Vi människor behöver växter för vår överlevnad. Allt vi äter består av växter eller djur som är beroende av växter någonstans längs näringskedjan. Växter utgör också ryggraden i naturliga ekosystem, och de absorberar cirka 30 procent av all koldioxid som släpps ut av människor varje år. Men när effekterna av klimatförändringarna förvärras, hur blir högre nivåer av CO₂ i atmosfären och varmare temperaturer som påverkar växtvärlden?

CO₂ ökar växtproduktiviteten

Växter använder solljus, koldioxid från atmosfären och vatten för fotosyntes för att producera syre och kolhydrater som växter använder för energi och tillväxt.

Stigande nivåer av CO₂ i atmosfären driver en ökning av växternas fotosyntes – en effekt som kallas kolbefruktningseffekten. Ny forskning har visat att mellan 1982 och 2020 ökade den globala fotosyntesen av växter med 12 procent och spårade CO₂ nivåerna i atmosfären när de steg med 17 procent. Den stora majoriteten av denna ökning av fotosyntesen berodde på koldioxidbefruktning.

Ökad fotosyntes resulterar i mer tillväxt hos vissa växter. Forskare har funnit det som svar på förhöjd CO₂ nivåer ökade planttillväxten ovan jord i genomsnitt med 21 procent, medan tillväxten under marken ökade med 28 procent. Som ett resultat förväntas vissa grödor som vete, ris och sojabönor dra nytta av ökad CO₂ med en ökning av direktavkastningen från 12 till 14 procent. Tillväxten av vissa tropiska och subtropiska gräs och flera viktiga grödor, inklusive majs, sockerrör, sorghum och hirs, påverkas dock inte lika mycket av ökad CO₂ .

Under förhöjd CO₂ koncentrationer använder växter mindre vatten under fotosyntesen. Växter har öppningar som kallas stomata som tillåter CO₂ absorberas och fukt släpps ut i atmosfären. När CO₂ nivåerna stiger, kan växter upprätthålla en hög fotosynteshastighet och delvis stänga sina stomata, vilket kan minska en växts vattenförlust med mellan 5 och 20 procent. Forskare har spekulerat i att detta kan leda till att växter släpper ut mindre vatten till atmosfären och därmed håller sig mer på land, i marken och vattendragen.

Men andra faktorer räknas

Förhöjda nivåer av CO₂ från klimatförändringar kan göra det möjligt för växter att dra nytta av kolgödslingseffekten och använda mindre vatten för att växa, men det är inte alla goda nyheter för växter. Det är mer komplicerat än så, eftersom klimatförändringar också påverkar andra faktorer som är avgörande för växternas tillväxt, såsom näringsämnen, temperatur och vatten.

Kvävebegränsningar

Forskare som studerade hundratals växtarter mellan 1980 och 2017 fann att de flesta ogödslade terrestra ekosystemen blir bristfälliga på näringsämnen, särskilt kväve. De tillskrev denna minskning av näringsämnen till globala förändringar, inklusive stigande temperaturer och CO₂ nivåer.

Kväve är det vanligaste grundämnet på jorden och utgör cirka 80 procent av atmosfären. Det är ett väsentligt element i DNA och RNA och behövs av växter för att göra kolhydrater och proteiner för tillväxt. Däremot kan växter inte använda kvävgasen som finns i atmosfären eftersom den har två kväveatomer trippelbundet så hårt att de är svåra att bryta isär till en form som växter kan använda. Blixten har tillräckligt med energi för att bryta trippelbindningen, en process som kallas kvävefixering. Kväve fixeras också i den industriella process som producerar gödsel.

Men mest kvävefixering sker i jorden, där vissa typer av bakterier fäster vid växternas rötter, till exempel baljväxter. Bakterierna får kol från växten och fixerar i ett symbiotiskt utbyte kvävet, kombinerar det med syre eller väte till föreningar som växter kan använda.

Kevin Griffin, professor vid Columbia Universitys institution för ekologi, evolution och miljöbiologi och Lamont-Doherty Earth Observatory, förklarade att de flesta levande varelser har ett relativt fast förhållande mellan kol och kväve. Detta innebär att om växter tar upp mer CO₂ att skapa kolhydrater eftersom det finns mer CO₂ i atmosfären kan mängden kväve i bladen spädas ut, och en växts produktivitet beror på att den har tillräckligt med kväve. "Om du ökar CO₂ runt ett löv eller runt växten eller runt skog, vanligtvis går produktiviteten upp", sa han. "Men huruvida den produktivitetsökningen varar och är permanent, kan vara en funktion av om du har [tillräckligt] kväve . Så om kvävet är begränsat kan det vara så att en växt helt enkelt inte kan använda den extra CO₂ och dess produktivitetsökning kan vara kortvarig."

