Важнейшим аспектом проблемы является возможная реакция фотосинтеза растений и биопродуктивности почв на увеличение концентрации углекислоты в атмосфере.
Потребность растений в CO2 для фотосинтеза весьма велика. Без постоянного образования углекислоты вследствие минерализации органических веществ в почвах и при дыхании организмов ее запасов в атмосфере хватило бы лишь на 10—15 лет. Над большими полями в солнечные дни концентрация CO2 может находиться в минимуме, что ограничивает интенсивность фотосинтеза и рост урожая.
В практике тепличного хозяйства некоторых стран уже есть опыт применения приемов искусственного повышения концентрации углекислоты для увеличения урожаев (Нидерланды, Япония). Показательны в этом отношении детальные исследования динамики CO2 хлопкового поля, выполненные в США в утренние и в дневные часы. На рисунке хорошо видно интенсивное снижение содержания двуокиси углерода в зоне наибольшего скопления листьев хлопчатника и в воздухе над полем, получившем дополнительную углекислоту искусственно. В условиях естественного содержания CO2 ее концентрация, измерявшаяся каждые 15 мин, была на 10—15 ppm ниже исходной. Утром и днем концентрация CO2 снижалась с 330—500 до 50 ppm, а вечером до 200 ppm. Поток углекислоты шел от почвы в гущу растений вместе с парами воды.
Почва и ее органическое вещество являются постоянным источником углекислоты для питания и роста растений. История формирования химического состава атмосферы и земной коры свидетельствует о том, что периоды повышенного содержания двуокиси углерода в воздухе сопровождались бурным развитием растительности. Поэтому теоретически можно ожидать, что увеличение концентрации CO2 в воздухе должно способствовать при прочих благоприятных условиях росту урожаев сельскохозяйственных культур. В пользу такого мнения высказываются как советские исследователи (Ничипорович, 1972а, б; Шлык, 1972; Оканенко, 1972), так и зарубежные ученые (Goudrian, Ajtay, 1979). Один из последних обзоров (Kauppi, 1982) показывает, что концентрации CO2 в воздухе порядка 800 ppm заметно увеличивают урожаи зерновых, прирост кустарников и древесных. Увеличение CO2, кроме того, снижает расход воды на транспирацию, т. е. повышает засухоустойчивость растений.
Особенно эффективно проявляется положительное влияние CO2 на продуктивность фотосинтеза при высокой обеспеченности почв и растений влагой и теплом. Больший положительный эффект оказывают повышенные концентрации CO2 при обеспеченности влагой, теплом и улучшенной освещенностью. При этих условиях в сочетании с оптимальным содержанием и питательных веществ концентрация CO2 порядка 600—800 ppm позволяет удвоить-утроить урожай биомассы. В этом отношении особенно интересны данные о значительном увеличении годовой чистой продукции древесины в лесах США за время 1900—1977 гг. Фактический прирост оказался в 2—3 раза выше в период конца 40—70-х годов по сравнению с прогнозом, основанным на опыте начала XX в.
Освещенность и температура оказывают различное действие на урожай. При низких температурах (5—10°) даже большая освещенность мало сказывается на повышении продуктивности фотосинтеза. Это явление наблюдается на холодных почвах Севера и Сибири. Утепление почв любыми агротехническими приемами (снег, мульча и др.) всегда дает прирост урожая. Наоборот, охлаждение воздуха и почв (например, промерзание, холодная поливная вода) неизбежно в несколько раз снизит продуктивность фотосинтеза и урожай. Этого, к сожалению, не учитывают в практике дневных поливов. При оптимальных температурах и влажности определяющая роль, конечно, принадлежит освещенности растений. Удвоение и утроение освещенности увеличивает интенсивность фотосинтеза в 1,5—2 раза у райграса и в 2,5—3 раза у подсолнечника и кукурузы.
