تأثیر افزایش غلظت دی اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان

تأثیر افزایش غلظت دی اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان

تأثیر افزایش غلظت دی اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان: با توجه به پژوهش‌های دهه اخیر می‌توان به این مسئله اشاره کرد که در شرایط آزمایشگاهی کاربرد دی‌ اکسید کربن و افزایش غلظت آن می‌تواند به دلیل افزایش فتوسنتز، کاهش تعرق و بهبود راندمان مصرف آب منجر به بهبود رشد گیاهان شود، اما هنوز به خوبی مشخص نیست در شرایط طبیعی و مزرعه‌ای که سایر عوامل محیطی تقریباً خارج از کنترل هستند، افزایش غلظت این گاز منجر به حصول چه نتایجی شود و گیاهان مختلف چه واکنشی نسبت به این مسئله نشان می‌دهند. بخصوص اینکه در سال‌های اخیر شاهد افزایش غلظت این گاز در ترکیب هوای کره زمین بوده‌ایم که قطعاً در شیوه رشد گیاهان و چگونگی واکنش آنان تأثیر گذار خواهد بود. در ادامه سعی بر آن بوده است که به صورت مختصر و مفید، واکنش گیاهان مختلف در برابر این پدیده بررسی شود.

وضعیت گاز CO2 در اتمسفر کره زمین:
در حال حاضر و با توجه به گزارش ناسا مقدار غلظت CO2 به بیش از ppm 400 رسیده است.

غلظت آن در حال حاضر تقریباً دو برابر غلظت شایع در ۴۲۰ هزار سال اخیر است.

بنا بر گزارش National Oceanic and Atmospheric Administration این گاز در سال ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶ سالانه حدود ppm 3 افزایش نشان داده است بنابراین تا قبل از اتمام این قرن امکان دارد به حد اشباع نیاز گیاهان برسد.

به گفته Hatfield عضو پنل The United Nations Intergovernmental و برنده جایزه نوبل صلح ۲۰۰۷:

این امکان وجود دارد که افزایش این گاز به مرحله‌ای برسد که بیشتر منجر به خطر و ضرر و زیان شود تا آنکه اثر مثبت داشته باشد. زمانی که غلظت آن به حدود ppm600-550 برسد گیاهان به نقطه اشباع CO2 می‌رسند و افزایش این گاز بیش از این مقدار در افزایش رشد گیاهان مفید نخواهد بود. در بین این دو سطح و تا رسیدن به حد اشباع نیز چگونگی اثر افزایش غلظت CO2 بر واکنش گیاهان مختلف، مورد بررسی و بحث است.

بر اساس گزارش پنل The United Nations Intergovernmental Panel در سال ۲۰۱۴ که در رابطه با تغییرات آب و هوایی کره زمین بودتأثیر افزایش غلظت دی‌ اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان، افزایش CO2 اتمسفر منجر به بهبود راندمان مصرف آب از سوی گیاهان (برای تولید ماده خشک) شده است. شاید در نگاه اول این برداشت را داشته باشیم که افزایش غلظت این گاز موجب بهبود وضعیت رشد و بهبود راندمان مصرف آب از سوی محصولات شده است. اما این پنل خاطرنشان کرده است که این بهبود در رابطه با برخی از گیاهان همانند گندم و برنج (گیاهان C3) مشاهده شده است و شامل ذرت و نیشکر (گیاهان C4) نمی‌شود. بنابراین واکنش گیاهان مختلف در برابر این مسئله می‌توان متفاوت از یکدیگر باشد.

همچنین افزایش CO2 منجر به ایجاد تغییر در سایر شرایط محیطی می‌شود که هر یک از آنان می‌توانند فتوسنتز و نحوه رشد گیاه را تحت تأثیر قرار دهند. به عنوان مثال با بررسی الگوهای تغییرات شرایط آب و هوایی، پیش بینی می‌شود افزایش CO2 منجر به گرم‌تر و خشک‌تر شدن کره زمین شود. گرم‌تر شدن ۴٫۵-۰٫۲ درجه سانتی‌گراد مورد انتظار است که می‌تواند رشد گیاهان و چگونگی جذب عناصر غذایی را تحت تأثیر قرار دهد.

