2022年1月28日
作者：Renee Cho，“地球状况”(State Of The Planet)
冷杉针状气孔，它让二氧化碳进入，水蒸气排出。来源：俄勒冈州立大学
我们人类需要植物来生存。我们吃的每样东西都是由植物或动物组成的，它们依赖于食物链上的一些植物。植物也是自然生态系统的支柱，它们每年吸收大约30%的人类排放的二氧化碳。但是，随着气候变化的影响恶化，更高水平的CO2是如何在大气和温暖的温度影响植物世界？
协和CO2提高植物生产力
植物利用阳光、大气中的二氧化碳和水进行光合作用，产生氧气和碳水化合物。植物用于能源和增长。
CO2含量上升在大气中，植物光合作用的增加被称为碳肥效应。新研究发现从1982年到2020年，全球植物光合作用增长了12%，跟踪CO2大气中的含量上升了17%。光合作用增加的绝大部分原因是二氧化碳的施肥。
光合作用的增加使一些植物生长更快。科学家们发现对CO2升高的反应水平，地上植物生长平均增加21%，而地下生长增加28%.因此，一些作物，如小麦、水稻和大豆，预计将受益于CO2的增加。产量从12%提高到14%。然而，一些热带和亚热带牧草和几种重要作物，包括玉米、甘蔗、高粱和谷子的生长，并没有受到CO2增加的影响。
低浓度CO2浓度，植物在光合作用过程中使用较少的水分。植物有气孔，允许CO2被吸收并释放到大气中。随着CO2水平的提高，植物可以保持较高的光合作用速率，并部分关闭气孔，从而使植物的水分损失减少5%至20%。科学家推测，这可能会导致植物向大气释放更少的水，从而使更多的植物在陆地、土壤和溪流中保持稳定。
但其他因素很重要
CO2升高从…气候变化可能会使植物从碳肥效应中受益，减少水分来生长，但这对植物来说并不都是好消息。比这更复杂，因为气候变化也影响着其他对植物生长至关重要的因素，比如营养物质，温度，还有水。
固氮结核。贷记：图片：Foxy Tigre
氮限制
研究人员学习数以百计植物种1980年至2017年期间，发现大多数未施肥的陆地生态系统正变得缺乏营养，特别是氮。他们将营养物质的减少归因于全球变化，包括气温和CO2的上升水平。
氮是地球上最丰富的元素，约占大气的80%。它是DNA和RNA中必不可少的元素，是植物为了生长所必需的碳水化合物和蛋白质。然而，植物不能使用氮气在大气中发现，因为它有两个氮原子三重结合在一起，如此紧密，以至于它们很难分裂成植物可以使用的一种形式。闪电有足够的能量破坏三重键，这个过程叫做固氮。在生产肥料的工业过程中，氮也是固定的。
但大多数固氮都发生在土壤中，在土壤中，某些细菌附着在植物的根上，例如豆科植物。细菌从植物中获取碳，并进行共生交换，固定氮，将氮与氧或氢结合成植物可以使用的化合物。
凯文·格里芬(KevinGriffin)是哥伦比亚大学生态、进化和环境生物学系和拉蒙特-多尔蒂地球天文台的教授，他解释说，大多数生物的碳和氮的比例是相对固定的。这意味着如果植物吸收更多的二氧化碳产生碳水化合物因为有更多的CO2在大气中，叶片中的氮含量可能会被稀释，植物的生产力取决于有足够的氮。“如果你增加CO2他说：“在叶子周围、植物周围或森林周围，生产力通常都会提高，但生产力的提高是否持续和持久，取决于你是否有足够的氮。”因此，如果氮是有限的，可能是植物不能使用额外的CO2，而且它在生产力上的提升也可能是短暂的。“
树木目前吸收了大约三分之一的人为造成的二氧化碳排放，但他们是否有能力继续这样做取决于有多少氮向他们提供。如果氮是有限的，增加CO2的好处也会受到限制。
早期的固氮研究基于对自由活菌的测定，预测固氮过程在25℃时工作最快，当温度高于25°C时，固氮率将下降。在一个变暖的世界里，这将意味着一种失控的情景，即随着温度的升高，固氮量会减少，导致植物生产力下降。然后植物就会减少二氧化碳的排放。会导致进一步的变暖和较少的固氮，等等。格里芬和他的同事开发了一种仪器，使他们能够测量氮对与植物根形成联系的细菌的温度响应，而不是对自由活的细菌。
“我们的新仪器对温带和热带树木的全植物共生体进行了观察，我们发现，固氮的最佳温度实际上比之前的任何一种估计都高出5摄氏度左右，在某些情况下甚至高出11摄氏度。这需要对大量植物进行测试，但如果有效的话，这意味着固氮能力下降的可能性比我们想象的要低得多，这意味着植物可以保持更高的生产力，防止出现失控的局面。”
秋季军队蠕虫是美国东南部的一种长期害虫。贷记：图片：加拿大生物多样性信息设施
