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Efecto de la fertilización con CO2

Arriba: el grado en que el crecimiento de las plantas se beneficia del CO2 en diferentes áreas (rojo=impacto más positivo). Abajo: el impacto en los principales tipos de biomas terrestres : bosques latifoliados siempreverdes (EBF), otros bosques (OF), vegetación leñosa corta (SW), pastizales (GRA), tierras de cultivo (CRO), plantas con fijación de carbono C4 y total. [1]

El efecto de fertilización de CO 2 o efecto de fertilización de carbono causa un aumento en la tasa de fotosíntesis mientras limita la transpiración de las hojas en las plantas. Ambos procesos son resultado del aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ). [2] [3] El efecto de fertilización de carbono varía dependiendo de las especies de plantas, la temperatura del aire y del suelo, y la disponibilidad de agua y nutrientes. [4] [5] La productividad primaria neta (PPN) podría responder positivamente al efecto de fertilización de carbono. [6] Aunque, la evidencia muestra que las tasas mejoradas de fotosíntesis en las plantas debido a la fertilización de CO 2 no mejoran directamente todo el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, el almacenamiento de carbono. [4] Se ha informado que el efecto de fertilización de carbono es la causa del 44% del aumento de la productividad primaria bruta (PBP) desde la década de 2000. [1] Los modelos del sistema terrestre , los modelos del sistema terrestre y los modelos dinámicos de vegetación global se utilizan para investigar e interpretar las tendencias de la vegetación relacionadas con el aumento de los niveles de CO 2 atmosférico . [4] [7] Sin embargo, los procesos del ecosistema asociados con el efecto de fertilización de CO 2 siguen siendo inciertos y, por lo tanto, son difíciles de modelar. [8] [9]

Los ecosistemas terrestres han reducido las concentraciones atmosféricas de CO 2 y han mitigado parcialmente los efectos del cambio climático . [10] Es poco probable que la respuesta de las plantas al efecto de la fertilización del carbono reduzca significativamente la concentración atmosférica de CO 2 durante el próximo siglo debido a las crecientes influencias antropogénicas sobre el CO 2 atmosférico . [3] [4] [11] [12] Las tierras con vegetación de la Tierra han mostrado un reverdecimiento significativo desde principios de la década de 1980 [13] en gran parte debido al aumento de los niveles de CO 2 atmosférico . [14] [15] [16] [17]

La teoría predice que los trópicos tendrán la mayor absorción debido al efecto de la fertilización con carbono, pero esto no se ha observado. La cantidad de CO2 absorbido por la fertilización con CO2 también depende de cómo respondan los bosques al cambio climático y de si están protegidos de la deforestación . [18]

Los cambios en el dióxido de carbono atmosférico pueden reducir la calidad nutricional de algunos cultivos; por ejemplo, el trigo tiene menos proteínas y menos cantidad de algunos minerales. [19] : 439  [20] Los cultivos alimentarios podrían ver una reducción del contenido de proteínas , hierro y zinc en los cultivos alimentarios comunes de entre el 3 y el 17 %. [21]

Mecanismo

A través de la fotosíntesis , las plantas utilizan el CO2 de la atmósfera, el agua del suelo y la energía del sol para crear azúcares utilizados para el crecimiento y el combustible. [22] Mientras que el uso de estos azúcares como combustible libera carbono a la atmósfera ( fotorrespiración ), el crecimiento almacena carbono en las estructuras físicas de la planta (es decir, hojas, madera o tallos no leñosos). [23] Con aproximadamente el 19 por ciento del carbono de la Tierra almacenado en las plantas, [24] el crecimiento de las plantas juega un papel importante en el almacenamiento de carbono en el suelo en lugar de en la atmósfera. En el contexto del almacenamiento de carbono, el crecimiento de las plantas a menudo se denomina productividad de biomasa. [23] [25] [26] Este término se utiliza porque los investigadores comparan el crecimiento de diferentes comunidades de plantas por su biomasa, la cantidad de carbono que contienen.

El aumento de la productividad de la biomasa aumenta directamente la cantidad de carbono almacenado en las plantas. [23] Y como los investigadores están interesados ​​en el almacenamiento de carbono, les interesa saber dónde se encuentra la mayor parte de la biomasa en las plantas individuales o en un ecosistema. Las plantas utilizarán primero los recursos disponibles para sobrevivir y apoyar el crecimiento y el mantenimiento de los tejidos más importantes, como las hojas y las raíces finas, que tienen una vida corta. [27] Con más recursos disponibles, las plantas pueden desarrollar tejidos más permanentes, pero menos necesarios, como la madera. [27]