چرا گیاهان به این گاز نیاز دارند؟
در واکنش‌های کربنی فتوسنتز، CO2 برای شکل گیری چرخه کالوین- بنسن و در نتیجه شکل‌گیری ترکیب پنتوزفسفات و ذخیره شدن انرژی لازم و ضروری است.

چرخه کربن فتوسنتزی به سه صورت شناخته شده است:

چرخه کربن فتوسنتزی C3
چرخه کربن فتوسنتزی C4
متابولیسم اسید کراسولاسه‌ایای (CAM)

در هر سه نوع یاد شده، چرخه کالوین – بنسن وجود دارد.
تفاوت C4 و CAM با C3، توانایی تغلیظ CO2 در دو گروه اول است.
چرخه کربن فتوسنتزی C4 (و همچنین CAM) منجر به افزایش سطح CO2 در پیرامون جایگاه فعال روبیسکو می‌شود.
بازده کوانتومی: حاصل تقسیم مقدار محصول فتوسنتز بر میزان فوتون‌های جذب شده از سوی گیاه
بیشینه بازده کوانتومی گیاهان به شکل نظری و در شرایط آزمایشگاهی: ۰/۱۲ (یک مولکول CO2 ثبت شده در برابر ۸ فوتون جذب شده) اما در شرایط واقعی و طبیعی بازده کونتومی گیاهان C3 و C4 برابر با ۰/۰۴ و ۰/۰۶ متغیر است. یعنی اتلاف انرژی وجود دارد.
اتلاف انرژی در گیاهان C3 به دلیل تنفس نوری است.
اتلاف انرژی در گیاهان C4 به دلیل مکانیسم تغلیظ کننده CO2 است.
در گیاهان C3 اگر غلظت O2 کاهش یابد، تنفس نوری کمتر می‌شود و بازده کوانتومی تثبیت CO2 تا حدود ۰/۰۹ افزایش می‌یابد.
در گیاهان C4 اگر غلظت O2 کاهش یابد، بازده کوانتومی تثبیت CO2 در حدود ۰/۰۵ ثابت باقی می‌ماند زیرا مکانیسم تغلیظ کربن مانع از آزاد شدن CO2 از طریق تنفس نوری می‌شود.
در گیاهان C3 بازده کوانتومی در دماهای کمتر از ۳۰ درجه بیشتر از بازده کوانتومی گیاهان C4 است. در دماهای بالاتر از ۳۰ درجه وضعیت برعکس می‌شود. (توجه: گیاهان C4 در مناطق گرم زمین پراکندگی بیشتر و گیاهان C3 در مناطق معتدله پراکندگی بیشتری دارند)
فرض کنیم شرایط نوری و یا دمایی برای گیاه محدود کننده نیست و میزان فوتون کافی در اختیار گیاه قرار می‌گیرد. اما در نهایت این امکان وجود دارد که فتوسنتز توسط مسائل مربوط به CO2 محدود شود.به‌عنوان‌مثال فرض کنیم که CO2 با غلظت بالا در اختیار گیاه قرار گیرد اما مسائلی همانند محدودیت ترکیب پذیری روبیسکو با این گاز و یا محدودیت عملکرد آنزیم‌های چرخه کالوین-بنسون برای همگام شدن با تولید ATP و NADPH، مشکلاتی را ایجاد می‌کند.

این گونه از مشکلات زمانی که دمای محیط نیز افزایش می‌یابد بدتر می‌شود. افزایش دمای محیط توسط گاز CO2 به دلیل اثر گلخانه‌ای اجتناب ناپذیر است و از آنجایی که ساختار و عملکرد آنزیم‌ها و پروتئین‌ها تحت تأثیر دما است بنابراین افزایش غلظت CO2، فتوسنتز را به شکل منفی نیز می‌تواند تحت تأثیر قرار دهد.

این مسئله می‌تواند شامل هر سه گروه گیاهان C3، C4 و CAM شود.

