اثرهای اكوفيزيولوژيكي CO2 بر كشاورزي

اثرهای اكوفيزيولوژيكي CO2 بر كشاورزي

چکیده

دي اكسيد كربن، منبع ضروري كربن براي تمام موجودات فتوسنتز كننده مي‌باشد و بدون آن حیات غیر ممکن است. اتمسفر منبع اصلي دي اكسيد كربن مي‌باشد. متوسط جهاني CO2 پيش از صنعتي شدن جهان در حدود ppm 280 بود اما برآوردها نشان دهنده افزايش غلظت دي اكسيد كربن در حال حاضر مي‌باشد. این گاز به علت جذب طول موج های بلند، جزو گازهای گلخانه ای بوده و سهم مهمی را در پدیدۀ گرمایش جهانی بازی می کند. دي اكسيد كربن داراي اثر باروركنندگي در محصولات كشاورزي مي‌باشد. افزايش CO2 در 100 سال گذشته سهمي معادل 10 تا 20 درصد در دو برابر شدن توليد محصولات زراعي داشته و در صورت تامين رطوبت و مواد غذايي اين سهم به 30 درصد خواهد رسيد. با افزايش دي اكسيد كربن اتمسفر كارايي مصرف آب در گياهان به دليل كاهش تعرق بهبود مي‌يابد. دي اكسيد كربن داراي اثراتي بر فرآيندهاي رشد گياه مي‌باشد كه عبارت است از: تاثير روي سيستم ريشه ، واكنش‌هاي سيستم ريشه به افزايش غلظت دي اكسيد كربن ، تغييرات روي ساختمان برگ (تغييرات سطح و ضخامت برگ، ‌تغييرات در شكل برگ ، تغييرات در تركيب برگ) ، تاثير روي رشد ساقه، تاثير روي گلدهي و ميوه‌دهي ‌، تاثير روي عملكرد و كيفيت بذر و اثر بر توزيع روزنه‌ها. به طور كلي اگر تغيير اقليم جهاني اتفاق افتد، كشاورزي را تحت تاثير قرار خواهد داد. هرچه اطلاعات درباره اثرات تغييرات اقليمي مورد انتظار در گياهان زيادتر شود ، بايد تلاش‌هاي بيشتري براي يافتن سازگاري‌هاي زيستي و سيستم‌هاي مديريتي به منظور كاهش اثرات سوء تغييرات اقليمي بر جوامع كشاورزي و انساني صرف شود. بنابراين تحقيق و پژوهش و بررسي بيشتر در اين زمينه مي‌تواند راه كاري مناسب براي شناخت اين ناشناخته‌ها باشد و به تبع آن مي‌توان دريافت كه آيا افزايش CO2 در مقياس جهاني مي‌تواند مفيد باشد يا خير.

مقدمه

دی اکسید کربن یکی از اجزای مهم جو کره زمین است که علاوه بر جذب آن به وسیله گیاهان در فرایند فتوسنتز، بر تابش خورشیدی و ذخایر گرمای زمین اثر می گذارد. تمامی کربن موجود در کره زمین، در اثر فعالیت‌های متابولیکی ( سوخت و ساز) موجودات از دی اکسید کربـــن به وجـــــود می آید. افــزایش غلــــظت دی اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه‌اي که گرما را در اتمسفر تحتانی نگاه مي‌دارند، سبب بالا رفتن درجه حرارت مي‌شوند. سوختن زغال و سایر سوخت‌های کربنی مانند نفت و گاز طبیعی نیز سبب آزاد شدن کربن به عنوان محصول اصلی احتراق می‌شود و در همین حال تخریب و تحلیل جنگل‌ها و مراتع در سطح وسیع بر میزان دی اکسید کربن موجود در جو مي‌افزاید .

حداقل سه اثر گلخانه‌اي وجود دارد :

1. افزایش احتمالی گرما در اثر جذب اشعه مادون قرمز و خصوصیات تشعشع مجدد خود CO2 . این اثر ممکن است در اثر تزریق گرد و غبار به درون اتمسفر به وسیله کوه‌های آتشفشان خنثی شود.
2. اثر ضد تعرقی CO2 به خاطر انسداد شکاف روزنه‌های برگ‌ها است. تعرق کمتر بخار آب سبب کاهش خنک کنندگی موثر برگ‌ها مي‌شود. این امر در همه گیاهان صدق نمي‌کند ولی در برخی گونه‌ها بسیار مشکل ساز بوده و سبب افزایش دمای گیاه خواهد شد.
3. اثر تحلیل غذایی. افزایش عملکرد غلات مهم مانند گندم و برنج ممکن است در اثر افزایش غلظت دی اکسید کربن حاصل شود، اما به بهای کاهش کیفیت پروتیین و ویتامین .

شرایط میکروکلیمای مناطق به نوسانات CO2 بستگی مستقیم دارد. با اندازه گیری تغییرات CO2 در خاک و هوا مي‌توان الگوی تثبیت کربن را در سیکل‌های روزانه و فصلی تعیین کرد و آن را با عوامل میکروکلیمیایی از قبیل شدت تشعشع مرتبط ساخت. با بررسی غلظت CO2 در میکروکلیما مي‌توان پی برد در چه زمانی گیاه با کمبود این گاز حیاتی مواجه مي‌شود .

اتمسفر، منبع اصلی گاز CO2

حساسترین قسمت محیط جهان، اتمسفر است. اتمسفر لایه نازک هواست که زمین را در برگرفته است. ازن یک ماده جاذب تشعشع ماورای بنفش است و سبب کاهش تشعشع ماورای بنفش در زمین شده و امکان حیات در زمین میسر مي‌شود.  این گاز 0.03 درصد یا 387 قسمت در میلیون حجمی و 582 قسمت در میلیون جرمی هوا را تشکیل مي‌دهد . با وجود این که CO2 درصد بسیار کمی از اتمسفر را تشکیل مي‌دهد ولی اصلی ترین جزء اتمسفر برای فتوسنتز است و بدون وجود آن گیاهان و موجودات زنده قادر به حیات نیستند. بنابراین این گاز جزو مهمترین عوامل محدود کننده رشد محسوب مي‌شود .

