Изменение климата: контролируемый эксперимент
Исследователи меняют уровни влажности, СО2 и температуры, чтобы дать прогноз будущего нашей биосферы Еще 30 лет назад химик Чарлз Баэс (Charles F. Baes) из Национальной лаборатории Министерства энергетики США в ОкРидже предостерегал, что наша планета подвергается гигантскому «неконтролируемому эксперименту», который может завершиться ростом концентрации парниковых газов.
Сегодня ученые знают, что уничтожение лесов, существующая система землепользования и сжигание топлива способствуют нагреванию нашей планеты. Гораздо менее известно о том, как происходящее изменение климата скажется на нынешних лесах и степях, и какую пользу приносят человечеству эти экосистемы.
К сожалению, основным источником информации об изменении климата в СМИ служат обычно не эксперименты, а наблюдения. Исследователи следят за состоянием арктического морского льда и ледников, за такими природными явлениями, как время появления листвы на деревьях, и информируют общественность о всякого рода отклонениях от привычных сроков. Продолжительная регистрация подобного рода сведений, безусловно, важна. Но существует и другой подход — вместо того, чтобы просто наблюдать, как под действием меняющихся климатических условий постепенно преображается биосфера нашей планеты, специалисты проводят крупномасштабные эксперименты. Их цель — получить реакцию природных экосистем на больший или меньший уровень осадков, на рост содержания в атмосфере двуокиси углерода (СО2) и на повышение температуры воздуха. Полученные таким путем экспериментальные данные играют ключевую роль в определении того, в какой мере изменения климата затронут земные экосистемы через 10, 50 или 100 лет, а также смогут ли эти изменения служить причиной дальнейших климатических перемен. Результаты этой работы помогут отделить факты от вымыслов в развернувшейся и насыщенной эмоциями дискуссии по поводу климата.
ОБ АВТОРАХ
Стэн Вулльшлегер (Stan D. Wullschleger) — биолог, специалист в области изменения климата и руководитель Группы по биологии растительных систем в Национальной лаборатории в Ок-Ридже, штат Теннесси. Он провел ряд экспериментов по изучению результатов воздействия обогащенного диоксидом углерода воздуха, тепла и засухи на естественные леса, плантации и заброшенные поля. В настоящее время разрабатывает и испытывает технологию подогрева участков в арктической тундре и в северных лесах.
Майя Штраль (Maya Strahl) — биолог-ботаник Лаборатории в Колд-Спринг-Харборе (штат Нью-Йорк), участвовала в Программе исследований для студентов и аспирантов в Национальной лаборатории в Окридже.
В прошлом исследователи годами изучали, как на всякого рода изменения реагируют одиночные растения, — для этого их в течение нескольких месяцев выдерживали в специальных камерах с искусственно регулируемыми условиями. Понимание действия природных механизмов на таком уровне, безусловно, необходимо. Но очень важно исследовать «самочувствие» растений в природных экосистемах. Поэтому вот уже более десяти лет ведутся масштабные полевые эксперименты, о которых мало кто знает. О них подробно рассказано в этом материале.
К настоящему времени уже накоплен достаточный объем данных для корректировки моделей изменения климата и растительности планеты. Таким образом, создается более точная картина того, как могут меняться леса, степи и сельскохозяйственные угодья в нашем ускоренно нагревающемся мире, где существуют разные уровни выпадения атмосферных осадков, а в самой атмосфере возрастает концентрация двуокиси углерода.
ОСАДКИ: ГЛАВНОЕ — СВОЕВРЕМЕННОСТЬ
ПРОБЛЕМА. При общем возрастании уровней температуры и концентрации СО2 во всем мире в отдельных местах в предстоящие десятилетия климатические модели обещают гораздо более резкие колебания количеств атмосферных осадков.
ЭКСПЕРИМЕНТ. Исследователи построили разнообразные конструкции, в которых можно сокращать или увеличивать количество воды, поступающей к растениям в лесах, степях и сельскохозяйственных угодьях, а также в тундре в северных широтах. Для этого чаще всего используются куполообразные навесы или специальные желоба. С их помощью можно отводить воду или направлять ее на соседний участок, где имитируется повышенное выпадение осадков. Некоторые такие конструкции складываются и легко перемещаются с места на место. Устроенные в почве перегородки или прокопанные траншеи не позволяют поверхностным водам проникать на опытные участки, а корням растений — добывать влагу за пределами этих участков.В таких проектах, как эксперимент по перемещению сквозных промывочных осадков (сквозные промывочные осадки — это дождевая вода, проникающая сквозь полог леса. — Прим. пер.), который проводится в городе ОкРидж, штат Теннесси, использованы сложные системы желобов и канав под нижним ярусом деревьев, предназначенные для сохранения почвы сухой или, наоборот, для насыщения ее влагой (на фото и илл.). При этом на участках размером с футбольное поле размещается до 1,9 тыс. желобов. Аналогичные системы можно располагать в больших промежутках между деревьями — как, например, в лесу из сосен и можжевельников в штате Нью-Мексико, где исследователь Нейтан Макдауэлл (Nathan McDowell) из Лос-Аламосской национальной лаборатории изучает роль засухи и насекомых в гибели деревьев.