Так называемые C3-растения (рис, рожь, пшеница, хлопчатник, картофель и другие культурные растения) при повышенной концентрации CO2 увеличивают урожайность и снижают интенсивность транспирации. Растения типа C4 (кукуруза, сорго, просо, портулак) отличаются вдвое меньшей интенсивностью транспирации, они более засухоустойчивы, положительный эффект повышения концентрации CO2 на них проявляется слабее. Но и для C4-растений, судя по опытам (Yamauchi, Yamada, 1980), в песчаных и водных культурах установлено, что интенсивность и продуктивность фотосинтеза, определенная с помощью 14С, возрастает в 1,5—2 раза при увеличении концентрации CO2 в воздухе с 220 до 840 ppm (особенно у кукурузы). Выше этой величины интенсивность фотосинтеза несколько уменьшается. Поведение C4— и C3-растений (маис и томаты соответственно), однако, различно в отношении биосинтеза сахаров и аминокислот и расхода энергии на транспирацию в условиях повышенной концентрации CO2.
Итак, можно считать, что повышение CO2 в атмосфере до 400—600 и даже 800 ppm для большинства растений при прочих нормальных условиях будет сопровождаться ростом продуктивности фотосинтеза, снижением требований к водообеспеченности и повышением урожая биомассы.
К этим оптимистическим выводам автор пришел раньше под влиянием давних работ шведского исследователя Г. Люндегорда (1937). В своих публикациях и выступлениях автор настаивал на обогащении пахотных почв органическим веществом как источником углекислоты, необходимой для фотосинтеза. Повышение урожаев без регулярного обеспечения растений углекислотой, производимой почвой, просто невозможно (роль океана в производстве углекислоты ничтожна. Она скорее обратна). В этом и заключалась «магическая» роль органических удобрений и особенно навоза и травосеяния. Поэтому, если произойдет повышение концентрации CO2 за счет сжигания ископаемого топлива, это, может быть, будет сопровождаться ростом биопродуктивности растений суши, особенно культурных.
К аналогичным выводам пришли американские агроэкологи, в частности Виттвер (Wittwer, 1980), профессор Мичиганского университета и директор сельскохозяйственной опытной станции, большой знаток земледелия США и мира. С. Виттвер сообщает, что в США проведено около 500 различных исследований, показавших высокое положительное влияние повышенных концентраций CO2 на фотосинтезе 31 вида растений (злаки, бобовые, картофель, хлопчатник, древесные). Повышение содержания CO2 в воздухе теплиц увеличивает урожаи на 20—600%. Наибольший прирост урожаев в теплицах получают при содержании CO2 в воздухе около 1000—1200 ppm. По мнению Виттвера, к 2020 г. за счет прироста CO2 в атмосфере можно ожидать в среднем 20%-ный прирост урожаев сельскохозяйственных культур при одновременном снижении водопотребления растений.
Интересно мнение индийских ученых по этому вопросу. На основе большого экспериментального и литературного материала установлена положительная роль увеличения содержания CO2 в атмосфере и HCO3— в растворах в фотосинтезе и продуктивности растений (Vermaas, Govindjee, 1981). Эти соединения углерода — основа создания органической биомассы и особенно образования хлоропластов. Ни азот, ни фосфор, ни другие элементы не могут возместить недостаток CO2.
Американские авторы (Wittwer, 1980; Cooper, 1982) считают, что положительный эффект CO2 будет сказываться сильнее в неблагоприятных экологических условиях, ослабляя отрицательное влияние низких температур и засухи, слабой освещенности или дефицита NPK, токсических веществ. Произойдет, однако, смещение природных зон к северу, что потребует совершенствования или изменения систем земледелия и набора культур. Оценивая положительную (удобрительную и утепляющую) роль CO2 в атмосфере, можно считать, что на каждые 2,5—3 ppm прироста концентрации CO2 произойдет рост урожая на 0,5%. В целом урожаи могут подняться на 25—100—300%.
Неясным остается вопрос о характере изменения климата конкретных территорий. Они слишком различны. Но даже в худшем варианте возрастания сухости климата рост содержания CO2 в воздухе должен ослабить отрицательные последствия возможных засух для большинства растений. Если же оправдается совпадение роста содержания CO2 в воздухе с потеплением и с увлажнением равнин Восточной Европы и территории нашей страны (как это допускается рядом ученых), то экологические условия конца XX и середины XXI в. окажутся более благоприятными, чем ныне.
Возможные значительные изменения климата Земли и уровня океана могут наметиться лишь через 30—50 лет, однако нельзя откладывать предупредительные меры до того времени, когда угроза станет очевидной. Комплексы мер по усилению связывания CO2 должны осуществляться уже теперь.