چرخه کربن از بخش تبادلی یعنی CO2 اتمسفر شروع مي‌شود، CO2 طی عمل فتوسنتز جذب گیاه شده و با عمل تنفس گیاهان به اتمسفر برمي‌گردد. مواد آلی مرده حاصل بقایای گیاهان و جانوران به وسیله تجزیه کنندگان تجزیه شده و CO2 را به اتمسفر برمي‌گردانند و این چرخه در اکوسیستم‌های خشکی و آبی جریان دارد .

میزان کربنی که در اقیانوس‌ها وجود دارد 50 برابر اتمسفر است. در آب‌های سرد مانند منجمد شمالی مقدار زیادی CO2 به صورت محلول وجود دارد. هر چه دمای آب کمتر باشد قابلیت حل شدن CO2 در آب بیشتر مي‌شود. بیشترین مقدار کربن در رسوبات است. ولی این قسمت در چرخه کربن شرکت نمي‌کند و بلوکه شده است .

آلاینده ها و اثر آن‌ها بر گیاهان

خورشید، هوا، آب وخاک، انرژی، عناصرغذایی و محیط لازم برای بقای گیاه را فراهم مي‌کنند. اما در همین حال، پیرامون گیاه شامل برخی مواد سمی است که در غلظت‌های زیانبار وجود دارند. علاوه بر این برخی عناصر و ترکیبات شیمیایی در طبیعت وجود دارد که به طور بالقوه برای گیاهان خطرناک هستند. در نتیجه فرایندهای صنعتی، حمل و نقل، استفاده از مواد شیمیایی در کشاورزی و مصرف خانگی و به خصوص مصرف گسترده سوخت‌های فسیلی، مواد سمی زیادی وارد اتمسفر مي‌شود. علاوه بر این گیاهان ممکن است در معرض مصرف بیش از حد سموم و کودها ،  اوتریفیکاسیون خاک‌ها و آب‌ها و آزاد شدن متان در هوا قرار گیرند .

افزایش استفاده از سوخت‌های فسیلی، قطع جنگل‌ها و رشد کشاورزی و دامپروری دلایل اصلی افزایش دی اکسید کربن و متان در اتمسفر هستند. این گازهای نادر و بی خطر عامل اصلی اثر گلخانه‌اي هستند .

تغییرات غلظت CO2 طی دهه های اخیر

متوسط جهانی CO2 پیش از صنعتی شدن جهان در حدود 280 ppm بود. بر اساس نظر کیلینگ، تا سال 1860 غلظت CO2 به 290 ppm افزایش یافته بود، اما این مقدار با مقادیری که از هسته‌های یخی قطب جنوب در 700 سال پیش بدست آمده است، تفاوتی ندارد. همه برآوردها نشانگر افزایش متوسط غلظت CO2 در حدود 315 ppm در سال 1958 مي‌باشند . غلظت این گاز از حدود ppm280 در قبل از انقلاب صنعتی به حدود ppm 365 در حال حاضر افزایش یافته است . استفادۀ گسترده از سوخت های فسیــــلی و قطع جنگل ها از مهمترین دلایل این افزایش به شمار می آیند. افزایش غلظت CO2 و نیز سایر گازهای گلخانه ای از راه جذب بیشتر تابش طول موج بلند که از زمین گسیل می شود ، سبب ایجاد تغییرات اقلیمی شامل افزایش دما و به تبع آن تغییر الگوی بارندگی و تابش خورشیدی می شود . غلظت این گاز حیاتی طی ماه های مختلف سال نیز دارای نوسان می باشد. به نحوی که بیشترین غلظت CO2 در اواخر زمستان و حداقل آن در اواخر تابستان است. علت این موضوع فعالیت فتوسنتزی زیاد گیاهان طی فصل رشد و مصرف CO2 طی بهار و تابستان می باشد. طی زمستان از یک طرف مصرف CO2 طی فتوسـنتز کاهش می یابد و از طرف دیگر افزایش مصرف سوخت های فسیلی، تولید این گاز را افزایش می دهد . البته با افزایش ارتفاع از سطح زمین، میزان نوسان CO2 کاهش می یابد. برای نمونه دامنه تغییرات فصلی CO2  در ارتفاع 2 کیلومتری  6.5 واحد و در بالای تروپوسفر 3.5 واحد است.

