világháborút megelőzően egy hektárnyi mezőgazdasági területen átlagosan 14 mázsa búza, 20-22 mázsa kukorica termett. Napjainkban, ha a csapadékmennyiség kielégítő, 80-100 mázsa búza, illetve 120-150 mázsa kukorica terem egy hektáron. Az 50 évvel ezelőtti 6-7-szerese.

A növények anyagcseréjében (metabolizmusában) központi szerepet játszik a CO2. Fotoszintetizáló organizmusok a légköri CO2-t a szén kémiai redukciójával veszik fel. Ezzel nyerik a kémiai energiát életműködésük fenntartásához és saját szerves szervezetük felépítéséhez szükséges szerves molekulákat. A szerves molekulákba fotoszintézisen keresztül asszimilált szén, hidrogén és oxigén egy tipikus növény teljes szárazanyag-tartalmának 96 %-át teszi ki (Marschner, H. 1995).

Az emelkedett CO2-koncentráció vegetációra gyakorolt hatását úgy szokás vizsgálni, hogy a CO2 a mostani és a jövőbeli, megemelkedett légköri koncentrációjánál, általában üvegházakban vagy kamrákban termesztett növények növekedését hasonlítják össze, eltéréseket után kutatva. Viszont a valóságnak jobban megfelelnek a szabad levegőn végzett szén-dioxid dúsítási technikákkal (Free-Air Carbon Dioxide Enrichment, FACE) végzett kutatások, melyek során vízszintes vagy függőleges csövekkel vesznek körül egy kísérleti parcellát, amik szén-dioxidban dúsított levegőt áramoltatnak a növények közé. A CO2-koncentrációt szenzorokkal mérik, és visszajeleznek a számítógépnek, ami a csövekben áramló CO2 áramlását szabályozza. Az 1. képen körkörös kialakítású kísérleti parcellák láthatók .

1. kép: FACE kísérleti parcellák a szén-dioxid növényzetre gyakorolt hatásainak kutatására
1. kép: FACE kísérleti parcellák a szén-dioxid növényzetre gyakorolt hatásainak kutatására

Mik a megfigyelt hatások?

A levelek általi fotoszintetikus szénmegkötés (karbon fixáció) üteme megemelkedett: a 475-600 ppm-es koncentráció mellett növesztett növényfajoknál 40%-kal nőtt a szénmegkötés sebessége (Ainsworth, E. A. – Rogers, A. 2007).

A gázcserenyílásokon (sztomata) keresztül a növény gázcserét folytat a külső környezetével (a nyílt sztomatán keresztül a CO2 a levelekbe diffundál, illetve az elpárolgó víz eltávozik). A növények képesek szabályozni a sztomaták nyitottságát, hogy fenntartsák a fotoszintézis magas, illetve a vízveszteségek alacsony fokát. Ahogyan a CO2-koncentráció emelkedik, úgy a sztomaták viszonylag alacsony nyitottságánál (mérőszáma a sztomatális vezetőképesség) is képes biztosítani a fotoszintézis megfelelő mértékét. Ennek következtében a víz sztomatális konduktanciája 22%-kal csökken (Ainsworth, E. A. – Rogers, A. 2007).

A FACE kísérletek bebizonyították, hogy

  • a teljes növény vízfelhasználása 5-20%-kal csökkent emelkedett CO2-koncentráció mellett (Leakey, A. D. B. et al. 2009).

  • Másodlagos fiziológiai hatások. Gyorsabb növekedés: a felszín feletti szárazanyag 17%-kal, míg a felszín alatti több mint 30%-kal nőtt (Ainsworth, E. A. – Long, S. P. 2005, de Graaff, M. A. et al. 2006). A növekedés megfigyelhető a haszonnövények terméshozamában: 12-14%-os hozamnövekedés a búza, rizs és a szójabab esetén (Ainsworth, E. A. 2008, Long, S. P. et al. 2006).