Träd absorberar för närvarande ungefär en tredjedel av människan orsakad CO₂ utsläpp, men deras förmåga att fortsätta göra detta beror på hur mycket kväve som är tillgängligt för dem. Om kvävet är begränsat, är fördelen med ökad CO₂ kommer att vara begränsad också.

Tidigare forskning om kvävefixering, baserad på mätningar av frilevande bakterier, hade förutspått att fixeringsprocessen fungerar snabbast vid 25°C, och att när temperaturen stiger över 25°C skulle fixeringshastigheten gå ner. I en värmande värld skulle detta ha inneburit ett skenande scenario där kvävebindningen skulle minska när temperaturen steg, vilket resulterade i lägre växtproduktivitet. Växter skulle då ta bort mindre CO₂ från atmosfären vilket skulle orsaka ytterligare uppvärmning och mindre kvävefixering, och så vidare. Griffin och hans kollegor utvecklade ett instrument som gjorde det möjligt för dem att mäta kvävets temperaturrespons på de bakterier som bildade en association med växternas rötter, i motsats till på frilevande bakterier.

"Det vi fann med vårt nya instrument som tittade på helväxtsymbioser i tempererade och tropiska träd var att den optimala temperaturen för kvävefixering faktiskt var cirka 5°C högre än någon av dessa tidigare uppskattningar, och i vissa fall så mycket som 11 °C högre. Detta måste testas över ett stort antal växter, men om det håller betyder det att sannolikheten för att kvävefixeringen minskar är mycket lägre än vi trodde, vilket innebär att växterna skulle kunna förbli mer produktiva och förhindra skenscenariot ."

Stigande temperaturer

Griffins arbete fann också att temperaturresponsen av kvävefixering är oberoende av temperaturresponsen av fotosyntes, som involverar enzymer gjorda med kväve. Högre temperaturer kan göra dessa enzymer mindre effektiva. Rubisco är nyckelenzymet som hjälper till att omvandla koldioxid till kolhydrater i fotosyntesen, men när temperaturen går upp "slappnar det av" och formen på dess ficka som håller CO₂ blir mindre exakt. Följaktligen, en femtedel av tiden, slutar enzymet att fixera syre istället för koldioxid, vilket minskar effektiviteten av fotosyntesen och slöser växtens resurser. Med en ännu större temperaturökning kan Rubisco deaktivera helt. Eftersom växter reagerar på kvävegödselmedel genom att öka mängden Rubisco de har och växa mer, ger upptäckten att kvävefixering kan bibehållas vid högre temperaturer än man tidigare trott möjligheten att det skulle kunna kompensera för den minskande effektiviteten hos Rubisco vid högre temperaturer.

Stigande temperaturer gör också att växtsäsongerna blir längre och varmare. Eftersom växter kommer att växa mer och under en längre tid, kommer de faktiskt att använda mer vatten, vilket uppväger fördelarna med att delvis stänga sina stomata. I motsats till vad forskare trodde tidigare, kommer resultatet att bli torrare jordar och mindre avrinning som behövs för bäckar och floder. Detta kan också leda till mer lokal uppvärmning eftersom evapotranspiration - när växter släpper ut fukt i luften - håller luften svalare. Dessutom, när jorden är torr blir växterna stressade och absorberar inte så mycket CO₂ , vilket kan begränsa fotosyntesen. Forskare fann att även om växter absorberade överskott av kol för fotosyntes under ett vått år, kunde mängden inte kompensera för den minskade mängden CO₂ absorberas under ett tidigare torrt år.

Varmare vintrar och en längre växtsäsong hjälper också skadedjur, patogener och invasiva arter som skadar vegetationen. Under längre växtsäsonger kan fler generationer av skadedjur föröka sig eftersom varmare temperaturer påskyndar insekters livscykler och fler skadedjur och patogener överlever under varma vintrar. Stigande temperaturer driver också vissa insekter att invadera nya territorier, ibland med förödande effekter för de lokala växterna.