تاثیر CO2  بر دما

فرایند فتوسنتز در گیاهان دارای کمینه، بیشینه، و مطلوب است. دمای کمینه برای فتوسنتز، با یخ زدگی بافتهای گیاهی و نابودی گیاه مصادف است، در حالی که دمای بیشینه درجه حرارت برای فتوسنتز، چندین درجه ( 2-12 درجه سانتی گراد) پایین تر از درجه حرارتی است که برای گیاه مرگ آور است. این دما نشاندهنده تعادل بین فعالیتهای متابولیک بازدارنده فتوسنتز و افزایش تنفس است. دمای مطلوب برای فتوسنتز نسبی است و با تعدادی عوامل غیر حرارتی مانند شدت نور و غلظت CO2  تغییر ميکند. برای نمونه افزایش شدت نور سبب افزایش دمای مطلوب برای فتوسنتز ميشود . در صورتی که غلظت CO2 اتمسفر نیز افزایش یابد ، تغییرات مشابهی در حرارت مطلوب برای فتوسنتز مشاهده خواهد شد، هر چند که در کوتاه مدت تغییرات گسترده‌اي برای غلظت دی اکسید کربن متصور نیست . بررسی تغییرات غلظت CO2 و دما طی سالیان مختلف نشان دهندۀ موازی بودن این نوسانات می باشد. به نحوی که با افزایش غلظت CO2 ، دما نیز افزایش یافته و برعکس . این موضوع به علت اثر گلخانه ای گاز CO2 می باشد. این گاز قادر است طول موج های بلند را جذب و به گرما تبدیل کند. بنابراین در بررسی تأثیر غلظت CO2 باید این اثر جانبی و مهم را نیز مدنظر قرار داد . بررسی هسته‌های یخی به شدت این ایده كه مقدار دی‌اكسیدكربن موجود در هوا سپهر و دمای جهان ارتباط تنگاتنگی با هم دارند را تایید می‌كند. به عبارت دیگر هنگامی كه CO2 و CH4 افزایش می‌یابد، دما هم بالا می‌رود و برعكس. این بزرگ‌ترین نگرانی ما درباره شرایط اقلیمی آینده است: اگر سطح گازهای گلخانه‌ای همین‌طور افزایش پیدا كند، دمای هوا سپهر‌مان نیز زیاد خواهد شد . بررسی شرایط اقلیمی گذشته، سرنخ‌های بسیاری درباره آن چه ممكن است در آینده اتفاق بیفتد، به دست می‌دهد. یكی از نگران‌كننده‌ترین نتایج حاصل از بررسی هسته‌های یخی و رسوبات كف دریاچه‌ها و اعماق دریاها، این است كه شرایط اقلیمی گذشته در یك منطقه تنها طی چند دهه دست‌كم تا 5 درجه سانتی‌گراد در نوسان بوده است و این خود نشان می‌دهد كه اقلیم، یك مسیر مستقیم و خطی را دنبال نمی‌كند. بنابراین با افزایش سطح گازهای گلخانه‌ای و رسیدن آن به نقطه آغازی كه هنوز برای ما ناشناخته است، باید انتظار رویدادهای غیرمنتظره و ناگهانی را داشته باشیم .

اثر بارور کنندگی دی اکسید کربن

دی اکسید کربن همراه با نور، درجه حرارت مناسب، آب و عناصر غذایی همچون ازت، فسفر و پتاسیم یکی از مواد غذایی ضروری مورد نیاز گیاهان مي‌باشد که در حال حاضر مقدار آن در اتمسفر کمتر از نیاز گیاهان مي‌باشد. غلظت‌های بیشتر گاز کربنیک اتمسفر که خود ناشی از افزایش استفاده از سوخت‌های فسیلی ، سوزاندن جنگل‌ها و مواد آلی مي‌باشد مي‌تواند اثر مثبتی بر کارایی فتوسنتز داشــــته باشد. در شرایط مناسب رشد با وجود نور، درجه حرارت، مواد غذایی و رطوبت کافی، تولید مواد آلی به خصوص در گیاهانی که مسیر فتوسنتزی سه کربنه، افزایش پیدا مي‌کند که این افزایش هم در اندام‌های هوایی و هم اندام‌های زمینی صورت مي‌گیرد . افزایش دی اکسید کربن در اتمسفر در 100 سال گذشته سهمی معادل 10 تا 20 درصد در دو برابر شدن تولید محصولات زراعی داشته است. رشد درختان جنگلی و یا رشد مجدد آن‌ها نیز از روند مشابهی برخوردار بوده است. در قرن آینده افزایش تولیدات کشاورزی همچنان ادامه پیدا خواهد کرد. در صورتی که رطوبت و مواد غذایی کافی در اختیار گیاهان باشد سهم دی اکسید کربن در افزایش تولید محصولات زراعی بالغ بر 30 درصد خواهد شد .

اثر ضد تعرقی CO2

با افزايش دی اکسید کربن اتمسفر کارآیی مصرف آب در گیاهان به دلیل کاهش تعرق، بهبود مي‌یابد. این بهبود به طور عمده به دلیل بسته شدن روزنه‌های گیاه و یا کاهش تعداد روزنه‌ها در واحد سطح برگ مي‌باشد. محدودیت حاصل برای خروج بخار آب به مراتب بیشتر از محدودیت ایجاد شده برای فتوسنتز خواهد بود . آلن با بررسی آزمایشات مختلف روی گیاهان متفاوت گزارش نمود که بر اثر دو برابر شدن غلظت گاز CO2، تعرق به میران 34 درصد کاهش خواهد یافت. نامبرده این موضوع را به علت کاهش هدایت روزنه ای دانست. در نتـــیجه کارایی مـــصرف آب ( نسبت وزن خشک تولید شده به آب تلف شده از راه تبخیر و تعرق) نیز بیشتر می شود . چون افزایش غلظت CO2 سبب افزایش راندمان مصرف آب مي‌شود، باید اهمیت آن در نواحی خشک و نیمه خشک مانند ایران مورد توجه قرار گیرد.

منابع CO2 برای گیاهان:

کودهای دامی پوسیده منبعی غنی می باشند که علاوه بر آزادکردن CO2، مقداری آمونیاک نیز تولید می کنند که سبب باز شدن روزنه ها مي‌شود. اگر چه مصرف کود دامی مواد غذایی و بستر مناسبی را برای گیاهان فراهم مي‌کند ولی عامل اصلی رشد بهتر گیاهان وجود CO2 کافی در محیط است. امروزه در گلخانه‌ها کود دامی زیادی مصرف مي‌شود. در دانمارک برای پرورش خیار گلخانه‌اي حدود 448 تن کود دامی به خاک اضافه مي‌شود. این امر سبب افزایش غلظت CO2 به اندازه 500ppm مي‌شود. در کشت‌های هیدروپونیک به دلیل کمی CO2 میزان تولید به مراتب کمتر از کشت‌های خاکی است .