  • Változások a növényi szövetek kémiai összetételében: a nitrogénkoncentráció a szövetekben levél-tömegegységre vonatkoztatva 13%-kal csökkent (Ainsworth, E. A. – Long, S. P. 2005). A tömegegységre jutó nem szerkezetépítő szénhidrátok mennyisége 30-40%-kal nőtt (Ainsworth, E. A. – Long, S. P. 2005, Ainsworth, E. A. 2008).

A fotoszintézis típusa is meghatározó az emelkedett CO2-re adott válaszreakciókban. A legtöbb növényfaj (85%) a C3 fotoszintézist használja, míg a többi fajban két fiziológiailag eltérő folyamat játszódik le: a C4 (a növényfajok 0,4%-a) vagy a CAM fotoszintézis (10%, pl. kaktusz, orchidea, ananász). Továbbá létezik a C3-C4 között átmenet. A C4-es növények közé tartoznak a trópusi és szubtrópusi fűfélék (pl. kukorica, cukornád, cirok, köles). C3-as növény például a búza, a rizs, az árpa, a zab, a rozs, a gyapjú, a cukorrépa, a dohány, a szójabab stb., illetve a legtöbb fafaj.

További érdekesség, hogy léteznek szén-dioxid kompenzációs pontok, vagyis azon légköri CO2-koncentrációk, melyek esetén az adott növényfaj nettó fotoszintézise teljesen leáll. Magyarul a növény növekedése teljesen leáll, amit valameddig képes tolerálni, de végül elpusztul! A bruttó fotoszintézis a teljes CO2-megkötés mértéke, de ebből légzéskor elvész egy rész, ezt levonva kapjuk meg a nettó fotoszintézist. A C3 fotoszintézist alkalmazó növények esetén ez a pont 50-100 ppm körüli, a C3-C4 átmenetnél még alacsonyabb, míg a C4-es növényeknél a legalacsonyabb. (Moore, R. et al. 1995).

A szén-dioxid biztonságos szintje legalább 200 ppm. Minél több, annál jobb. Ha ez alá süllyed, veszélyzónába kerülünk, viszont szerencsére ennél 2-szer magasabb a légköri szén-dioxid koncentráció (400 ppm felett vagyunk valamivel). A jégkorszakok idején a jégfúrómag-vizsgálatok alapján a szén-dioxid koncentráció esetenként 160-180 ppm-re is lecsökkent! A jégbe zárt légbuborékokban mérték meg a szén-dioxid koncentrációt, ami hűen tükrözi az ezer, százezer évvel ezelőtti légköri viszonyokat. Az utóbbi évtizedekben az antarktiszi, az északi-sarki mérőállomásokon és a hawaii-i Mauna Loa Obszervatóriumban mért koncentrációk szinte megegyeznek, bizonyítva, hogy globálisan tökéletesen elkeveredik a légkörben a szén-dioxid, a háttérkoncentráció 400 ppm körüli.

Természetesen ez a földfelszín közelében nem igaz! Például erdők esetén jelentős a különbség a nappali és az éjszakai koncentrációk között, hiszen nappal a szén-dioxidot kivonja a növényzet a fotoszintézis során, míg éjszaka a respiráció során a növény cukrot éget el, amihez oxigén von ki a levegőből és szén-dioxidot bocsát ki. Különösen nagy lehet a napszakos ingás egy üvegházban, ahol a légáramlás korlátozott. Szélcsendes időben a közlekedés és az ipar által kibocsátott szén-dioxid sem keveredik el olyan gyorsan, ezáltal megemelve a helyi koncentrációt. Szeles időben viszont mindez fordított. A trópusokon az erdő- és avarégetések is jelentős időszakos szén-dioxid források. Évszakos ingadozást is mutat a szén-dioxid koncentráció: télen magasabb, nyáron alacsonyabb, mivel télen a lombhullató erdők nem fotoszintetizálnak. Ez kifejezetten a mérsékelt övre vonatkozik.