Högre temperaturer och ökad fuktighet gör också grödor mer sårbara. Ogräs, av vilka många trivs i värme och förhöjd CO₂ , orsakar redan cirka 34 procent av skördförlusterna; insekter orsakar 18 procent av förlusterna och sjukdomar 16 procent. Klimatförändringarna kommer sannolikt att förstärka dessa förluster.

Många grödor börjar uppleva stress vid temperaturer över 32° till 35°C, även om detta beror på grödans typ och vattentillgång. Modeller visar att varje grad av tillförd värme kan orsaka en förlust på 3 till 7 procent i skörden av vissa viktiga grödor, som majs och sojabönor.

Dessutom påskyndar en temperaturökning växtens livscykel så att när växten mognar snabbare har den mindre tid för fotosyntes, och ger följaktligen färre korn och mindre skördar.

Växter är också i rörelse som svar på värmande temperaturer. Arter som är anpassade till vissa klimatförhållanden rör sig gradvis norrut eller till högre höjder där det är svalare. Under de senaste decennierna har många nordamerikanska växter flyttat cirka 36 fot till högre höjder eller 10,5 miles till högre breddgrader vart tionde år. Den arktiska trädgränsen rör sig också 131 till 164 fot norrut mot polen varje år. Nya miljöer kan vara mindre gästvänliga för arterna som flyttar in i dem eftersom det kan bli mindre utrymme eller mer konkurrens om resurser. Vissa arter kanske inte har någonstans kvar att flytta och i slutändan kommer vissa arter att missgynnas av förändringarna medan andra kommer att gynnas.

Extremt väder

Klimatförändringarna kommer att medföra mer frekventa och allvarliga extrema väderhändelser, inklusive extrem nederbörd, vindstörningar, värmeböljor och torka. Extrema nederbördshändelser kan störa växternas tillväxt, särskilt i nyligen brända skogar, och göra växter mer sårbara för översvämningar och jordar för erosion. Mer frekvent kraftig vind kan stressa trädbestånd.

Klimatförändringar förväntas också medföra fler kombinerade värmeböljor och torka, vilket sannolikt skulle kompensera för eventuella fördelar från kolgödslingseffekten. Medan skördarna ofta minskar under varma växtsäsonger, kan kombinationen av värme och torrhet få majsskördarna att minska med 20 procent i vissa delar av USA och 40 procent i Östeuropa och sydöstra Afrika. Dessutom kan kombinationen av värme- och vattenbrist minska skördarna på platser som norra USA, Kanada och Ukraina, där skördarna förväntas öka på grund av varmare temperaturer.

Andra effekter av ökad CO₂

Medan vissa skördar kan öka, stigande CO₂ nivåerna påverkar nivån av viktiga näringsämnen i grödor. Med förhöjd CO₂ , minskade proteinkoncentrationerna i säd av vete, ris och korn och i potatisknölar med 10 till 15 procent i en studie. Grödor förlorar också viktiga mineraler inklusive kalcium, magnesium, fosfor, järn och zink. En studie från 2018 av rissorter fann att samtidigt förhöjda CO₂ koncentrationer ökade vitamin E, de resulterade i minskningar av vitamin B1, B2, B5 och B9.

Och, kontraintuitivt, CO₂ -En ökning av växternas tillväxt kan leda till mindre kollagring i marken. Ny forskning visade att växter måste dra mer näringsämnen från jorden för att hålla jämna steg med den ökade tillväxten som utlöses av kolgödsling. Detta stimulerar mikrobiell aktivitet, vilket slutar med att frigöra CO₂ in i atmosfären som annars skulle ha stannat kvar i jorden. Fynden utmanar den sedan länge hållna uppfattningen att när växter växer mer på grund av ökad CO₂ , skulle den ytterligare biomassan förvandlas till organiskt material och jordar skulle kunna öka sin kollagring.

Växter står inför en oviss framtid

Många av studierna av växtlivets reaktion på klimatförändringar verkar tyda på att de flesta växter kommer att vara mer stressade och mindre produktiva i framtiden. Men det finns fortfarande många okända om hur de komplexa interaktionerna mellan växternas fysiologi och beteende, tillgång på resurser och användning, skiftande växtsamhällen och andra faktorer kommer att påverka det övergripande växtlivet inför klimatförändringarna.