اگر برای تامین CO2 از موادی با کربن زیاد مانند کاه و کلش استفاده شود باید به آن‌ها نیتروژن افزود. در غیر این صورت گیاه با کمبود N مواجه مي‌شود. N برای تجزیه مواد آلی طی فعالیت میکروارگانیسم‌ها ضروری است. در صورت عدم استفاده از کودهای نیتروژنی میکروب‌ها N خاک را مصرف کرده و حتی گیاه با وجود CO2 زیاد به علت کمبود N با اختلال مواجه ميشود .

در زمانهای گذشته که فتوسنتز سبب تشکیل حوضه های نفتی و ذغال سنگ شد میزان CO2 جو حدود 10 تا 100 برابر امروز بود. این CO2 در سوختهای فسیلی ذخیره شد و امروزه به

 وسیله عوامل مصرف کننده آزاد شده و CO2 جو افزایش ميیابد . در اثر فتوسنتز سالانه حدود 22 میلیاد تن CO2 مصرف ميشود که در غذا، محصولات کشاورزی و گیاهان جنگلی ذخیره ميشود و به وسیله تنفس، احتراق و پوسیده شدن مواد آلی آزاد ميشود. مهمترین مصرف کننده CO2 جنگلها هستند که سالانه حدود 15.4 میلیارد تن مصرف ميکنند. افزایش غلظت CO2 به صورت مستقیم ( افزایش فتوسنتز ) و غیر مستقیم ( افزایش درجه حرارت ) روی زراعت تاثیر دارد . یخ خشک به عنوان کود CO2 به وسیله زارعان در گلخانه ها کاربرد دارد. یخ خشک ترکیبی از CO2 است که در دمای منفی 78.5 منجمد شده است. در دمای معمولی به گاز تبدیل شده و درمحیطهای کوچک و سربسته سبب افزایش عملکرد ميشود. امکان استفاده از آن در مزارع وسیع نیست. راه های دیگر افزایش غلظت این گاز حیاتی برای گیاهان استفاده از پمپ های تولید کننده CO2 در محیطهای گلخانه اي، مصرف مواد آلی و ایجاد جریان هوای مناسب می باشد  . در محیطهای کوچک جریان باد در اطراف برگ روی میزان جذب co2  تاثیر میگذارد . در هوای آرام میزان فتوسنتز نیشکر در غلظت 300ppm بیشتر از 200ppm بود ولی با به هم زدن هوایی که محتوی 200ppm   co2 بود میزان فتوسنتز افزایش یافت و به اندازه 300ppm شد. جریان باد در خرد اقلیم برگ زمانی اتفاق مي افتد که با جذب نور دمای اطراف برگ افزایش مي یابد و هوای این مکان با هوای سرد محتوی CO2  که وزن مخصوص بیشتری دارد جایگزین ميشود. به طور کلی در یک خرد اقلیم، با طلوع خورشید و گرم شدن گیاه جریان باد زیاد ميشود. بنابراین نور خورشید دارای دو اثر مهم روی گیاه است: یکی فراهم نمودن انرژی برای فتوسنتز و دیگری در دسترس قرار دادن CO2   . در یک کانوپی کامل میزان غلظت CO2  در بامداد آرام و بدون باد کمتر از 300ppm  است. بادهای شدید و گرم سبب تبخیر و تعرق شده و در افزایش جذب CO2  به وسیله گیاهان بی تاثیر است. خاک نیز یکی از مهمترین منابع تامین CO2  برای بیشتر گیاهان است. CO2 موجود در خاک از متابولیسم هوازی میکروارگانیسمهای خاک، تنفس موجودات خاکزی، تنفس ریشه گیاهان و عملیات شیمیایی خاک به وجود مي آید. در شرایط دمای مناسب خاک ، مواد آلی به طور دایم تجزیه شده و گاز CO2  متصاعد می شود که یا وارد جو شده و یا در آب خاک حل شده، تولید اسید کربنیک ميکند. غلظت CO2  در خاکهای جنگلی، علفزارها و اراضی زیر رودخانه ممکن است 2 تا 3 برابر غلظت اتمسفر باشد. در خاک‌های آلی میزان CO2 به مراتب بیشتر از خاک‌های معدنی است . دیده شده که پیاز، کاهو و کرفس در خاک‌های آلی بهتر از معدنی رشد و نمو می کنند. ابتدا تصور مي‌شد که دلیل این امر رطوبت بیشتر، نیتروژن و محیط مناسب رشد ریشه است در حالی که مشخص گردید که مهمترین عامل موثر وجود CO2 بیشتر در این خاک‌هاست . اگر میزان هوموس خاک 3 درصد باشد در یک هکتار خاک حدود 200 هزار کیلوگرم ماده آلی وجود دارد که پس از اکسیداسیون معادل 300 هزار کیلوگرم کربن خواهد شد. یک هکتار خاک با 3 درصد هوموس سالانه حدود 100 هزار کیلوگرم CO2 تولید مي‌کند. در بامداد و قبل از شروع فتوسنتز بیشترین مقدار CO2 در زیر تاج پوشش گیاهان وجود دارد . باد و تغیرات اقلیمی مي‌تواند کمبود CO2 را جبران کند. CO2 جو منبع اصلی گیاهان است زیرا اگر ریشه 20 درصد وزن گیاه را تشکیل دهد و 20 درصد هم بقایا به خاک برگردد به طور کلی 40 درصد ماده آلی قادر به تامین نیاز گیاه نیست. در یک مزرعه 4 هکتاری ذرت واقع در نیویورک غلظت CO2 در ارتفاع‌های مختلف اندازه گیری شد. در ظهر که نفوذ نور به داخل کانوپی در بیشترین مقدار خود قرار داشت، کمترین غلظت CO2 در ارتفاع 130 سانتی متری دیده شد. بین ساعات 5 تا 6 صبح مقدار آن در ارتفاع یاد شده به حالت اولیه برگشت. باد عامل اصلی انتقال CO2 گزارش شد. در شرایطی که وزش باد ملایم بود تغییرات CO2 کمتر از 10ppm در ساعت بود. پایین بودن سرعت جایگزینی مجدد CO2 در بوته‌های بلند، به علت مقاومت این بوته‌ها در مقابل جریان یافتن هوا به داخل کانوپی آن‌ها بود. در مزرعه یاد شده 53 تا 89 درصد تثبیت CO2 در ارتـــفاع 175 تا 200 سانتی متری بود. علت این امر وجود بیشترین سطح فتوسنتزی و جذب نور در این ارتفاع بود .