Számos kísérlet során bebizonyosodott, hogy egyes fajok pozitívan reagálnak az emelkedett CO2 koncentrációra, ha külön termesztik őket, viszont, ha kevert növényi közösségekben csökken a növekedésük, a vetélytárs növények növekedése fokozódik, amelyek kiszorítják (Poorter, H. – Navas, M. L. 2003). A monokultúrában termesztett gabonanövényeket ez a veszély nem fenyegeti.

A jelenlegi bizonyítékok azt mutatják, hogy a légköri szén-dioxid koncentráció növekedése jelentős hatással lehet a növények fiziológiájára és növekedésére. Megemelkedett CO2-szint mellett a legtöbb növényfaj gyorsabb fotoszintézist, gyorsabb növekedést, csökkent vízfelhasználást és csökkent nitrogén és fehérje szöveti koncentrációt mutat. A CO2 emelkedése nemcsak a mezőgazdasági termelés nagyságát, hanem a táplálék minőségét is valószínűleg befolyásolni fogja. Az emelkedett szén-dioxid hatásai nem egységesek; egyes fajok, különösen, melyek a fotoszintézis C4 variánsát alkalmazzák, gyengébb választ mutatnak (vagy nem is reagálnak a jelenlegihez képest emelkedett CO2-ra, ellentétben a C3-asokkal). A növekvő légköri CO2 koncentráció ennek következtében valószínűleg összetett hatásokat gyakorol a növényközösségek növekedésére és összetételére (Taub, D. R. 2010).

Globális kizöldülés

A levélfelületi index (LAI) az elmúlt 26 évben általánosságban 0,0013/év ütemben emelkedett (Liu, S. et al. 2010). A legmagasabb emelkedő trend a középső és az északi magas (30° feletti) földrajzi szélességeken figyelhető meg (trend: +0,0032/év). Kiemelkedően nőtt a LAI Európában, Szibériában, Indiában, Észak-Amerikában és Dél-Kanadában, a Szaharától délre (Száhel-övezet), Ausztrália délnyugati részén és a Kgalagadi-medencében (a dél-afrikai Kalahári-sivatagban), míg észrevehetően csökkent Délkelet-Ázsiában, Kína délkeleti részein, Közép-Afrikában (erdőirtások), Dél-Amerika középső és déli részein (szintén erdőirtások) és Észak-Amerika sarkvidéki területein („tundra-zöldülés”) (1. ábra).

1. ábra: A becsült LAI-értékek lineáris trendjeinek térbeli eloszlása 1981 júliusa és 2006 decembere között (Liu, S. et al. 2010)
1. ábra: A becsült LAI-értékek lineáris trendjeinek térbeli eloszlása 1981 júliusa és 2006 decembere között (Liu, S. et al. 2010)

Részben az emelkedett légköri szén-dioxid-koncentrációnak köszönhető a levélfelület növekedése, viszont a mérsékelt övben, illetve a magas földrajzi szélességeken nagyobb részt a hőmérséklet meghatározó. A felmelegedés hosszabb tenyészidőszakot, nagyobb növekedést eredményez. Példaként mutatom a búza termesztésére alkalmas területeket Kanadában jelenleg, és 1- 2 °C-os hőmérsékletcsökkenés esetén (a jelenlegihez képest) (2. ábra). Ez az ábra egy globális nukleáris háború éghajlatra gyakorolt lehetséges hatásait (nukleáris tél) elemző jelentésből származik.

2. ábra: Kanada búzatermő területei jelenleg, 1 °C-os és 2 °C-os átlaghőmérséklet csökkenés esetén (Starr, S.)
2. ábra: Kanada búzatermő területei jelenleg, 1 °C-os és 2 °C-os átlaghőmérséklet csökkenés esetén (Starr, S.)

Cook, B. I. – Pau, S. (2013) eredményei azt mutatják, hogy a legelőterületek degradációja nem világszerte elterjedt jelenség, és a legelők produktivitása széles körben emelkedett az utóbbi három évtizedben (1982-2008 között).