فرض می‌کنیم سطح دما مناسب است و منجر به تخریب ساختار آنزیم‌ها نمی‌شود، کدام گروه (C3، C4 یا CAM) به افزایش CO2 پاسخ بهتری می‌دهند؟

در گیاهان C3

تحت شرایط آزمایشگاهی با دو برابر شدن غلظت CO2 (کاربرد ppm700-650)، سرعت رشد اغلب گیاهان C3 با ۳۰ تا ۵۰ درصد افزایش مواجه شد. (توجه: افزایش سرعت رشد به معنی افزایش کیفیت نیست)

در غلظت‌های اندک تا متوسط CO2 فتوسنتز در گیاهان C3 از طریق ظرفیت کربوکسیله شدن روبیسکو دچار محدودیت می‌شود و کارایی گیاهان کاهش می‌یابد. در غلظت‌های بالای CO2، به دلیل ظرفیت محدود چرخه کالوین بنسن برای باززایی مولکول پذیرنده ۱-۵ به یس فسفات محدود می‌شود. اما به هر حال با افزایش CO2 وضعیت فتوسنتزی این گیاهان تا حدودی بهبود می‌یابد زیرا روبیسکو بیش از آنچه که با O2 ترکیب شود با CO2 واکنش نشان می‌دهد.

در گیاهان C4

به دلیل وجود سیستم تغلیظ CO2 ، این گیاهان توانایی این را داشته اند که در سطح پایین تری از CO2 اتمسفر عمل فتوسنتز را به خوبی انجام دهند و به دلیل عدم انجام تنفس نوری بخصوص تحت شرایط افزایش دما، در مناطق گرم گسترش بیشتری یافته اند. این گیاهان در مقایسه با C3 و برای انجام فتوسنتز به روبیسکوی کمتر و برای رشد به نیتروژن کمتری نیاز دارند و به دلیل عملکرد روزنه ها ، آب کمتری مصرف می‌کنند. اما… به دلیل انجام عمل تغلیظ CO2 انرژی مصرف می کنند که موجب کاهش کارایی آنان می شود.

در گیاهان CAM

عامل محدود کننده عملکرد آنان، محدودیت در ظرفیت ذخیره مالیک اسید است که منجر به محدودیت در جذب CO2 می شود در نتیجه افزایش این گاز نفعی برای این گیاهان ندارد.

شاید واکنش این سه گروه از گیاهان در شرایط آزمایشگاهی و افزایش غلظت گاز دی اکسید کربن قابل پیش بینی باشد و نتایج رضایت بخشی را نیز ایجاد کرده باشد اما با توجه به برهمکنش این گاز و سایر فاکتورهای محیطی باید واکنش گیاهان در برابر افزایش غلظت CO2 را با توجه به سایر عوامل همانند دما رطوبت گاز ازن و …. بررسی کرد.

به بیان دیگر، واکنش گیاهان در برابر افزایش این گاز، به سایر عوامل محیطی بستگی دارد و نتایجی متفاوت با شرایط آزمایشگاهی بدست آید.

به همین دلیل برای بررسی عملی نحوه پاسخگویی گیاهان در برابر افزایش CO2، آزمایشات افزایش CO2 هوای آزاد انجام می شود. همچنین سعی می شود که این گونه از آزمایشات بلند مدت باشد تا تاثیر حضور بلند مدت سطح بالاتر دی اکسید کربن بر گیاهان مطالعه شود.

این گونه آزمایشات تحت عنوان Free Air CO2 Enrichment (FACE) experiment شناخته می‌شوند.

بر اساس گزارش پنل بین دولتی سازمان ملل، نتایج برخی آزمایشات FACE نشان داده است که اگرچه واکنش گیاهان مختلف بوده است اما در اکثر گیاهان افزایش غلظت گاز منجر به افزایش میزان فتوسنتز شده است و به دلیل کاهش باز بودن روزنه ها، مصرف آب کاهش می یابد اما کاهش مصرف آب را باید در رابطه با اندازه کل گیاهان، تغییر در مورفولوژی آنان و دمای برگها بررسی کرد و سپس نتیجه نهایی را مطرح کرد.