اثرات دى اكسيد كربن بر فرايندهاى رشد گياه

افزایش غلظت دی اکسید کربن در اتمسفر، سبب گرمای بیوسفر مي‌شود و این فرایند نیز سبب تغییر آب و هوای جهانی مي‌گردد، ولی ممکن است محدودیت دی اکسید کربنی فتوسنتز را نیز کاهش دهد. در غلظت‌های بالای جریان فوتون ، فتوسنتز بیشتر گیاهان با کمبود دی اکسید کربن محدود مي‌شود، اما این محدودیت به طور اساسی به علت وجود مکانیسم تغلیظ دی اکسید کربن، در گیاهان CAM و C4 پایین است. انتشار دی اکسید کربن به درون برگ، به وسیله یک سری مقاومت‌ها محدود مي‌شود که بزرگترین آن‌ها مقاومت روزنه‌اي است. بنابراین شکاف روزنه گیاه، وسیله مناسبی برای کنترل تلفات آب و جذب دی اکسید کربن است. البته غیر ازعوامل روزنه‌اي، عوامل دیگری نیز در محدودیت دی اکسید کربن فتوسنتزی موثرند . واكنش به افزايش دى اكسيد كربن با افزايش ميزان تثبيت CO2 در فتوسنتز آغاز مى شود. بسته به گونه گياهى كربوهيدرات‌هاى غير ساختمانى به صورت نشاسته، كربوهيدرات‌هاى محلول يا پلی فروکتوزان‌ها در برگ‌ها و سایر اندام‌ها تجمع مي‌یابند. رشد بیوماس زایشی نیز مانند اندام‌های رویشی، با افزایش دی اکسید کربن زیاد مي‌شود. با این وجود در شرایط دی اکسید کربن زیاد شاخص برداشت که نسبت عملکرد دانه به بیوماس اندام‌های هوایی است، کمتر مي‌باشد که این امر مي‌تواند دلیلی بر فقدان ظرفیت کافی برای استفاده کامل از مواد فتوسنتزی باشد . در الگوهای تغییر اقلیم، پیش بینی شده است که متعاقب افزایش دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانه‌اي، درجه حرارت نیز افزایش مي‌یابد. در دماهای زیاد، نوعی اثرات متقابل بین دی اکسیدکربن و درجه حرارت بر روی رشد رویشی گیاهان به وجود خواهد آمد، که اثرغنی سازی دی اکسید کربن در درجه حرارت‌های بالا بیشتر از درجه حرارت‌های پایین مي‌باشد .

اثر افزایش غلظت CO2 اتمسفر بر رشد گیاهان:

به طور متوسط در آزمایش هایی که غلظت CO2 اتمسفر به دو برابر یعنی 700 ppm رسیده است، وزن نهایی گیاهان مجاور، حدود 47 درصد افزایش یافته است . هنگامي‌که گیاهان دارای مخزن های متعددی باشند ( مانند پنجه ها یا اندام های هوایی جانبی)، این افزایش به نحو قابل توجهی بیشتر است. اگر مقدار افزایش سرعت فتوسنتز در آزمایش-های کوتاه مدت را در نظر بگیریم، در آن صورت متوسط افزایش به نسبت کمتر است . آزمایش های زیادی وجود دارد که نشان می دهد افزایش غلظت CO2 اتمسفری، RGR ( سرعت رشد نسبی) گیاه را به طور موقت افزایش می دهد، ولی پس از مدتی دوباره RGR به همان سطح شاهد برمی گردد. افزایش موقت RGR بیشتر وزن نهایی گیاهان رشد یافته در شرایط افزایش غلظت CO2 را زیاد می کند. کاهش  ) SLAسطحِ مخصوصِ برگ) تغییر عمده ای است که وقتی گیاه به طور طولانی مدت در معرض غلظت 700 ppm قرار می گیرد، مشاهده می شود. این کاهش تا حدودی به دلیل تجمع کربوهیدارت های غیر ساختمانی است .

غلظت بالای CO2 حداقل در آزمایش های کوتاه مدت سبب جلوگیری از تنفس برگ می-شود. در طولانی مدت نیز ممکن است تنفس تحت تأثیر قرار گیرد، ولی این تأثیر به نحوی است که در برخی گیاهان افزایش و در برخی کاهش می یابد . با توجه به مطالب بالا می توان نتیجه گرفت که غلظت کنونی CO2 یکی از عوامل محدودکننده فتوسنتز در گیاهان است و اگر بتوانیم غلظت این گاز را در محیط های کنترل شده افزایش دهیم، افزایش عملکرد دور از ذهن نخواهد بود. البته باید توجه داشت که افزایش سراسری غلظت این گاز در جهان به علت بروز اثرات زیانبار همچون اثرات گلخانه-ای و گرم شدن زمین، در نهایت عملکرد گیاهان را کاهش می دهد، پس افزایش غلظــــت CO2 در محیط های کنترل شده مورد نظر می باشد. به دلیل حجم زیاد هوا ، باد و سایر عوامل کنترل کننده CO2 امکان افزایش غلظت آن در مزرعه وجود ندارد. ولی در گلخانه مي‌توان با افزایش غلظت CO2 عملکرد کمی و کیفی گیاهان را زیاد کرد. البته غلظت‌های بسیار زیاد CO2 بسته به گونه گیاهی سبب مرگ یا کاهش عملکرد گیاه می شود. اگر چه بنابر شواهد، گیاهان زراعی مي‌توانند CO2 را تا غلظت 30 هزار ppm تحمل کنند ولی مسمومیت حاصل از مصرف زیاد CO2 را نباید دور از ذهن نگهداشت. وجود بیش از حد بهینه CO2 روزنه‌ها را تنگتر نموده و تنفس و تبادل CO2 را کاهش مي‌دهد. در افزایش CO2 مصرفی گیاه باید به قانون کمینه نیز توجه کرد. یعنی تاثیر افزایش CO2 روی گیاه زمانی مثبت خواهد بود که عوامل محدود کننده دیگر مانند نور، دما و رطوبت وجود نداشته باشد.