上升温度
Griffin的工作还发现，固氮的温度响应与光合作用的温度响应无关，而光合作用的温度响应涉及氮生成的酶。较高的温度会降低这些酶的效率。Rubisco是帮助光合作用中的二氧化碳转化为碳水化合物的关键酶，但是随着温度的升高，它会“放松”，并且它的口袋的形状能容纳CO2变得不那么精确。因此，五分之一的时间，酶结束固定氧气，而不是二氧化碳降低光合作用效率，浪费植物资源。随着温度的进一步升高，Rubisco可以完全失活。由于植物对氮肥的反应是增加了Rubisco的数量并生长得更多，这一发现表明：氮固定可以在较高的温度下维持，这提供了一种可能，它可以弥补Rubisco在较高温度下的效率下降。
气温上升也导致生长季节变得更长、更暖和。因为植物会长得更长更长的时间，他们实际上会使用更多的水，抵消了部分关闭他们的气孔的好处。与科学家过去的看法相反，其结果将是土壤更加干燥，河流和河流所需的径流也会减少。这也可能导致更多的局部变暖，因为蒸发蒸腾--当植物向空气中释放水分时--保持空气凉爽。此外，当土壤干燥时，植物会变得紧张，吸收的CO2也不多。这可能会限制光合作用。科学家发现即使植物在潮湿的年份吸收多余的碳以进行光合作用，这一数量也无法弥补减少的CO2含量在前一个干燥的年份吸收。
更温暖的冬天和更长的生长季节也会帮助害虫、病原体和危害植被的入侵物种。在较长的生长季节，更多世代的害虫可以繁殖为温暖温度加快昆虫的生命周期，更多的害虫和病原体在温暖的冬天存活。气温上升也导致了一些昆虫的生长。入侵新界有时对当地植物造成毁灭性影响。
较高的温度和水分的增加也使作物更加脆弱。野草，其中许多在高温和高CO中茁壮成长2已经造成了约34%的农作物损失，昆虫造成18%的损失，疾病造成16%的损失。气候变化可能会放大这些损失。
许多作物在32°至35°C以上的温度下开始受到压力，尽管这取决于作物类型和水的供应情况。模型显示，每增加温度都会导致一些重要作物的产量下降3%至7%，比如玉米和大豆。
此外，温度的升高加快了植物的生命周期，从而使植物成熟得更快，光合作用的时间更短，从而产生更少的谷物和更小的产量。
由于气温变暖，植物也在移动。适应某些气候条件的物种正逐渐向北移动，或在气温较低的地方向更高的海拔移动。在过去的几十年里，许多北美植物每10年向高海拔移动约36英尺或向高纬度移动10.5英里。北极的树木线每年也向北移动131到164英尺。对于迁入它们的物种来说，新的环境可能不那么好客，因为可能会有更少的空间或更多的资源竞争。有些物种可能无处可动，最终，某些物种将因这些变化而处于不利地位，而另一些物种则将从中受益。
土壤可能储存较少的碳，因为植物从地面吸收更多的养分。来源：图片：CupcakePersonon 13
极端天气
气候变化将带来更频繁、更严重的极端天气事件，包括极端降水、风扰动、热浪和干旱。极端降水事件会干扰植物的生长，特别是在最近被烧毁的森林中，使植物更容易受到洪水和土壤的侵蚀。更频繁的强风会对树木造成压力。
预计气候变化也会带来更多的气候变化。热浪与干旱，这很可能抵消碳肥效应带来的任何好处。尽管作物产量在炎热的生长季节经常下降，但高温和干旱的结合可能导致美国部分地区玉米产量下降20%，东欧和非洲东南部下降40%。此外，在美国北部、加拿大和乌克兰等地，由于气温变暖，作物产量预计会增加。
CO2增加的其他影响
虽然一些作物的产量可能会增加，但增加的CO2水平影响作物中重要营养物质的水平。高碳2，小麦、水稻、大麦和马铃薯块茎中的蛋白质含量下降了10%至15%。一项研究。农作物也失去重要的矿物质，包括钙，镁，磷，铁和锌。一个2018年研究水稻品种发现当CO升高时2维生素E浓度增加，导致维生素B1、B2、B5和B9减少。
与之相反的是，CO2促进植物生长可能会减少土壤中的碳储存。近期研究研究发现，植物必须从土壤中提取更多的养分，才能跟上碳施肥引起的额外生长。这会刺激微生物的活动，最终释放出CO2。可能会留在土壤中的大气中。这一发现挑战了长期以来的一种观点，即随着植物的生长，二氧化碳含量增加。CO2增加的生物量将转化为有机质，土壤可增加其碳储量。
植物面临着不确定的未来
许多关于植物生命对气候变化的反应的研究似乎表明，大多数植物在未来将面临更大的压力和更少的生产力。但是，在面对气候变化时，植物生理和行为之间复杂的相互作用、资源的利用和利用、植物群落的变化等因素将如何影响整个植物的生命，仍有许多未知因素。
