Результаты, опубликованные в журнале Nature Climate Change 18 апреля 2016 года, показывают некоторую компенсацию неблагоприятного воздействия экстремальных температур и нехватки воды, вызванного увеличением выбросов углекислого газа и других парниковых газов.Исследования показали, что более высокие концентрации углекислого газа в атмосфере влияют на сельскохозяйственные культуры двумя важными способами: они повышают урожайность за счет увеличения скорости фотосинтеза, который стимулирует рост, и они сокращают количество водных культур, теряемых из-за транспирации. Растения проходят через свои листья, которые содержат крошечные поры, называемые устьицами, которые открываются и собирают молекулы углекислого газа для фотосинтеза.
Во время этого процесса они выделяют водяной пар. По мере увеличения концентрации углекислого газа поры не открываются так широко, что снижает уровень транспирации растениями и, следовательно, повышает эффективность использования воды.По словам Дельфин Деринг, ведущего автора и ученого-климатолога Института космических исследований имени Годдарда (GISS) НАСА в Нью-Йорке, глобальные оценки воздействия на климат сельскохозяйственных культур сосредоточены в первую очередь на влиянии повышенного содержания углекислого газа в атмосфере на урожайность. «Было проведено очень мало анализа оценки воздействия, который рассматривал двойное воздействие на урожай и водопользование, а также то, как они проявляются в различных регионах мира, что имеет решающее значение для прогнозирования будущего спроса на воду для сельского хозяйства», — сказала она.
Чтобы изучить эти эффекты для пшеницы, кукурузы, сои и риса, Деринг и ее соавторы смоделировали изменения урожайности сельскохозяйственных культур и эвапотранспирации (комбинированный перенос водяного пара в атмосферу из-за испарения и транспирации), чтобы оценить продуктивность воды культур. В частности, они смотрели на количество урожая на единицу воды, которое является обычным показателем для оценки эффективности водопользования сельскохозяйственных культур.
Результаты были синтезированы из ансамбля из 30 симуляций, созданных с помощью шести глобальных моделей сельскохозяйственных культур, основанных на климатических данных из пяти различных глобальных климатических моделей в рамках сценария выбросов парниковых газов «как обычно», в соответствии с которым концентрации углекислого газа удвоятся к 2080 году. по сравнению с 2000 годом. Были проведены две серии экспериментов с культурами: одна, в которой учитывались эффекты концентрации двуокиси углерода в атмосфере и связанных с ними климатических изменений, и вторая, в которой учитывались только соответствующие климатические условия, что означало поддержание концентраций двуокиси углерода на уровне 2000 уровней.Результаты показывают, что урожайность всех четырех культур, выращиваемых при уровнях углекислого газа, оставшихся на уровне 2000 года, испытает серьезное снижение урожайности из-за более высоких температур и более сухих условий. Но при выращивании с удвоенным уровнем углекислого газа все четыре культуры растут лучше из-за увеличения фотосинтеза и продуктивности воды, что частично компенсирует воздействие этих неблагоприятных климатических изменений.
Для пшеницы и сои с точки зрения урожайности среднее негативное воздействие полностью компенсировано, и посевы риса окупают до 90 процентов, а кукурузы — до 60 процентов своих потерь.Согласно исследованию, влияние удвоенной концентрации углекислого газа на продуктивность воды и урожайность сельскохозяйственных культур варьируется в зависимости от региона. Результаты показывают, что кукуруза страдает от потерь урожая из-за удвоения уровня углекислого газа, в значительной степени из-за уже большей эффективности растения в использовании углекислого газа для фотосинтеза по сравнению с другими культурами. Урожайность кукурузы снижается на 15 процентов в районах, где используется орошение, и на 8 процентов в районах, которые зависят от дождя.
Даже в этом случае потери были бы более значительными без увеличения содержания углекислого газа: урожайность снизилась бы на 21 процент для орошаемой кукурузы и на 26 процентов для кукурузы на богарных землях.Более широкий разброс прибылей и убытков богарных кукурузы объясняется, главным образом, более засушливыми условиями выращивания. «Влияние на продуктивность воды и урожайность сельскохозяйственных культур сильнее всего в таких регионах, как юг Африки, где вода является ограничивающим фактором», — сказал Деринг. «Кукуруза в этих регионах испытывает наибольшее облегчение из-за повышения эффективности водопользования».Что касается пшеницы, то удвоение уровня углекислого газа приводит к повсеместному увеличению урожайности.Неорошаемая пшеница, выращиваемая в более высоких широтах, таких как США, Канада и Европа, которые имеют более умеренные температуры и более длительный вегетационный период, демонстрирует общее увеличение урожайности почти на 10 процентов, в то время как потребление ими воды снижается на соответствующую величину. .Для богарной пшеницы, выращиваемой в более засушливых климатических условиях, например на юге Африки и в Индии, результаты показывают, что удвоение уровня углекислого газа и связанные с ними последствия изменения климата увеличивают урожайность на 8 процентов, что обусловлено повышением продуктивности воды сельскохозяйственных культур до 50. процентов.
Как и в случае с богарными культурами кукурузы в засушливом климате, без повышения углекислого газа эти богарные посевы пшеницы не справятся с этим из-за большего водного стресса, на который они влияют, что приводит к снижению урожайности на 29 процентов.По словам Деринга, хотя эти богарные культуры составляют лишь небольшую часть от общего объема пшеницы, выращиваемой во всем мире, как и богарная кукуруза, они часто выращиваются в развивающихся странах, которые более уязвимы к колебаниям производства. «Люди в этих регионах больше зависят от местного растениеводства как средства к существованию, поэтому колебания урожайности имеют тенденцию быть более критичными для продовольственной безопасности».По словам Синтии Розенцвейг, климатолога GISS, исследование дает некоторую надежду на урожай, выращиваемый в засушливых, часто экономически сложных районах. «Например, фермеры могут переключиться на такие культуры, где их улучшенный фотосинтез и более эффективное использование воды более чем компенсируют потери из-за высоких температур, которые принесет изменение климата».Но Розенцвейг сказал, что необходимы дополнительные полевые эксперименты. «Неопределенность воздействия углекислого газа выше в засушливых регионах, потому что эксперименты проводились в основном в регионах с умеренным климатом в северном полушарии», — сказала она. «Нам нужны полевые наблюдения в этих более засушливых регионах, чтобы проверить и улучшить наши модели».
Также существует потребность в исследовании, которое изучает влияние повышенного уровня углекислого газа на питание сельскохозяйственных культур, которое не исследовалось в этом исследовании. «Сельскохозяйственные культуры также нуждаются в азоте для роста, например, а во многих частях Африки не хватает удобрений», — сказал Деринг. «Дисбаланс между азотом и углеродом в тканях сельскохозяйственных культур может привести к уменьшению количества питательных веществ, таких как железо, цинк, а также к снижению содержания белка».Исследователи говорят, что их результаты проливают свет на сельское хозяйство во всем мире и подчеркивают важность изучения засушливых и полузасушливых систем земледелия. «Для фермеров вода имеет жизненно важное значение», — сказал Деринг. «Использование этого исследования поможет им и другим заинтересованным сторонам подготовиться к производству на более жаркой и сухой планете».