РЕЗУЛЬТАТЫ. В прерии Конза (место проведения исследований Университета штата Канзас) одни травы лучше других переносят изменения уровня атмосферных осадков. При усилении глобального потепления между растениями может разгореться борьба за воду.В лесах умеренного пояса — подобных тому, где продолжает свой 13-летний эксперимент по перемещению сквозных промывочных осадков Пол Хансон (Paul Hanson), — взрослые деревья с глубокими корнями благополучно перенесли продолжительное сокращение количества атмосферных осадков. В то же время многие сеянцы и молодые деревца с поверхностными корнями погибли. Этот эксперимент показал, что наибольший вред деревьям наносят периоды сильной засухи в определенные сезоны. Уменьшение количества дождевых осадков ранней весной, когда происходит активный рост диаметра ствола деревьев, задерживало их развитие куда значительнее, чем в любое другое время года. Засухи в конце весны, уже после прекращения роста деревьев, не приносили им особого ущерба при условии полного возобновления запасов почвенной влаги до начала следующего вегетационного периода.
В противоположность этому в Бразилии, во влажном тропическом лесу Амазонии, погибло несколько крупных деревьев — это произошло на четвертый год засухи, искусственно созданной учеными из Вудс-Холского исследовательского центра в штате Массачусетс. При этом куда меньше пострадали молодые деревца и деревья с небольшим диаметром ствола. Из-за удаления 60% дождевых осадков высохли глубокие слои почвы, тогда как неглубокие остались довольно влажными, т.е. произошло нечто обратное результатам эксперимента по перемещению сквозных промывочных осадков. Появлению моделей, способных надежно предсказывать результаты изменения климата, должно предшествовать понимание сложных взаимодействий в этой области.
Глобальные выводы
Эксперименты показали, что растения и экосистемы обладают поразительной способностью приспосабливаться к новым условиям. Хотя исследователи полагают, что существует некий порог, после чего может произойти катастрофическая реакция. Результаты проведенных полевых экспериментов позволяют уже сегодня сделать некоторые выводы.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
- Исследователи меняют температуру, концентрацию СО2 и влажность для образцов леса, трав и сельхозкультур, чтобы увидеть реакцию растений на эти изменения.
- Повышение температуры и концентрации диоксида углерода ускоряет рост листьев и повышает урожайность. Но эти же факторы могут усиливать нашествия насекомых, а также ослаблять сопротивляемость растений вредителям и болезням.
- Будущие полевые эксперименты, где смогут меняться все три фактора одновременно, приведут к построению более точных моделей влияния долгосрочных изменений климата на мировые экосистемы.
Более высокие уровни концентрации двуокиси углерода в атмосфере способны увеличивать урожайность таких сельхозкультур, как пшеница, рис, ячмень, соя и хлопок, но одновременное
повышение температуры — а в некоторых районах и озонное загрязнение воздуха — может значительно снижать или вообще сводить на нет подобный благоприятный эффект СО2. Изменение климата способно также нарушать привычное взаимодействие между сельхозкультурами, сорняками, патогенными микроорганизмами и насекомыми, что чаще всего будет идти на пользу вредителям.
Листопадные леса на востоке территории США — те, что в определенный сезон сбрасывают листву, — относительно нечувствительны к засухе. Большим деревьям вполне достаточно воды в глубинных слоях почвы. Между тем в засушливые периоды поверхностная почва содержит мало влаги и быстро высыхает, из-за чего гибнет большое количество сеянцев и молодых деревьев — иначе говоря, будущие леса.
В насыщенной СО2 атмосфере успешно развивающаяся корневая система обеспечивала бы большее количество питательных веществ, способствуя продуктивности молодых лесов. В экосистемах засушливых и пустынных земель хорошее развитие глубокой корневой системы деревьев приносило бы пользу и другим растениям, облегчая им доступ к почвенной влаге.
Глобальное потепление и рост концентрации СО2в атмосфере способствовали бы распространению многих сорняков сельскохозяйственных культур (включая бодяк полевой), снижали бы урожайность и увеличивали бы потребность в гербицидах. Кроме того, возникала бы проблема с экзотическими видами сорных растений. Например, как показали недавние эксперименты, которые проводил в пустыне Мохаве Стэн Смит (Stan Smith) из Университета Невады (США), в год с необычно обильными осадками повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере способствовала распространению злакового сорняка костра кровельного (Bromus tectorum), в результате чего сократилось местное видовое растительное разнообразие, изменилась пищевая цепочка и возросла вероятность возникновения пожара.