Si el aire que rodea a las plantas tiene una mayor concentración de dióxido de carbono, pueden crecer mejor y almacenar más carbono [28] y también almacenar carbono en estructuras más permanentes como la madera. [23] La evidencia ha demostrado que esto ocurre por varias razones diferentes. En primer lugar, las plantas que de otro modo estarían limitadas por la disponibilidad de carbono o luz se benefician de una mayor concentración de carbono. [29] Otra razón es que las plantas pueden usar el agua de manera más eficiente debido a la conductancia estomática reducida . [30] Las plantas que experimentan mayores concentraciones de CO2 pueden beneficiarse de una mayor capacidad para obtener nutrientes de los hongos micorrízicos en la transacción azúcar-nutrientes. [31] La misma interacción también puede aumentar la cantidad de carbono almacenado en el suelo por los hongos micorrízicos. [32]

Observaciones y tendencias

Entre 2002 y 2014, las plantas parecen haber alcanzado una velocidad de crecimiento acelerada, comenzando a extraer más CO2 del aire que antes. [33] El resultado fue que la tasa a la que el CO2 se acumula en la atmósfera no aumentó durante este período de tiempo, aunque anteriormente había crecido considerablemente en sintonía con las crecientes emisiones de gases de efecto invernadero. [33]

En 1993, una revisión de estudios científicos en invernaderos concluyó que duplicar la concentración de CO2 estimularía el crecimiento de 156 especies de plantas diferentes en un promedio del 37%. La respuesta varió significativamente según la especie: algunas mostraron ganancias mucho mayores y unas pocas mostraron pérdidas. Por ejemplo, un estudio en invernaderos de 1979 concluyó que con una concentración duplicada de CO2, el peso seco de las plantas de algodón de 40 días se duplicó, pero el peso seco de las plantas de maíz de 30 días aumentó solo un 20%. [34] [35]

Además de los estudios de invernadero, las mediciones de campo y por satélite intentan comprender el efecto del aumento de CO2 en entornos más naturales. En los experimentos de enriquecimiento de dióxido de carbono en aire libre (FACE, por sus siglas en inglés), las plantas se cultivan en parcelas de campo y la concentración de CO2 del aire circundante se eleva artificialmente. Estos experimentos generalmente utilizan niveles de CO2 más bajos que los estudios de invernadero. Muestran menores ganancias en el crecimiento que los estudios de invernadero, y las ganancias dependen en gran medida de las especies en estudio. Una revisión de 2005 de 12 experimentos a 475–600 ppm mostró una ganancia promedio del 17% en el rendimiento de los cultivos, con legumbres que generalmente muestran una mayor respuesta que otras especies y las plantas C4 que generalmente muestran menos. La revisión también afirmó que los experimentos tienen sus propias limitaciones. Los niveles de CO2 estudiados fueron más bajos y la mayoría de los experimentos se llevaron a cabo en regiones templadas. [36] Las mediciones satelitales detectaron un aumento del índice de área foliar del 25% al ​​50% del área vegetada de la Tierra durante los últimos 35 años (es decir, un reverdecimiento del planeta), lo que proporciona evidencia de un efecto positivo de fertilización con CO 2 . [37] [38]

Dependiendo del ambiente, existen respuestas diferenciales al CO2 atmosférico elevado entre los principales "tipos funcionales" de plantas, como las plantas C3 y C4 , o especies más o menos leñosas; lo que tiene el potencial, entre otras cosas, de alterar la competencia entre estos grupos. [39] [40] El aumento de CO2 también puede conducir a un aumento de las proporciones de carbono: nitrógeno en las hojas de las plantas o en otros aspectos de la química de las hojas, posiblemente cambiando la nutrición de los herbívoros . [41] Los estudios muestran que las concentraciones duplicadas de CO2 mostrarán un aumento en la fotosíntesis en las plantas C3 pero no en las plantas C4. [42] Sin embargo, también se muestra que las plantas C4 pueden persistir en la sequía mejor que las plantas C3 . [ 43]

Experimentación por enriquecimiento

Los efectos del enriquecimiento con CO2 se pueden obtener de forma más sencilla en un invernadero (véase Invernadero § Enriquecimiento con dióxido de carbono para su uso agrícola). Sin embargo, para la experimentación, los resultados obtenidos en un invernadero serían dudosos debido a que introduce demasiadas variables de confusión. Las cámaras al aire libre también han sido puestas en duda, y algunas críticas atribuyen, por ejemplo, una disminución en las concentraciones minerales encontradas en estos experimentos de enriquecimiento con CO2 a las limitaciones impuestas al sistema radicular. El estado actual de la técnica es la metodología FACE, en la que el CO2 se expulsa directamente en el campo abierto. [44] Incluso entonces, existen dudas sobre si los resultados de FACE en una parte del mundo se aplican a otra. [45]

CO en aire libre2Experimentos de enriquecimiento (FACE)

El ORNL realizó experimentos FACE en los que se aumentaron los niveles de CO2 por encima de los niveles ambientales en las masas forestales . [46] Estos experimentos mostraron: [47]

Los experimentos FACE han sido criticados por no ser representativos de todo el planeta. Estos experimentos no estaban pensados ​​para ser extrapolados a nivel mundial. Se están llevando a cabo experimentos similares en otras regiones, como en la selva amazónica de Brasil . [45]

