Больше углекислого газа в атмосфере — эффективней фотосинтез

Как выяснила недавно группа исследователей из США и Германии, в ответ на непрерывное возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере леса умеренного пояса увеличивают интенсивность фотосинтеза, а следовательно, и чистую первичную продукцию экосистемы. При этом возрастает эффективность использования воды, потребляемой при связывании определенного количества СО₂. Происходит это из-за того, что в условиях избытка CO2 растения слегка прикрывают устьица. Соответственно, уменьшается транспирация — испарение растением воды через устьица.

Содержание в атмосфере углекислого газа (CO₂) неуклонно растет и в мае 2013 года достигло небывалого (по крайней мере, за несколько сотен тысяч лет) максимума — 400 ppm (parts per million, частей на миллион), что на 43% выше доиндустриального уровня — 280 ppm. Увеличение концентрации в воздухе CO₂ приводит — до некоторого предела, конечно, — к возрастанию интенсивности фотосинтеза. Этот эффект очень хорошо прослеживается в лаборатории и в теплицах и менее четко — в полевых экспериментах под открытым небом. Что касается непосредственно природной обстановки, то там уловить изменения в интенсивности фотосинтеза в ответ на постепенное увеличение содержания CO₂ достаточно сложно, и результаты получаются противоречивыми.

В недавно опубликованной статье Тревора Кинэна (Trevor F. Keenan) из Отдела организменной и эволюционной биологии Гарвардского университета (Массачусетс, США) совместно с коллегами из того же и других университетов США, а также Германии показано, что в лесах на северо-востоке и Среднем западе США за последние годы (наблюдения в 13 разных местах велись от 7 до 18 лет) выросла первичная продукция, а также увеличилась эффективность использования воды. Последняя величина, оцениваемая как расход воды на связывание определенного количества CO₂, особенно интересовала исследователей. Дело в том, что при увеличении концентрации CO₂ в окружающей среде растения слегка прикрывают устьица, чтобы поддерживать необходимое давление в межклеточных пространствах листа. При этом уменьшается транспирация — испарение растением воды. Иногда это приводит даже к излишнему накоплению воды в почве и развитию в анаэробных условиях бактерий метаногенов, производящих другой важный парниковый газ — метан.

Авторы обсуждаемой работы использовали известный с 1980-х годов метод ковариации вихрей — «eddy covariance». Суть метода в том, что приборы, укрепленные на специальной вышке в лесу, анализируют состав воздушных потоков. При этом особое внимание уделяется обмену газами между лесом и вышележащими слоями атмосферы. Результаты непрерывных наблюдений за содержанием CO2 и паров воды свидетельствуют, что практически во всех местах за последние 15—20 лет возросла эффективность использования воды на фотосинтез. Соответственно, увеличилась и чистая продукция экосистемы. Анализ климатических и других условий во всех лесах, где проводились наблюдения, показал, что никаких существенных изменений за период исследований не наблюдалось, а весь эффект можно описать непосредственным воздействием повышающейся год от года концентрации CO2 в атмосфере.

Авторы подчеркивают, что «контролю со стороны устьиц» за потреблением воды и углекислого газа до последнего времени не уделялось должного внимания, хотя процессы эти могут играть очень важную роль в поддержании глобального баланса углерода и воды.

Испарения, поднимающиеся над лесами в районе Уиллоу-Крик, Калифорния (Willow Creek). Фото © Harry Spurling/CORBIS из статьи Belinda Medlyn, Martin De Kauwe, 2013

Долговременная динамика эффективности использования воды на фотосинтез. Годовое изменение эффективности ΔWe (г углерода на кг H2O × ГПа) рассчитывается по дневным потокам за летние месяцы. Красная линия — среднее для всех мест обследования. Серая полоса — доверительные интервалы. Серые точки и черные линии — данные по отдельным точкам. Из обсуждаемой статьи Keenan et al., 2013

Динамика чистой продукции экосистемы (г углерода на м2 за год) в разных участках леса на северо-востоке США. Обратите внимание на обратную шкалу. Чистая продукция за проанализированные годы возрастает, а не убывает. Из обсуждаемой статьи Keenan et al., 2013