Если происходившее в последние 200 лет вторжение древесных растений в мировые степные пространства объяснялось в первую очередь чрезмерным выпасом скота и последствиями ликвидации луговых пожаров, то сегодняшнему наступлению деревьев и кустарников на западные районы США, возможно, способствует повышение концентрации диоксида углерода в атмосфере.
Дальнейший рост концентрации СО2 будет влиять на способность растений оказывать воздействие на здоровье населения. Это может быть усиленное производство пыльцы, вызывающей у людей аллергию, или активное развитие и увеличение токсичности.
ВОЗДУХ: СО2 — УСКОРЕНИЕ РОСТА?
ПРОБЛЕМА. По оценкам ученых, океаны и наземные экосистемы поглощают по меньшей мере половину двуокиси углерода, образующейся при сжигании ископаемых видов топлива. Растения делают это, используя СО2 для выработки углеводов в процессе фотосинтеза. Продолжится ли это преобразование при более высоких концентрациях СО2 в атмосфере? Не приведет ли увеличение объема СО2 к изменению содержания сахаров, углеводов и защитных соединений в растениях, что будет поочередно помогать или мешать насекомым и патогенным организмам?
ЭКСПЕРИМЕНТ. Вот уже более десяти лет в Ок-Риджской национальной лаборатории продолжается эксперимент по обогащению СО2 на открытом воздухе, которым руководит Ричард Норби (Richard Norby). В нем использованы четыре опытных участка, каждый из них окружен кольцом из вертикальных труб, прикрепленных к опорным башням (на фото и илл.). По трубам подается двуокись углерода, и все деревья в кольце получают определенное его количество. Сходные эксперименты проводятся сегодня примерно в 35 природных и управляемых экосистемах по всему миру, которые по своим размерам колеблются от кружков болота диаметром в 1 м до 23-метровых кругов сельхозугодий и 30-метровых кругов лесопосадок.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Полученные данные подтверждают, что повышенные уровни содержания СО2 стимулируют фотосинтез, увеличивая усвоение углерода тканями растений. Достигнутый при этом показатель чистой первичной продуктивности (NPP) сохраняется на протяжении многих вегетационных периодов. При проведении лесных экспериментов в штатах Висконсин, Северная Каролина и Теннесси, а также в Италии, зафиксировано ежегодное увеличение NPP на 23% — концентрация СО2 в этих случаях была увеличена с естественного уровня в 388 до 550 частей на миллион (для достижения последнего человечество должно было бы на протяжении ближайших100 лет не принимать никаких мер по ограничению выбросов этого газа в атмосферу). По результатам недавнего моделирования, растения положительно реагируют на повышение уровня содержания двуокиси углерода, хотя при недостатке в почве таких питательных элементов, как азот, эффект может быть ограниченным. Увеличение показателя NPP повторялось на всех участках в мире, где проводился Эксперимент по обогащению СО2 на открытом воздухе. Однако сам этот показатель обозначает лишь количество углерода, усвоенного растениями, и ничего не говорит о долгосрочном изменении его содержания. Между тем в лесу из ладанной сосны в Северной Каролине такой дополнительный углерод откладывался главным образом в стволах и ветвях, где он может сохраняться десятилетиями, тогда как у растущих в Теннесси амбровых деревьев наибольшее количество углерода содержалось в новых молодых корнях: хотя для самого дерева такие корни полезны, они живут лишь от нескольких недель до года, после чего происходит их разложение микробами, а значительная часть углерода возвращается в атмосферу. Исследователи стараются понять причины подобных перемещений углерода. Возможно, новая информация появится уже в ближайшие месяцы, когда для анализа будут представлены деревья и почва с различных опытных участков. Проведенные эксперименты уже принесли свои плоды. Джеймс Рандерсон (James Randerson) из Калифорнийского университета в Ирвайне и ученые из Ок-Риджской национальной лаборатории, Национального центра атмосферных исследований в штате Колорадо, а также других научных организаций использовали эти данные для оценки и совершенствования Общественной модели климатической системы. Она позволяет моделировать физические, химические и биологические процессы, управляющие климатом Земли.
Сложные вопросы
Результаты предыдущих крупномасштабных экспериментов вполне убедительны, однако большая их часть проводилась в средних широтах, в основном на территории США и Европы. Сегодня для точного прогнозирования будущих изменений северных, тундровых и тропических растений, а также целых экосистем потребуются новые испытания уже в более широком диапазоне географических широт, на подготовку которых уйдет несколько лет. Потребуется большой объем технического оборудования, которое сможет обеспечивать плавное изменение условий существования для растений и окажется достаточно надежным при многолетнем использовании.