تاثیر دی اکسید کربن روی سیستم ریشه:

ریشه‌ها به خاطر ماهیت خود در میان اجزا خاک، یعنی جایی که هوای آن به طور طبیعی از نظر دی اکسید کربن غنی است، رشد مي‌کنند. انتشار دی اکسید کربن در خاک فقط مربوط به تنفس حاصل از رشد گیاه و تنفس ریشه نیست، هر چند تولید دی اکسید کربن در خاک‌های پوشیده از گیاه بیشتر از خاک‌های عاری از گیاه مي‌باشد. این حالت همیشه وجود ندارد، چون سرعت‌های بالای تولید دی اکسید کربن در خاک‌های لخت انباشته شده از بقایای گیاهی پس از برداشت، دیده شده است .

واکنش‌های سیستم ریشه به افزایش غلظت دی اکسید کربن فرض کلی بر این است که در شرایط افزایش دی اکسید کربن، بخش زیادی از ماده خشک مازاد تولید شده به سیستم ریشه اختصاص خواهد یافت و در نتیجه سبب افزایش نسبت ریشه به ساقه خواهد شد. این فرض با اطلاعاتی که از دیر باز در مورد برخی گونه‌ها وجود دارد مغایر است .

تغییرات افزایش دی اکسید کربن روی ساختمان برگ

• تغییرات سطح و ضخامت برگ
• تغییرات در شکل برگ
• تغییرات در ترکیب برگ كه شامل موا رد زير مي‌باشد:

افزایش پلی ساکاریدهای دیواره سلولی ، افزایش مقدار نشاسته، کاهش مقدار نیتروژن، افزایش مقدار نیتروژن ، تغییرات در مقدار فسفر و گوگرد، تغییرات در مقدار کلروفیل

تاثیرات غلظت زیاد دی اکسید کربن روی رشد ساقه

در گیاهان، تحت دی اکسید کربن زیاد طول میانگره‌های ساقه زیاد شده و گاهی ضخیم تر مي‌شوند و ژنوتیپ ممکن است تا اندازه زیادی تحت تاثیر این واکنش قرار گیرد؛ مانند چهار کلون صنوبر. شاید در روی ساقه اصلی و شاخه‌های جانبی، میانگره‌های بیشتری به وجود آید. در گیاه سویا، در دو غلظت کمتر از حد طبیعی و زیاد دی اکسید کربن، ارتفاع و قطر ساقه افزایش پیدا مي‌کند . اگرچه این پدیده ممکن است واکنش ذاتی به افزایش دی اکسید کربن نباشد ولی به احتمال ناشی از افزایش جثه گیاهان است که بیشتر در شرایط غنی سازی دی اکسید کربن اتمسفری به خصوص در گیاهانی که شاخه‌های فرعی تولید مي‌کنند، مشاهده مي‌شود .

تاثیرات دی اکسید کربن روی گلدهی و میوه دهی

غلظت بالای دی اکسید کربن به طور معمول سبب تسریع در شروع گلدهی مي‌شود. به نظر مي‌رسد که شرایط لازم برای گلدهی مانند طول روز و دما در اثر دی اکسید کربن تغییر نمي‌کنند.

البته موارد استثنایی نیز وجود دارد و آن تحت غلظت بسیار زیاد دی اکسید کربن است. گلدهی در آفتابگردان و گندم‌های بهاره ( ارقام تیمگالن و گابو ) تا 1 الی 3 روز، در سویا تا 4 الی 6 روز و در برنج تا 5 روز یا 6 روز جلو افتاد .

تاثیرات دی اکسید کربن روی عملکرد و کیفیت بذر

بدون تردید غلظت بالای دی اکسید کربن مي‌تواند سبب افزایش عملکرد دانه شود. عملکرد بالقوه گیاهان زراعی در اثر تنش‌های متعدد محدود مي‌شود پس نباید انتظار داشت که دی اکسید کربن زیاد مانند یک اکسیر اتوماتیک عمل ‌کند. یا شرایط لازم برای افزایش عملکرد فراهم شود و یا تغییر نمي‌کند، زیرا افزایش عملکردی که در اثر افزایش غلظت دی اکسید کربن به وجود مي‌آید، ممکن است ارزشی نداشته باشد. از نقطه نظر تغذیه انسان، کیفیت خیلی مهم است. درمورد اثر دی اکسید کربن روی بذور مي‌توان گفت که در گونه‌های سه کربنه مانند گندم، برنج و سویا، تحت تاثیر دی اکسید کربن زیاد مي‌توانند دانه بیشتری تولید کنند، ولی این افزایش سبب تغییر ترکیبات دانه مي‌شود .

اثرات دی اکسید کربن روی توزیع روزنه‌ها

اثر دی اکسید کربن روی فراوانی روزنه‌ها بر حسب گونه، ژنوتیپ، موقعیت برگ و این که چه محدوده‌اي از دی اکسید کربن (کمتر یا بیشتر از حد طبیعی) بررسی مي‌شود، متفاوت خواهد بود. با این وجود میزان تعرق و کارایی مصرف آب را با چنین تغییراتی در تعداد مطلق روزنه‌ها کمتر مي‌توان بررسی کرد. این عوامل بیشتر به نحوه تنظیم روزنه‌ها بستگی دارند .

