تأثير التسميد بثاني أكسيد الكربون

يؤدي تأثير تخصيب ثاني أكسيد الكربون _، أو ما يُعرف بتأثير تخصيب الكربون، _إلى زيادة معدل عملية التمثيل الضوئي مع الحد من نتح الأوراق في النباتات. وتنتج كلتا العمليتين عن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي . ^{[ 2 ] [ 3 ]} ويختلف تأثير تخصيب الكربون باختلاف أنواع النباتات، ودرجة حرارة الهواء والتربة، وتوافر الماء والمغذيات. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وقد يستجيب صافي الإنتاجية الأولية (NPP) بشكل إيجابي لتأثير تخصيب الكربون، ^{[ 6 ]} على الرغم من أن الأدلة تشير إلى أن زيادة معدلات التمثيل الضوئي في النباتات نتيجة تخصيب _ثاني أكسيد الكربون لا تُحسّن بشكل مباشر نمو جميع النباتات، وبالتالي تخزين الكربون. ^{[ 4 ]} وقد أُفيد بأن تأثير تخصيب الكربون مسؤول عن 44% من الزيادة في إجمالي الإنتاجية الأولية (GPP) منذ بداية الألفية الثانية. ^{[ 1 ]} وتُستخدم نماذج نظام الأرض ، ونماذج نظام الأراضي، ونماذج الغطاء النباتي العالمي الديناميكي لدراسة وتفسير اتجاهات الغطاء النباتي المرتبطة بارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف _الجوي . ^{[ 4 ] [ 7 ]} ومع ذلك، لا تزال عمليات النظام البيئي المرتبطة بتأثير تخصيب _ثاني أكسيد الكربون غير مؤكدة، وبالتالي يصعب نمذجتها. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

ساهمت النظم البيئية الأرضية في خفض تركيزات _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، وخففت جزئيًا من آثار تغير المناخ . ^{[ 10 ]} من غير المرجح أن يؤدي استجابة النباتات لتأثير تخصيب الكربون إلى خفض تركيز _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل ملحوظ خلال القرن القادم، وذلك بسبب تزايد التأثيرات البشرية على ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي _. [ ^{3 ] [ 4 ] [ 11 ] [ 12 ] شهدت} الأراضي النباتية على سطح الأرض اخضرارًا ملحوظًا منذ أوائل ثمانينيات القرن الماضي ^{[ 13 ]،} ويعود ذلك في معظمه إلى ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف _الجوي . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

تتوقع النظرية أن تشهد المناطق الاستوائية أكبر امتصاص لثاني أكسيد الكربون نتيجة لتأثير تخصيب الكربون، إلا أن هذا لم يُرصد. كما أن كمية _{ثاني أكسيد} الكربون الممتصة من تخصيب الكربون تعتمد على كيفية استجابة الغابات لتغير المناخ، وما إذا كانت محمية من إزالة الغابات . ^{[ 18 ]}

قد تؤدي التغيرات في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى انخفاض القيمة الغذائية لبعض المحاصيل، حيث يحتوي القمح، على سبيل المثال، على نسبة أقل من البروتين وبعض المعادن. [ 19]: 439 [20] وقد تشهد المحاصيل الغذائية انخفاضًا في محتوى البروتين والحديد ^{والزنك بنسبة تتراوح بين 3 و 17 %} في المحاصيل الغذائية الشائعة . ^{[ 21 ]}

تستخدم النباتات، من خلال عملية التمثيل الضوئي ، _ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، والماء من التربة، والطاقة الشمسية لإنتاج السكريات اللازمة للنمو والوقود. ^{[ 22 ]} وبينما يؤدي استخدام هذه السكريات كوقود إلى إطلاق الكربون مرة أخرى في الغلاف الجوي ( التنفس الضوئي )، فإن النمو يخزن الكربون في البنية الفيزيائية للنبات (مثل الأوراق، والخشب، أو السيقان غير الخشبية). ^{[ 23 ]} ونظرًا لأن حوالي 19% من كربون الأرض مخزن في النباتات، ^{[ 24 ]} فإن نمو النبات يلعب دورًا هامًا في تخزين الكربون على سطح الأرض بدلًا من الغلاف الجوي. وفي سياق تخزين الكربون، يُشار غالبًا إلى نمو النباتات بإنتاجية الكتلة الحيوية. ^{[ 23 ] [ 25 ] [ 26 ]} ويُستخدم هذا المصطلح لأن الباحثين يقارنون نمو المجتمعات النباتية المختلفة بناءً على كتلتها الحيوية، أي كمية الكربون التي تحتويها.