A 3. ábrán a BEST globális átlaghőmérséklet adatsort a búza, a kukorica és a rizs globális terméshozamával (a FAO adatai) hasonlítottam össze 1960-2013 között. Az ábrán hőmérsékleti anomáliák szerepelnek, melyek a választott (1951-1980) referenciaidőszaki átlagtól vett eltéréseket mutatják (1951-1980 hőmérsékleti átlaga 8,69±0,05 °C). Egyértelmű a kapcsolat a hőmérséklet és a terméshozamok között (r2=0,71-0,73). A hőmérséklet emelkedésével együtt mozog a termésátlag. Természetesen nem csak a hosszabb tenyészidőszak és az emelkedett légköri szén-dioxid szint kedvező hatásának tudható mindez be, hanem a műtrágyáknak, növényvédő szereknek és a jobb vetőmagoknak is. Egyértelműen látszik a globális felmelegedés és a modern civilizáció vívmányainak a pozitív hatása a mezőgazdaságra.

3. ábra: A BEST globális átlaghőmérsékletek és a FAO globális termésátlagok alakulása 1960-tól 2013-ig
3. ábra: A BEST globális átlaghőmérsékletek és a FAO globális termésátlagok alakulása 1960-tól 2013-ig

Irodalom

  1. Ainsworth, E. A. – Long, S. P. 2005: What have we learned from 15 years of free-air CO2 enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy properties and plant production to rising CO2. – New Phytologist 165. pp. 351-372.

  2. Ainsworth, E. A. – Rogers, A. 2007: The response of photosynthesis and stomatal conductance to rising (CO2): mechanisms and environmental interactions. – Plant, Cell and Environment 30. pp. 258-270.

  3. Ainsworth, E. A. 2008: Rice production in a changing climate: a meta-analysis of responses to elevated carbon dioxide and elevated ozone concentration. – Global Change Biology 14. pp. 1642-1650.

  4. Cook, B. I. – Pau, S. 2013: A Global Assessment of Long-Term Greening and Browning. Trends in Pasture Lands Using the GIMMS LAI3g Dataset. – Remote Sensing 5. pp. 2492-2512. doi:10.3390/rs5052492

  5. de Graaff, M. A. – van Groenigen, K. J. et al. 2006: Interactions between plant growth and soil nutrient cycling under elevated CO2: a meta-analysis. – Global Change Biology 12. pp. 2077-2091.

  6. Donohue, R. J. – Roderick, M. L. – McVicar, T. R. – Farquhar, G. D. 2013: Impact of CO2 fertilization on maximum foliage cover across the globe’s warm, arid environments. – Geophysical Research Letters 40. 12. pp. 3031-3035.

  7. Leakey, A. D. B. – AINSWORTH, E. A. et al. 2009: Elevated CO2 effects on plant carbon, nitrogen, and water relations; six important lessons from FACE. – Journal of Experimental Botany 60. pp. 2859-2876.

  8. Liu, S. – Liu, R. – Liu, Y. 2010. Spatial and temporal variation of global LAI during 1981–2006. – Journal of Geographical Sciences 20 pp. 323-332.

  9. Long, S. P. – Ainsworth, E. A. et al. 2006: Food for thought: Lower-than-expected crop yield stimulation with rising CO2 concentrations. – Science 312. pp. 1918-1921.

  10. Marschner, H. 1995: Mineral Nutrition of Higher Plants, 2nd ed. Academic Press, London.

  11. Moore, R. – Clark, W. D. – Kingsley, R. S. – Vodopich, D. 1995: Botany. William C Brown Pub.

  12. Poorter, H. – Navas, M. L. 2003: Plant growth and competition at elevated CO2: on winners, losers and functional groups. – New Phytologist 157. pp. 175-198.

  13. Starr, S. (nincs év). Catastrophic Climatic Consequences of Nuclear Conflict. International Network of Engineers and Scientists Against Proliferation, INESAP.

  14. Taub, D. R. 2010: Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants. – Nature Education Knowledge 3. 10. :21

Főoldal