اثرات افزایش غلظت CO2 بر گیاهان C3 ، C4 و  : CAM

فتوسنتز گیاهان مختلف واکنش متفاوتی را به افزایش غلظت CO2 نشان می دهند. برای نمونه گیاهان  C4 در مقایسه با گیاهان C3 نسبت به افزایش غلظت CO2 واکنش کمتری را نشان می دهند. زیرا فتوسنتز گیاهان C4 در غلظت ppm 350 تقریباً به اشباع می رسد. انجیر هندی  Opuntia ficus-indica  که یک گونۀ CAM می باشد به افزایش غلظت CO2 واکنش نشان می دهد. سرعت اسیمیلاسیون در ابتدا، هم در شب و هم طی روز افزایش می یابد، اما پس از قرار گیری طولانی مدت در معرض CO2 زیاد، این افزایش فتوسنتز ناپدید می شود و به حالت عادی برمی گردد .

افزایش غلظت CO2 به دو روش بر فرآیندهای گیاه و تولیدات زراعی تأثیر می گذارد. یکی تأثیر مستقیم این گاز بر فرآیندهای مختلف فیزیولوژیکی گیاه است و دیگری تأثیر غیر مستقیم از راه تغییرات دما، بارندگی و تابش می باشد. این تأثیرات به ترتیب به اثرات مستقیم و اثرات اقلیمی ( اثرات غیر مستقیم ) معروف هستند . از آن جا که این گاز یک مادۀ محدود کننده در فتوسنتز به شمار می آید، افزایش غلظت آن می تواند به افزایش فتوسنتز سبب شود. این افزایش در گیاهان C3 بیشتر از C4 است، زیرا گیاهان 4 کربنه بدون تنفس نوری هستند ( به علت وجود پمپ   CO2 ) و فتوسنتز آن‌ها کمتر تحت تأثیر غلظت های پایین CO2 قرار می گیرد. آلن با مرور آزمایش های گوناگون بر روی گیاهان مختلف نشان دادند که با دو برابر شدن غلظت  CO2،  فتوسنتز و عملکرد در گیاهان C3 و C4 به ترتیب 34 و 15 درصد افزایش پیدا می کند. وقتی گیاهان در پوشش گیاهی مورد مطالعه قرار می گیرند ممکن است در مقایسه با حالت تک بوته، عوامل دیگری در تولیدشان موثر باشد. برای نمونه چون کاهش هدایت روزنه ای سبب کاهش تعرق گیاه می شود، بنابراین ممکن است هنگامی که گیاه در شرایط افزایش CO2 رشد می کند، درجه حرارت افزایش پیدا کرده و فشار بخار هوای اطراف گیاه کم شود و از این راه اثر کاهش هدایت روزنه ای خنثی شود. این وضعیت سبب می شود که اثر افزایش غلظت CO2 بر تعرق پوشش گیاهی کمتر از حد مورد انتظار برای تک برگ باشد. واکنش گیاهان مختلف به افزایش CO2 ممکن است متفاوت باشد. برای نمونه گیاهان C4 که سرعت فتوسنتزشان در غلظت 350 ppm به اشباع می رسد، نسبت به افزایش CO2 کمتر واکنش نشان می دهند. بنابراین تاثیر افزایش غلظت CO2 بر قدرت رقابت گیاهان C3 و C4 یکسان نیست. در ادامه به مسئله مهمی که در رابطه با تاثیر افزایش این گاز روی قدرت رقابتی گیاهان مختلف باید مورد توجه قرار گیرد، اشاره می شود :

این موضوع درست است که افزایش غلظت CO2 سبب افزایش فتوسنتز و بنابراین قدرت رقابتی گیاهان C3 می شود، ولی در مقیاس جهانی افزایش غلظت این گاز به علت اثر گلخانه ای سبب گرم شدن کره زمین خواهد شد؛ می دانیم که افزایش دما در گیاهان C3 سبب افزایش تنفس نوری و کاهش تولید خالص می شود. بنابراین افزایش دمای هوا به طور غیر مستقیم، اثرات مثبت و مستقیم افزایش غلظت CO2 را خواهد کاست. تأثیر نهایی افزایش غلظت CO2 و تغییرات آب و هوایی همراه با آن بر گیاهان زراعی به طور کامل به شرایط محیطی جاری در محل مورد نظر بستگی دارد و ممکن است از محلی به محل دیگر متفاوت باشد. در این زمینه رژیم دمایی و بارندگی فعلی محل مورد نظر بسیار تعیین کننده هستند .

تغییر غلظت CO2 و تغییر پوشش گیاهی:

کول و مونگر برای بررسی این موضوع مواد آلی خاک هایی را که قدمت آنها مشخص بود، مورد تجزیه قرار دادند و تغییرات ایجاد شده در فراوانی نسبی کربن گونه های C3 و C4 در حد فاصل بین اواخر دوران پلیستوس و اوایل هالوس در منطقۀ شمال مکزیک را برآورد نمودند. نتایج نشان داد که در حدود 9000 سال قبل ( یعنی وقتی که حباب های هوای موجود در یخ های قطب جنوب افزایش سریعی را در غلظت CO2 اتمسفر نشان می دهد) تعداد گونه های C3 افزایش یافته است. فسیل های گیاهی حاکی از آن است که این تغییر پوشش گیاهی با افزایش خشکی، که مطلوب گیاهان C4 می باشد، همراه بود. بنابراین احتمال این که افزایش غلظت CO2 اتمسفری سبب تغییر پوشش گیاهی شده باشد، بسیار بیشتر از تغییر اقلیم است . تحقیق انجام شده بر روی یکی از بقولات چوبی مهاجم (Prosopis glandulasa) c3 نیز نشان دهندۀ آن است که افزایش غلظت CO2 اتمسفری، برای گونه های C3 مفیدتر از گونه های C4است. طی 150 سال گذشته فراوانی این گونه مهاجم در چمن زارهای آمریکای شمالی که غالبیت با گونه های C4 بود، افزایش یافت. وقتی که گونه فوق به صورت خالص کشت شد، بیوماس اندام های هوایی، سرعت تثبیت ازت و کارایی مصرف آب آن در غلظت فعلی CO2، نسبت به غلظت این گاز در زمان های قبل ( که کمتر بود ) افزایش یافت. البته هنگامی که این گونه به صورت مخلوط با یک گونۀ C4 کشت شد، افزایش در بیوماس مشاهده نشد. افزایش غلظت CO2 ممکن است به موفقیت گونه C3 کمک کرده باشد، ولی احتمالا استرتژی آن در اجتناب از رقابت با علف های چمنی مجاور از اهمیت بیشتری برخوردار است .

نتایجی که تاکنون به دست آمده حاکی از آن است که از شروع انقلاب صنعتی تاکنون، قدرت رقابت گونه های C4 کاهش یافته است و با افزایش بیشتر غلظت CO2، ممکن است گونه های C4 به راحتی صحنه رقابت را ترک کنند. البته افزایش CO2 با درجه حرارت اثر متقابل دارد و چنان چه اثر متقابل این دو عامل بر رشد در نظر گرفته شود، شرایط با حالتی که فقط اثر افزایش CO2 بر رشد لحاظ می شود، به طور کامل متفاوت خواهد بود و تغییر اقلیم ناشی از افزایش CO2 ممکن است بر رقابت بین گونه های C3 و C4 اثر معکوس داشته باشد. درجه حرارت بالا و اقلیم خشک برای علف های چمنی C4 مناسب است و سبب گسترش سطح اشغال شده به وسیله گونه های C4 در استرالیا می شود. البته گاهی افزایش غلظت CO2 می تواند دسترسی به سایر منابع محیطی را تغییر دهد و توازن رقابتی را به طرز غیرقابل پیش بینی عوض کند .

نتیجه گیری :

اگر تغییر اقلیم جهانی اتفاق افتد بدون تردید کشاورزی را تحت تاثیر قرار خواهد داد. هر چند بسیاری از مکانیزم‌ها و اثرات متقابل بین کشاورزی و اقلیم شناخته شده ولی هنوز به درستی درک نشده اند. شواهد حاکی از آن است که ارتباط بین تغییر اقلیم و کشاورزی هنوز به صورت یک مساله مبهم با تردیدهای بسیاری روبروست و به عنوان یک معضل بزرگ باقی خواهد ماند. افزایش غلظت CO2 به صورت مستقیم ( افزایش فتوسنتز ) و غیر مستقیم ( افزایش درجه حرارت ) روی کشاورزی تاثیر دارد. شکیات عمده‌اي که هم مدل های گردش جهانی و هم واکنش سیستم‌های کشاورزی از آن متاثر است سبب گردیده که در سطوح ملی و منطقه‌اي بین مدل‌های مختلف، اختلافات معنی داری وجود داشته باشد. به علاوه بسیاری از مدل‌های موجود، اثرات مطلوب دی اکسید کربن و افزایش کارایی مصرف آب و اثرات پوشش ابر بر اقلیم و فتوسنتز و یا طبیعت زودگذر و بی ثبات تغییر اقلیم را نادیده مي‌گیرند . هرچه اطلاعات درباره اثرات تغییرات اقلیمی مورد انتظار در گیاهان زیادتر مي‌شود، باید تلاش‌های بیشتری برای یافتن سازگاری‌های زیستی و سیستم‌های مدیریتی به منظور کاهش اثرات سوء تغییرات اقلیمی بر جوامع کشاورزی و انسانی صرف شود. اقلیم مناطق چه خشک تر و چه مرطوب تر شود، مي‌باید تبعات آن را همواره مد نظر داشت .

پیشنهادات :

با توجه به این که متوسط افزایش هزینه تولید، مي‌تواند اندک باشد، که البته این امر تا حد زیادی به مزایای اثرات مستقیم دی اکسید کربن بر عملکرد گیاهان زراعی بستگی دارد. اگر تولید گیاه افزایش چشمگیری داشته باشد و قابلیت دسترسی به آب نیز در برخی مناطق عمده تولید، افزایش یابد، آن گاه تولید بالقوه غلات در مقایسه با نیازها افزایش یافته و در نتیجه قیمت غذا کاهش خواهد یافت. بر عکس اگر منفعت حاصل از اثرات مستقیم دی اکسید کربن ناچیز باشد و تغییر اقلیم اثر سوء بر تولید بالقوه تمام یا بیشتر مناطق عمده صادر کننده غلات بر جای بگذارد، در آن صورت متوسط هزینه تولیدات کشاورزی جهان به طور معنی داری افزایش مي‌یابد. این افزایش هزینه ممکن است به بیش از 10 درصد تولید ناخالص داخلی کشاورزی جهان برسد .

بنابراین به طور کلی اگر تغییر اقلیم رخ دهد، بدون تردید کشاورزی را تحت تاثیر قرار مي‌دهد. ولی هنوز بسیاری از مکانیزم‌ها و اثرات متقابل بین کشاورزی و تغییر اقلیم شناخته نشده است، بنابراین تحقیق و پژوهش و بررسی بیشتر در این زمینه مي‌تواند راه کاری مناسب برای شناخت این ناشناخته‌ها باشد و به تبع آن مي‌توان دریافت که آیا افزایش دی اکسید کربن در مقیاس جهانی مي‌تواند مفید باشد یا خیر.َ

نگارنده : مهندس سیما جورابیَ