تؤدي زيادة إنتاجية الكتلة الحيوية مباشرةً إلى زيادة كمية الكربون المخزنة في النباتات. ^{[ 23 ]} ولأن الباحثين مهتمون بتخزين الكربون، فإنهم يبحثون عن أماكن وجود معظم الكتلة الحيوية، سواء في النباتات الفردية أو في النظام البيئي. تستخدم النباتات أولًا مواردها المتاحة للبقاء على قيد الحياة ودعم نمو وصيانة الأنسجة الأكثر أهمية، مثل الأوراق والجذور الدقيقة، والتي تتميز بقصر عمرها. ^{[ 27 ]} ومع توفر المزيد من الموارد، تستطيع النباتات إنماء أنسجة أكثر ديمومة، ولكنها أقل أهمية، مثل الخشب. ^{[ 27 ]}

إذا كان الهواء المحيط بالنباتات يحتوي على تركيز أعلى من ثاني أكسيد الكربون، فقد تتمكن من النمو بشكل أفضل وتخزين المزيد من الكربون ^{[ 28 ]} ، وكذلك تخزين الكربون في هياكل أكثر ديمومة كالأخشاب. ^{[ 23 ]} وقد أظهرت الأدلة حدوث ذلك لعدة أسباب. أولًا، تستفيد النباتات التي كانت محدودة بتوفر الكربون أو الضوء من تركيز أعلى للكربون. ^{[ 29 ]} سبب آخر هو قدرة النباتات على استخدام الماء بكفاءة أكبر نتيجة انخفاض التوصيل الثغري . ^{[ 30 ]} قد تستفيد النباتات التي تتعرض لتركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون _من قدرة أكبر على الحصول على العناصر الغذائية من الفطريات الجذرية في عملية تبادل السكريات بالعناصر الغذائية. ^{[ 31 ]} قد يؤدي التفاعل نفسه أيضًا إلى زيادة كمية الكربون المخزنة في التربة بواسطة الفطريات الجذرية. ^{[ 32 ]}

بين عامي 2002 و2014، يبدو أن النباتات قد ضاعفت نشاطها، وبدأت في امتصاص كميات أكبر من ثاني أكسيد الكربون _من الهواء مقارنةً بما كانت عليه سابقاً. ^{[ 33 ]} ونتيجةً لذلك، لم يزد معدل تراكم _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي خلال هذه الفترة، على الرغم من أنه كان قد ازداد بشكل ملحوظ سابقاً بالتزامن مع تزايد انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 33 ]}

أظهرت مراجعةٌ للدراسات العلمية التي أُجريت في البيوت الزجاجية عام 1993 أن مضاعفة تركيز _ثاني أكسيد الكربون من شأنها أن تحفز نمو 156 نوعًا مختلفًا من النباتات بنسبة 37% في المتوسط. وقد تباينت الاستجابة بشكلٍ ملحوظ بين الأنواع، حيث أظهر بعضها مكاسب أكبر بكثير، بينما أظهر البعض الآخر انخفاضًا. فعلى سبيل المثال، وجدت دراسةٌ أُجريت في البيوت الزجاجية عام 1979 أنه مع مضاعفة تركيز _ثاني أكسيد الكربون ، تضاعف الوزن الجاف لنباتات القطن البالغة من العمر 40 يومًا، بينما زاد الوزن الجاف لنباتات الذرة البالغة من العمر 30 يومًا بنسبة 20% فقط. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