نتایجی که تا کنون به دست آمده است نشان داده است که گیاهان C3 در برابر گیاهان C4 به طور کل پاسخ مناسب تری را در برابر افزایش غلظت CO2 اتمسفر نشان داده اند. به عنوان مثال فتوسنتز در گیاهان C3 افزایش بیشتری نشان داد و کارایی مصرف آب و عملکرد روزنه ها در جهت کاهش تعرق بیش از C4 تحت تاثیر قرار گرفت. این مسئله می‌تواند به نفع گیاهان c3 در مناطق خشکتر باشد .

واکنش گیاهان C3 در برابر تغییر غلظت CO2 یکسان نیست. به عنوان مثال درختان در برابر افزایش غلظت این گاز واکنش گسترده‌تر و شدیدتری نشان دادند. به دنبال آنان گیاهان C3 که کوددهی در رابطه با آنان انجام می‌شد (محدودیت عناصر غذایی نداشتند) و در نهایت گیاهان علفی افزایش رشد نشان دادند.

همچنین عملکرد در میان گیاهان هر گروه در سال‌های مختلف متفاوت گزارش شده است.

تأثیر افزایش غلظت دی‌اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان

افزایش غلظت CO2 و کیفیت رشد و محتویات عناصر غذایی گیاه:
نتایج نشان داد که این امکان وجود دارد که اگر گیاهان تحت افزایش غلظت این گاز، با کودهای مناسب تغذیه نشوند رشد آنان کاهش یابد.

افزایش غلظت این گاز منجر به افزایش فتوسنتز و سرعت رشد گیاه می‌شود بنابراین اگر محدودیت سایر عناصر غذایی در خاک وجود داشته باشد، ابتدا کیفیت و سپس کمیت رویشی گیاه کاهش می‌یابد.

حتی اگر محدودیتی از نظر عناصر غذایی خاک وجود نداشته باشد، امکان دارد تا در ترکیبات شیمیایی بافت گیاهان تغییراتی مشاهده شود.

نتایج برخی از پژوهش‌ها نشان داده‌اند که با افزایش غلظت CO2 و افزایش فتوسنتز، میزان قندها و نشاسته برگ در هر واحد سطح برگ افزایش و غلظت نیتروژن آن کاهش یافت.

علت کاهش نیتروژن:

کاهش جذب عناصر از خاک. چون روزنه‌ها کارایی کمتری دارند و تعرق کاهش می‌یابد و در نتیجه کاهش جذب آب از ریشه‌ها، جذب عناصر نیز کاهش می‌یابد.

میزان نیتروژن جذب شده بر ساخت اسیدهای آمینه و پروتئین در بافت‌های گیاهی تأثیر می‌گذارد. بنابراین کاهش نیتروژن به دلیل یاد شده (کاهش تعرق، کاهش جذب آب و کاهش جذب عناصر) منجر به کاهش پروتئین‌های گیاهی می‌شود.

اگر با افزایش غلظت این گاز، گیاه به خوبی تغذیه شود و کوددهی شود این مشکل ایجاد نمی‌شود اما اگر ازت کافی نباشد علاوه بر کیفیت محصول، مقدار رشد آن نیز می‌تواند تحت با کاهش مواجه شود.

بنابراین اگرچه که افزایش رشد برخی گیاهان با افزایش غلظت CO2 گزارش شده است اما باید توجه کرد که افزایش رشد رویشی یک گیاه و افزایش فیبر آن، به معنی افزایش کیفیت غذایی آن نیست. این امکان وجود دارد که گیاهان دچار محدودیت در برخی عناصر غذایی شوند.

به گفته Samuel S. Myers پژوهشگر ارشد در مرکز مطالعاتی هاروارد که در رابطه با تغییرات آب و هوایی بر سلامت انسان فعالیت دارد: پژوهش‌های ما نشان می‌دهد که افزایش غلظت CO2 امکان دارد که منجر به کاهش ارزش غذایی برخی محصولات همانند برنج، جو و گندم شود و به شکل معنی‌داری میزان آهن، روی و پروتئین آنان کاهش یابد که چنین مسئله‌ای می‌تواند منجر به فقر پروتئینی مصرف کنندگان شود.

