看来|我们的作物不需要更多的二氧化碳

很多人会记住这个方程从学校:6有限公司₂+ 6 h₂O +光→C₆H₁₂O₆+ 6 o₂。这是一个简单的方式来概括一个非常复杂的过程,发生在绿色植物组织:光合作用。简而言之,光合作用是植物利用大气二氧化碳的过程(有限公司₂),加上水,建立有机化合物通过利用阳光的能量。作为植物生长和作物产量的基础,光合作用如何回应气候变化、农艺条件将在很大程度上影响我们的能力来养活不断增长的人口。

上周,我解释了光合作用的基础,小学儿童在私立科学课。最后,他问我:“如果有限公司₂植物的食物,为什么我们担心不断上升的水平吗?更多的公司₂对我们来说意味着更多的光合作用和更多的食物,对吧?“这正是一些气候变化怀疑论者认为:不断上升的有限公司₂水平已经提高了产量,并将继续这样做,帮助我们实现粮食安全。不幸的是,这并不是那么简单。

1804年,瑞士植物学家索绪尔开创的实验发现,植物通过光合作用吸收二氧化碳。随着时间的推移,几项研究已经显示,在一定程度上(800 - 2000 ppm),更多的公司₂在离开意味着更高的光合速率:这就是所谓的有限公司₂施肥效果。这是因为酶二磷酸核酮糖羧化酶的性质,可能是地球上最丰富的蛋白质。二磷酸核酮糖羧化酶催化碳固定在叶子,调节光合作用的速度和无机碳进入生物圈的流动,因此,扮演一个关键的角色在地球的碳循环和作物产量。

但二磷酸核酮糖羧化酶不是很有效:它还与O反应₂,造成能量浪费的过程被称为呼吸作用。这减少了光合效率约30%。通过地质时期,有限公司₂大气浓度差异很大。事实上,当光合作用演化,3 - 3.5年前,有限公司₂水平比现在高出两个数量级,也没有氧气在大气中。二磷酸核酮糖羧化酶的进化和适应这些条件。随着时间的推移,植物对减少有限公司₂浓度的进化适应,帮助一些物种集中有限公司₂二磷酸核酮糖羧化酶,从而最大限度地减少光呼吸。另一种进化回答lower-CO的选择压力₂气氛,丰富的O₂二磷酸核酮糖羧化酶的增加,specificity-a更好的区分能力有限公司₂和O₂。但这导致催化速度更慢,二磷酸核酮糖羧化酶仍与O反应₂大约25%的时间。

自二磷酸核酮糖羧化酶在现今条件仍然是低效的,增加有限₂可用性会抑制光呼吸,促进光合作用。另一个影响更多的公司₂至少在理论上,一个较低的作物用水。这是因为植物获得碳(和释放氧气)从叶子的小开口称为气孔,但是他们也失去了水,这一过程被称为蒸腾。所以植物不断控制气孔开放达成公司之间的权衡₂同化和水损失,因此高有限公司₂大气浓度允许植物减少蒸腾,使气孔关闭。

所有这一切都意味着更高的收益率在未来更高的公司吗₂吗?不幸的是没有。我们早期的知识如何上升有限公司₂影响作物生理学来自实验室和封闭室研究有限公司₂施肥效应似乎大大提高植物生产力。

1983年,金博Idso,在回顾基于超过400对37作物在实验室里,认为两倍的公司₂大气浓度,农作物的产量将增加33%,平均。但是如果我们从实验室搬到字段吗?

免费的航空公司₂浓缩(脸)是一种实验技术,作物生长在字段在现实环境和农艺条件下和周围的空气在哪里人为有限公司₂纯度的浓缩铀。与实验室研究不同,面对实验代表良好的模拟未来的环境和作物模型是高价值的来源数据做出预测。从这些实验的证据表明,高公司的好处₂大气浓度,在产生刺激和节水方面,可能远远低于预期未来增长的条件下。

这很大程度上是因为一个非常简单但农艺由卡尔Sprengel制定的基本法律,后来推广的贾斯特斯•冯•李比希上半年的19世纪:最低的法则。植物的生长发育和产量取决于很多不同的因素,如阳光、矿物营养、温度、有限公司₂,等等。但最优增长只发生在最大允许的限制因素,最稀缺与真正的需求。字段,作物生产力通常远远低于潜在的,和收益率差距可能很大由于一些限制因素。简而言之,你可以供应更多的公司₂作物,但如果强调这种作物的氮或水的限制,产量的增加,由于碳施肥不会显著。

在隔离,在某些情况下,更高的公司₂大气浓度可能对作物被视为积极的事。但是我们知道有限公司₂是气候变化的主要驱动力,现在被认为是危险的影响作物生产力的限制因素,威胁全球粮食产量。高有限公司₂大气浓度及相关气候变化可能意味着更高的全球平均气温,热浪、洪水或严重的干旱和极端事件。优德手机客户端中文版气候变化是改变降水在时间和空间上的分布,加速土壤退化和生物多样性流失,带来新的杂草,帮助农业生态系统之间的害虫和疾病的传播。

作物对温度十分敏感,高于最优,和热应力可以作物产量的主要限制因素之一,在接下来的几十年。2016年,一个四年面对实验研究了小麦和大米的反应生产有限公司₂、温度、和他们的相互作用。作者的结论是,气候变暖可能会抵消甚至扭转公司的积极影响₂浓缩。至于低水需求的假设,另一个2016年的研究发表在自然表明高有限公司₂大豆冠层温度的增加,由于减少蒸腾,改善叶片发育。这两个因素可以抵消甚至逆转的积极效应低气孔导度由于高有限公司_2,他们可以使作物使用比预期更多的水。

我们的全球能力实现粮食安全将强烈取决于作物和农业生态系统受到气候变化的影响。不幸的是,大气CO浓度的增加₂将会有更多的负面的比正面影响我们的食物系统。

照片由安德里亚·比安奇