Pinos

La Universidad de Duke realizó un estudio en el que dosificaron una plantación de pinos loblolly con niveles elevados de CO 2 . [49] Los estudios mostraron que los pinos efectivamente crecieron más rápido y más fuertes. También eran menos propensos a sufrir daños durante las tormentas de hielo, que es un factor que limita el crecimiento de los pinos loblolly más al norte. El bosque se comportó relativamente mejor durante los años secos. La hipótesis es que los factores limitantes en el crecimiento de los pinos son nutrientes como el nitrógeno, que es deficiente en gran parte de las tierras de pinos en el sureste. Sin embargo, en los años secos, los árboles no chocan con esos factores ya que crecen más lentamente porque el agua es el factor limitante. Cuando la lluvia es abundante, los árboles alcanzan los límites de los nutrientes del sitio y el CO 2 adicional no es beneficioso. La mayoría de los suelos forestales en la región sureste son deficientes en nitrógeno y fósforo, así como en oligoelementos . Los bosques de pinos a menudo se asientan en tierras que se utilizaron para algodón, maíz o tabaco. Dado que estos cultivos agotaron los suelos originalmente poco profundos e infértiles, los cultivadores de árboles deben trabajar para mejorar los suelos.

Impactos en la nutrición humana

Disminución promedio de la densidad de micronutrientes en una variedad de cultivos en concentraciones elevadas de CO2 , reconstruida a partir de múltiples estudios mediante un metanálisis . [50] La concentración elevada en esta figura, 689 ppm, es más del 50% mayor que los niveles actuales, pero se espera que se alcance en los escenarios de cambio climático de "rango medio", y se supere en el de altas emisiones. [51]

Los cambios en el dióxido de carbono atmosférico pueden reducir la calidad nutricional de algunos cultivos, por ejemplo, el trigo tiene menos proteínas y menos de algunos minerales. [52] : 439  [53] La calidad nutricional de las plantas C3 (por ejemplo, trigo, avena, arroz) está especialmente en riesgo: se esperan niveles más bajos de proteínas y minerales (por ejemplo, zinc y hierro). [54] : 1379  Los cultivos alimentarios podrían ver una reducción del contenido de proteínas , hierro y zinc en los cultivos alimentarios comunes del 3 al 17%. [55] Este es el resultado proyectado de los alimentos cultivados con los niveles de dióxido de carbono atmosférico esperados de 2050. Utilizando datos de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura , así como otras fuentes públicas, los autores analizaron 225 alimentos básicos diferentes, como trigo , arroz , maíz , verduras , raíces y frutas . [56]

El efecto del aumento de los niveles de dióxido de carbono atmosférico sobre la calidad nutricional de las plantas no se limita únicamente a las categorías de cultivos y nutrientes mencionados anteriormente. Un metaanálisis de 2014 ha demostrado que los cultivos y las plantas silvestres expuestos a niveles elevados de dióxido de carbono en diversas latitudes tienen una menor densidad de varios minerales como el magnesio, el hierro, el zinc y el potasio. [50]

Los estudios que utilizan el enriquecimiento de concentración en aire libre también han demostrado que los aumentos de CO2 conducen a concentraciones reducidas de micronutrientes en plantas cultivadas y no cultivadas, con consecuencias negativas para la nutrición humana, [57] [50] incluida la disminución de las vitaminas B en el arroz. [58] [59] Esto puede tener efectos secundarios en otras partes de los ecosistemas , ya que los herbívoros necesitarán comer más alimentos para obtener la misma cantidad de proteínas. [60]

La evidencia empírica muestra que el aumento de los niveles de CO2 da como resultado concentraciones más bajas de muchos minerales en los tejidos vegetales. Duplicar los niveles de CO2 da como resultado una disminución del 8%, en promedio, en la concentración de minerales. [50] La disminución de magnesio, calcio, potasio, hierro, zinc y otros minerales en los cultivos puede empeorar la calidad de la nutrición humana. Los investigadores informan que los niveles de CO2 esperados en la segunda mitad del siglo XXI probablemente reducirán los niveles de zinc, hierro y proteínas en el trigo, el arroz, los guisantes y la soja. Unos dos mil millones de personas viven en países donde los ciudadanos reciben más del 60 por ciento de su zinc o hierro de este tipo de cultivos. Las deficiencias de estos nutrientes ya causan una pérdida estimada de 63 millones de años de vida al año. [61] [62]

Junto con la disminución de los minerales, la evidencia muestra que las plantas contienen un 6% más de carbono, un 15% menos de nitrógeno, un 9% menos de fósforo y un 9% menos de azufre en condiciones de doble CO2 . El aumento del carbono se atribuye principalmente a los carbohidratos que no tienen un papel estructural en las plantas: el almidón y los azúcares simples, que son digeribles por los humanos y aportan calorías. La disminución del nitrógeno se traduce directamente en una disminución del contenido de proteínas. Como resultado, un mayor CO2 no solo reduce los micronutrientes de una planta, sino también la calidad de su combinación de macronutrientes. [50]

Véase también

Referencias

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