باید توجه کرد اطلاعاتی که در رابطه چگونگی جذب عناصر از خاک به دلیل افزایش غلظت CO2 وجود دارد هنوز کامل نیست و گاهی ضد و نقیض است.

برخی از پژوهشگران معتقدند که افزایش این گاز ممکن است منجر به افزایش زیست توده ریشه‌ها و ساقه‌ها و افزایش آزاد سازی کربن به محیط ریزوسفر از طریق ترشحات ریشه شود.

این ترشحات حاوی اسیدهای ارگانیک، آنزیم‌های پلیمری تجزیه کننده، کربوهیدرات‌های پلیمری، ساخاریدها، آمینواسیدها، پپتیدها و اسیدهای چرب است که ممکن است فعالیت میکروب‌های مفید خاک و چگونگی جذب عناصر توسط آنان را تحت تأثیر قرار دهد.

برخی از پژوهشگران آثار مفید افزایش CO2 اتمسفر در رشد گیاه را مربوط به زمانی می‌دانند که خاک دچار فقر مواد غذایی نباشد. از سوی دیگر نتایج برخی از آزمایشات بیانگر افزایش جذب عناصری همانند فسفر در اثر غنی سازی با دی اکسید کربن بوده است همانند گیاه برنج در مناطق گرمسیری.

افزایش زیست توده گندم و نخود تحت شرایط FACE و کاهش کیفیت گندم گزارش شده است که احتمالاً به دلیل تغییر در رفتار میکروب‌های خاک می‌باشد. این مسئله (تغییر رفتاری میکروب‌ها) در خاک‌های مختلف تحت غلظت‌های متفاوت دی اکسید کربن می‌تواند متفاوت باشد و اثر مختلفی بر گیاهان مختلف داشته باشد.

تغییر فعالیت میکروارگانیسم‌های خاک می‌تواند منجر به تغییرات ذخایر غذایی بافت‌های گیاهان شود. اشاره شد که این مسئله می‌تواند به دلیل تغییر در ترشحات ریشه به محیط اطراف در خاک باشد که بر زندگی میکروارگانیسم‌ها و فعالیت آنان مؤثر است.

دلیل دیگر تغییر رفتار میکروارگانیسم‌های خاک را تغییر در دمای خاک و همچنین وضعیت رطوبتی خاک عنوان کرده‌اند زیرا در شرایطی که CO2 افزایش می‌یابد، گیاه روزنه‌های خود را بسته نگه می‌دارد که به دلیل کاهش عمل تعرق، دمای برگ افزایش می‌یابد و مصرف آب کاهش می‌یابد. این افزایش دما و تغییر وضعیت رطوبت خاک به نوبه خود بر دمای خاک نزدیک به توده گیاهی و در نتیجه رشد میکروب‌ها و قارچ‌ها می‌تواند تأثیر گذار باشد و نحوه فعالیت و جمعیت آنان را تحت تأثیر قرار دهد.

از آنجایی که برخی از میکروارگانیسم‌ها در چرخه ازت و کربن خاک و نحوه جذب توسط ریشه‌ها مؤثر هستند بنابراین تغییر در دی اکسید کربن می‌تواند بر رفتار جذبی گیاه تأثیر بگذارد. به عنوان مثال نتایج پژوهش‌ها بیانگر افزایش نسبت C به N در گیاهان C3 و افزایش برخی ترکیبات ثانویه حاوی C همانند فنولیک‌ها و تانین‌ها با افزایش غلظت CO2 است بخصوص زمانی که ازت در دسترس گیاه ناکافی باشد.

به عنوان مثال تغییر در جمعیت قارچ‌ها و باکتری‌ها به دلیل افزایش گاز دی ‌اکسید کربن در اکوسیستم نیمه خشک گزارش شده است. افزایش فعالیت میکروب‌ها منجر به افزایش کربن خاک شد اما تغییر رفتاری قارچ‌های خاک اثر منفی بر معدنی شدن کربن خاک داشت که هر دوی این مسئله بر میزان جذب گیاه تأثیر می‌گذارند.