Биологам необходимы установки, где можно будет не только менять концентрацию СО2, температуру и уровень выпадения осадков, но главное — выдерживать все три этих показателя в сочетании друг с другом. Пока что мы только приступаем к этой работе. В процессе нового эксперимента, который идет сейчас вблизи города Шайенн в штате Вайоминг, оценивается состояние растительности северной разнотравной прерии при одновременных изменениях концентрации углекислого газа и температуры. Уже в первый год его проведения Джек Морган (Jack Morgan) из Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США обнаружил признаки того, что именно потепление в сочетании с повышением концентрации двуокиси углерода могло способствовать бурному развитию на Великих равнинах трав теплого сезона в ущерб травам холодного сезона.
Как наилучшим образом варьировать эти несколько показателей, и как построить модели, способные объяснить их удачное или, наоборот, неудачное сочетание друг с другом? Все это сложные вопросы. Однако если мы действительно хотим помочь человечеству предвосхитить и пережить уже начавшееся изменение климата, нам уже в ближайшее время потребуются данные, полученные в результате проведения такого рода экспериментов.
ТЕМПЕРАТУРА: ПЛЮСЫ И МИНУСЫ
ПРОБЛЕМА. Показатели предстоящего потепления климата планеты будут определяться географическим местоположением. К 2100 г. в Северной Америке зимой будет теплее на 3,8–5,9°С, а летом — на 2,8–3,3°С. Эти изменения скажутся на обмене веществ в растениях, на наличии воды и питательных веществ в почве, на конкуренции растений, а также на аппетите травоядных животных, насекомых и патогенных организмов.
ЭКСПЕРИМЕНТ. Для подогревания маленьких опытных участков исследователи опробовали самые разные системы, включая ИК-лампы с излучением тепла, электронагревательные ленты в почве, а также камеры с открытым верхом — цилиндрические каркасы, обтянутые прозрачной пленкой и оборудованные тепловыми вентиляторами. Хотя все эти системы оказались полезными, у каждой обнаружились свои недостатки. Электронагревательные ленты оставляют в почве неестественно сильно разогретые места. Использование пассивно нагреваемых камер зависит от сезона и времени суток, а влияние дождя, ветра и солнечного света усложняют интерпретацию результатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Наиболее чувствительными к изменениям температуры оказались экосистемы Арктики и расположенных чуть южнее северных регионов. В Международном тундровом эксперименте под руководством Грега Хенри (Greg Henry), проводимом канадским Университетом Британской Колумбии, использованы пассивные камеры — с их помощью осуществляется нагрев более десятка небольших участков в различных странах. По полученным к настоящему времени данным, повышение температуры на 1–3°С способствует появлению и росту напочвенного покрова из листопадных кустарников и травы на месте привычных мхов и лишайников. Подобная чувствительность подтверждает гипотезу, что в экосистемах северных широт потепление климата приведет к сокращению биологического разнообразия. Кроме того, от замены травянистой растительности на древесную возросло бы поглощение почвой энергии из-за уменьшения отражательной способности ее поверхности, а это способствовало бы еще большему повышению глобальной температуры. В результате экспериментов на других широтах появляются данные об исчезновении местных видов растений, их перемещениях внутри ареала и изменениях видового состава. Исследователь Национальной лаборатории в ОкРидже Карла Гундерсон (Carla Gunderson) подвергла воздействию температуры (на 4° С выше уровня нагревания окружающей среды) четыре вида листопадных деревьев (на фото и илл.). Сеянцы и молодые деревца благополучно приспосабливались к этим температурным условиям и чаще всего ускоренно развивались. Листья на таких деревьях появлялись весной на 6–14 дней раньше, а осенью дольше оставались зелеными, что примерно на три недели увеличивало продолжительность вегетационного периода. Впрочем, есть сведения, что из-за раннего весеннего роста такие деревья могут сильнее пострадать от поздних морозов.
Несмотря на положительные результаты, данные по маленьким участкам трудно применить к целым экосистемам. Сегодня нам нужны новые способы прогревания крупных площадей. Если раньше главным видом энергии для этого считалось электричество, то теперь в удаленных районах лучше было бы использовать природный газ или геотермальные источники.
Перевод: А.Н. Божко
COURTESY OF OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY (photograph);
DAVID FIERSTEIN (illustration)
Дополнительная литература
- Consequences of More Extreme Precipitation Regimes for Terrestrial Ecosystems. Alan K.Knapp et al. in BioScience, Vol.58, No.9, pages 811–821; October 2008.
- Rising CO2 , Climate Change and Public Health: Exploring the Links to Plant Biology. Lewis H. Ziska et al. in Environmental Health Perspectives, Vol.117, No.2, Pages 155–158; February 2009.