بالإضافة إلى الدراسات التي تُجرى في البيوت الزجاجية، تسعى القياسات الميدانية والفضائية إلى فهم تأثير زيادة _ثاني أكسيد الكربون في بيئات طبيعية. في تجارب إثراء ثاني أكسيد الكربون في الهواء الطلق (FACE)، تُزرع النباتات في حقول زراعية، ويُرفع تركيز _ثاني أكسيد الكربون في الهواء المحيط بشكل مصطنع. تستخدم هذه التجارب عمومًا مستويات أقل من _ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بدراسات البيوت الزجاجية، وتُظهر مكاسب أقل في النمو، حيث تعتمد هذه المكاسب بشكل كبير على نوع النبات المدروس. أظهرت مراجعة أجريت عام 2005 لـ 12 تجربة عند تركيزات تتراوح بين 475 و600 جزء في المليون زيادة متوسطة قدرها 17% في محصول المحاصيل ، مع استجابة أكبر للبقوليات مقارنةً بالأنواع الأخرى، بينما أظهرت نباتات C4 استجابة أقل عمومًا. كما أشارت المراجعة إلى أن هذه التجارب لها قيودها الخاصة، حيث كانت مستويات _ثاني أكسيد الكربون المدروسة منخفضة، وأُجريت معظم التجارب في مناطق معتدلة. ^{[ 36 ]} كشفت قياسات الأقمار الصناعية عن زيادة في مؤشر مساحة الأوراق لما بين 25% و50% من مساحة الغطاء النباتي على سطح الأرض خلال السنوات الخمس والثلاثين الماضية (أي ازدياد اخضرار الكوكب)، مما يقدم دليلاً على تأثير إيجابي لتخصيب ثاني أكسيد _{الكربون .} ^{[ 37 ] [ 38 ]}

تختلف استجابات النباتات لارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي باختلاف البيئة، _{وذلك بين} الأنواع الوظيفية الرئيسية للنباتات، مثل نباتات C3 و C4 ، أو الأنواع الخشبية بدرجات متفاوتة؛ مما قد يؤدي، من بين أمور أخرى، إلى تغيير التنافس بين هذه المجموعات. _[ ^{39 ] [ 40 ] كما} يمكن أن يؤدي ارتفاع تركيز ثاني أكسيد الكربون _{إلى زيادة} نسبة الكربون  إلى النيتروجين في أوراق النباتات أو في جوانب أخرى من التركيب الكيميائي للأوراق، مما قد يُغير تغذية الحيوانات العاشبة . ^{[ 41 ]} تُشير الدراسات إلى أن مضاعفة تركيز ثاني أكسيد الكربون _تُؤدي إلى زيادة في عملية التمثيل الضوئي في نباتات C3، ولكن ليس في نباتات C4. _[ ^{42 ] ومع} ذلك، فقد ثبت أيضًا أن نباتات C4 قادرة على تحمل الجفاف بشكل أفضل من _نباتات C3 . ^{[ 43 ]}

يمكن تحقيق تأثيرات إثراء _{ثاني أكسيد} الكربون بسهولة أكبر في البيوت الزجاجية (انظر قسم إثراء ثاني أكسيد الكربون في البيوت الزجاجية لاستخدامه في الزراعة). مع ذلك، تُشكك نتائج التجارب التي تُجرى في البيوت الزجاجية نظرًا لكثرة المتغيرات المُربكة. كما أُثيرت شكوك مماثلة حول فعالية الغرف المفتوحة، حيث عزت بعض الانتقادات، على سبيل المثال، انخفاض تركيزات المعادن في تجارب إثراء _ثاني أكسيد الكربون هذه إلى القيود المفروضة على نظام الجذور. وتُعد منهجية FACE، التي يُطلق فيها _ثاني أكسيد الكربون مباشرةً في الحقل المفتوح، أحدث التقنيات في هذا المجال. ^{[ 44 ]} ومع ذلك، لا تزال هناك شكوك حول إمكانية تطبيق نتائج FACE في منطقة ما من العالم على منطقة أخرى. ^{[ 45 ]} 

• تأثيرات تغير المناخ على الزراعة

• 4. تأثير التسميد _بثاني أكسيد الكربون : زيادة إنتاج الكربوهيدرات والاحتفاظ بها على شكل كتلة حيوية وإنتاجية البذور
• التسميد _بثاني أكسيد الكربون