همچنین میزان دی‌ اکسید کربن می‌توانند بر میزان فعالیت ژن‌های فعال در چرخه کربن و ازت نیز اثرگذار باشند.

باید توجه داشت که تأثیر افزایش دی ‌اکسید کربن بر مقدار عناصر خاک همانند ازت در همه گیاهان یکسان نیست و امکان دارد نتایج مختلف و متفاوتی به‌دست آید.

تأثیر افزایش غلظت دی‌اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان

برهمکنش CO2 و O3
گاهی اثر مثبت گاز دی اکسید به دلیل تأثیر آن بر فتوسنتز و یا سایر عوامل رویشی گیاه به شکل مستقیم نیست. به عنوان مثال افزایش غلظت CO2 اثر منفی عامل دیگری را کاهش می‌دهد.

برهمکنش CO2 و O3 یکی از چنین مواردی است. زیرا به گفته محققان، CO2 منجر به افزایش محصول و کاهش کیفیت آن می‌شود و O3 منجر به کاهش میزان محصول و افزایش کیفیت آن می‌شود بنابراین برهمکنش این دو نیز مهم است.

این احتمال وجود دارد از آنجایی که افزایش غلظت دی اکسید کربن منجر به بسته شدن روزنه‌ها می‌شود، ورود ازن کاهش می‌یابد و آسیب های ناشی از ورود ازن نیز کمتر می‌شود.

تأثیر افزایش غلظت دی‌اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان

CO2 و تغییر فعالیت حشرات:

نتایج نشان می‌دهند که فعالیت حشرات می‌تواند تحت تأثیر غلظت متفاوت CO2 قرار بگیرد. اما اینکه فعالیت آنان بیشتر شود یا کمتر و یا حتی غیر قابل تغییر باقی بماند بستگی به نوع آفت و نوع میزبان دارد. به نظر می‌رسد که فعالیت آفات جونده برگ با فعالیت آفاتی که از شیره فلوئم تغذیه می‌کنند به نحو متفاوتی تحت تأثیر قرار می‌گیرد. افزایش CO2 منجر به کاهش نیتروژن برگ می‌شود که به شکل منفی می‌تواند نحوه فعالیت حشرات جونده را تحت تأثیر قرار دهد. آنانی که از شیره تغذیه می‌کنند در اثر افزایش غلظت CO2 کمتر دچار کاهش فعالیت و زاد و ولد می‌شوند. در رابطه با شته گفته می‌شود این مسئله شاید به خاطر توانایی این حشره در تغییر رفتارهای تغذیه‌ای و یا تولید برخی آمینواسیدها برای افزایش جذب شیره گیاهی باشد. حتی این افت می‌تواند با تغییر رفتار زاد و ولدی در سطح بالاتر CO2 آسیب بیشتری را به گیاهان وارد کند. این مسئله نیز به نوع میزبان و همچنین نوع گونه شته بستگی دارد.

تأثیر افزایش غلظت دی‌اکسید کربن اتمسفر بر رشد گیاهان

CO2، دما و طول فصل رشد:
یکی از مسائل مورد ادعا در رابطه با افزایش غلظت این است که فصل رشد در نواحی سردتر طولانی‌تر می‌شود و گیاهان بیشتر می‌توانند رشد کنند. این مسئله به گفته محققان درست است اما به همین دلیل با افزایش غلظت CO2، دمای نواحی گرم‌تر نیز افزایش خواهند داشت که اثر منفی بر رویش گیاهان در این مناطق می‌تواند داشته باشد.

همچنین تعداد کمتر روزهای سرد می‌تواند اثر منفی بر روی درختان میوه داشته باشد زیرا امکان دارد که نیاز سرمایی آنان برطرف نشود. شواهد نشان داده است که برخی از گیاهان همانند انگور و قهوه به شکل شدیدتری می‌توانند تحت تأثیر این مسائل (افزایش دمای نامناسب محیط) قرار گیرند و افزایش این گاز منجر به محدود شدن و کاهش مناطق تحت کاشت این دو نوع محصول شود.

منبع: باغبان سبز
انتشار: میهن کاکتوس

مقالات مشابه:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *