Noi esseri umani abbiamo bisogno di piante per la nostra sopravvivenza. Tutto ciò che mangiamo è costituito da piante o animali che dipendono dalle piante da qualche parte lungo la catena alimentare. Le piante costituiscono anche la spina dorsale degli ecosistemi naturali e assorbono circa il 30 percento di tutta l'anidride carbonica emessa dall'uomo ogni anno. Ma con l'aggravarsi degli impatti dei cambiamenti climatici, come sono i livelli più elevati di CO₂ nell'atmosfera e temperature più calde che interessano il mondo vegetale?

CO₂ aumenta la produttività dell'impianto

Le piante utilizzano la luce solare, l'anidride carbonica dall'atmosfera e l'acqua per la fotosintesi per produrre ossigeno e carboidrati che le piante usano per l'energia e la crescita.

Livelli crescenti di CO₂ nell'atmosfera determinano un aumento della fotosintesi delle piante, un effetto noto come effetto di fertilizzazione del carbonio. Una nuova ricerca ha rilevato che tra il 1982 e il 2020 la fotosintesi globale delle piante è cresciuta del 12%, monitorando la CO₂ i livelli nell'atmosfera sono aumentati del 17%. La stragrande maggioranza di questo aumento della fotosintesi era dovuta alla fertilizzazione con anidride carbonica.

L'aumento della fotosintesi si traduce in una maggiore crescita in alcune piante. Gli scienziati hanno scoperto che in risposta a CO₂ elevati livelli, la crescita delle piante fuori terra è aumentata in media del 21%, mentre la crescita delle piante sotterranee è aumentata del 28%. Di conseguenza, si prevede che alcune colture come frumento, riso e soia beneficeranno dell'aumento di CO₂ con un aumento dei rendimenti dal 12 al 14 per cento. La crescita di alcune graminacee tropicali e subtropicali e di diverse colture importanti, tra cui mais, canna da zucchero, sorgo e miglio, tuttavia, non sono influenzate dall'aumento di CO₂ .

Sotto CO₂ elevata concentrazioni, le piante utilizzano meno acqua durante la fotosintesi. Le piante hanno aperture chiamate stomi che consentono CO₂ da assorbire e l'umidità da rilasciare nell'atmosfera. Quando CO₂ i livelli aumentano, le piante possono mantenere un alto tasso di fotosintesi e chiudere parzialmente i loro stomi, il che può ridurre la perdita d'acqua di una pianta tra il 5 e il 20%. Gli scienziati hanno ipotizzato che ciò potrebbe far sì che le piante rilascino meno acqua nell'atmosfera, mantenendone così di più sulla terra, nel suolo e nei corsi d'acqua.

Ma altri fattori contano

Livelli elevati di CO₂ dal cambiamento climatico può consentire alle piante di beneficiare dell'effetto di fertilizzazione del carbonio e di utilizzare meno acqua per crescere, ma non è solo una buona notizia per le piante. È più complicato di così, perché i cambiamenti climatici influiscono anche su altri fattori critici per la crescita delle piante, come i nutrienti, la temperatura e l'acqua.

Limiti dell'azoto

I ricercatori che hanno studiato centinaia di specie vegetali tra il 1980 e il 2017 hanno scoperto che la maggior parte degli ecosistemi terrestri non fertilizzati stanno diventando carenti di nutrienti, in particolare di azoto. Hanno attribuito questa diminuzione dei nutrienti ai cambiamenti globali, tra cui l'aumento delle temperature e CO₂ livelli.

L'azoto è l'elemento più abbondante sulla Terra, costituendo circa l'80 per cento dell'atmosfera. È un elemento essenziale nel DNA e nell'RNA ed è necessario alle piante per produrre carboidrati e proteine ​​per la crescita. Tuttavia, le piante non possono utilizzare l'azoto gassoso che si trova nell'atmosfera perché ha due atomi di azoto tripli legati insieme così strettamente che sono difficili da rompere in una forma che le piante possono usare. Il fulmine ha abbastanza energia per rompere il triplo legame, un processo chiamato fissazione dell'azoto. L'azoto viene fissato anche nel processo industriale che produce fertilizzanti.

Ma la maggior parte della fissazione dell'azoto si verifica nel terreno, dove alcuni tipi di batteri si attaccano alle radici delle piante, come i legumi. I batteri ottengono carbonio dalla pianta e, in uno scambio simbiotico, fissano l'azoto, combinandolo con ossigeno o idrogeno in composti che le piante possono utilizzare.

Kevin Griffin, professore presso il Dipartimento di Ecologia, Evoluzione e Biologia Ambientale della Columbia University e il Lamont-Doherty Earth Observatory, ha spiegato che la maggior parte degli esseri viventi ha un rapporto relativamente fisso tra carbonio e azoto. Ciò significa che se le piante assorbono più CO₂ per creare carboidrati perché c'è più CO₂ nell'atmosfera, la quantità di azoto nelle foglie può essere diluita e la produttività di una pianta dipende dall'avere abbastanza azoto. "Se aumenti il ​​CO₂ intorno a una foglia o intorno alla pianta o intorno all'appezzamento di foresta, di solito la produttività aumenta", ha detto. "Ma se quell'aumento di produttività dura o è permanente, può dipendere dal fatto che tu abbia [abbastanza] azoto . Quindi, se l'azoto è limitato, potrebbe essere che una pianta non possa utilizzare quella CO₂ in più e il suo aumento di produttività può essere di breve durata."

Gli alberi attualmente assorbono circa un terzo della CO₂ causata dall'uomo emissioni, ma la loro capacità di continuare a farlo dipende dalla quantità di azoto a loro disposizione. Se l'azoto è limitato, il vantaggio di un aumento della CO₂ sarà limitato.

Ricerche precedenti sulla fissazione dell'azoto, basate su misurazioni di batteri a vita libera, avevano previsto che il processo di fissazione funziona più velocemente a 25°C e che quando le temperature sono aumentate al di sopra dei 25°C, il tasso di fissazione sarebbe diminuito. In un mondo in fase di riscaldamento, ciò avrebbe significato uno scenario incontrollato in cui la fissazione dell'azoto sarebbe diminuita all'aumentare delle temperature, con conseguente minore produttività dell'impianto. Le piante rimuoverebbero quindi meno CO₂ dall'atmosfera che provocherebbe un ulteriore riscaldamento e una minore fissazione dell'azoto, e così via. Griffin e i suoi colleghi hanno sviluppato uno strumento che ha permesso loro di misurare la risposta termica dell'azoto sui batteri che formavano un'associazione con le radici delle piante, al contrario dei batteri a vita libera.

"Quello che abbiamo scoperto con il nostro nuovo strumento, osservando le simbiosi di piante intere negli alberi temperati e tropicali, è che la temperatura ottimale per la fissazione dell'azoto era in realtà di circa 5°C superiore a qualsiasi di queste stime precedenti, e in alcuni casi fino a 11 ° C in più. Questo deve essere testato su un numero enorme di piante, ma se regge, significa che la probabilità che la fissazione dell'azoto diminuisca è molto più bassa di quanto pensassimo, il che significa che le piante potrebbero rimanere più produttive e prevenire lo scenario di fuga ."

Temperature in aumento

Il lavoro di Griffin ha anche scoperto che la risposta alla temperatura della fissazione dell'azoto è indipendente dalla risposta alla temperatura della fotosintesi, che coinvolge gli enzimi prodotti con l'azoto. Temperature più elevate possono rendere questi enzimi meno efficienti. Il rubisco è l'enzima chiave che aiuta a trasformare l'anidride carbonica in carboidrati nella fotosintesi, ma quando le temperature salgono, si "rilassa" e la forma della sua tasca che contiene la CO₂ diventa meno preciso. Di conseguenza, un quinto delle volte, l'enzima finisce per fissare l'ossigeno invece dell'anidride carbonica, riducendo l'efficienza della fotosintesi e sprecando le risorse della pianta. Con un aumento della temperatura ancora maggiore, Rubisco può disattivarsi completamente. Poiché le piante rispondono al fertilizzante azotato aumentando la quantità di Rubisco che hanno e crescendo di più, la scoperta che la fissazione dell'azoto può essere sostenuta a temperature più elevate di quanto si pensasse in precedenza offre la possibilità che possa compensare la diminuzione dell'efficienza di Rubisco a temperature più elevate.

L'aumento delle temperature sta anche facendo sì che le stagioni di crescita diventino più lunghe e più calde. Poiché le piante cresceranno di più e per un tempo più lungo, utilizzeranno effettivamente più acqua, compensando i benefici della chiusura parziale degli stomi. Contrariamente a quanto credevano gli scienziati in passato, il risultato saranno suoli più asciutti e meno ruscellamenti necessari per corsi d'acqua e fiumi. Ciò potrebbe anche portare a un riscaldamento più locale poiché l'evapotraspirazione, quando le piante rilasciano umidità nell'aria, mantiene l'aria più fresca. Inoltre, quando i terreni sono asciutti, le piante si stressano e non assorbono tanta CO₂ , che potrebbe limitare la fotosintesi. Gli scienziati hanno scoperto che anche se le piante hanno assorbito il carbonio in eccesso per la fotosintesi durante un anno piovoso, la quantità non potrebbe compensare la quantità ridotta di CO₂ assorbito durante un precedente anno secco.

Inverni più caldi e una stagione di crescita più lunga aiutano anche i parassiti, gli agenti patogeni e le specie invasive che danneggiano la vegetazione. Durante le stagioni di crescita più lunghe, più generazioni di parassiti possono riprodursi poiché le temperature più calde accelerano i cicli di vita degli insetti e più parassiti e agenti patogeni sopravvivono durante gli inverni caldi. L'aumento delle temperature sta anche spingendo alcuni insetti a invadere nuovi territori, con effetti a volte devastanti per le piante locali.

Temperature più elevate e un aumento dell'umidità rendono anche le colture più vulnerabili. Erbacce, molte delle quali prosperano in calore ed elevate CO₂ , causa già circa il 34% delle perdite di raccolto; gli insetti causano il 18% delle perdite e le malattie il 16%. Il cambiamento climatico probabilmente amplificherà queste perdite.

Molte colture iniziano a subire stress a temperature comprese tra 32° e 35°C, sebbene ciò dipenda dal tipo di coltura e dalla disponibilità di acqua. I modelli mostrano che ogni grado di calore aggiunto può causare una perdita dal 3 al 7% dei raccolti di alcune colture importanti, come mais e soia.

Inoltre, un aumento della temperatura accelera il ciclo di vita della pianta in modo che, quando la pianta matura più rapidamente, ha meno tempo per la fotosintesi e di conseguenza produce meno grani e rese inferiori.

Le piante sono anche in movimento in risposta al riscaldamento delle temperature. Le specie che si adattano a determinate condizioni climatiche si stanno gradualmente spostando verso nord o verso quote più elevate dove fa più fresco. Negli ultimi decenni, molte piante nordamericane si sono spostate di circa 36 piedi ad altitudini più elevate o 10,5 miglia a latitudini più elevate ogni 10 anni. Anche la linea degli alberi artici si sposta ogni anno da 131 a 164 piedi verso nord verso il polo. I nuovi ambienti potrebbero essere meno ospitali per le specie che vi si spostano in quanto potrebbero esserci meno spazio o maggiore competizione per le risorse. Alcune specie potrebbero non avere più un posto dove spostarsi e, alla fine, alcune specie saranno svantaggiate dai cambiamenti mentre altre ne trarranno vantaggio.

Tempo estremo

Il cambiamento climatico porterà eventi meteorologici estremi più frequenti e gravi, tra cui precipitazioni estreme, perturbazione del vento, ondate di calore e siccità. Eventi di precipitazioni estreme possono disturbare la crescita delle piante, in particolare nelle foreste recentemente bruciate, e rendere le piante più vulnerabili alle inondazioni e il suolo all'erosione. Venti forti più frequenti possono stressare i popolamenti degli alberi.

Si prevede inoltre che il cambiamento climatico porterà più ondate di calore e siccità combinate, che probabilmente compenserebbero qualsiasi beneficio derivante dall'effetto di fertilizzazione del carbonio. Mentre i raccolti spesso diminuiscono durante le stagioni di crescita calde, la combinazione di caldo e siccità potrebbe causare un calo dei raccolti di mais del 20% in alcune parti degli Stati Uniti e del 40% nell'Europa orientale e nell'Africa sudorientale. Inoltre, la combinazione di scarsità di calore e acqua può ridurre i raccolti in luoghi come gli Stati Uniti settentrionali, il Canada e l'Ucraina, dove si prevede che i raccolti aumenteranno a causa delle temperature più calde.

Altri effetti dell'aumento di CO₂

Mentre alcuni raccolti possono aumentare, CO₂ in aumento i livelli influenzano il livello di importanti nutrienti nelle colture. Con CO₂ elevata , le concentrazioni proteiche nei chicchi di grano, riso e orzo e nei tuberi di patata sono diminuite del 10-15% in uno studio. Le colture perdono anche importanti minerali tra cui calcio, magnesio, fosforo, ferro e zinco. Uno studio del 2018 sulle varietà di riso ha rilevato che mentre è elevato il CO₂ concentrazioni aumentate di vitamina E, hanno comportato diminuzioni delle vitamine B1, B2, B5 e B9.

E, controintuitivamente, il CO₂ -l'aumento della crescita delle piante alimentato può comportare un minore accumulo di carbonio nel suolo. Ricerche recenti hanno scoperto che le piante devono trarre più nutrienti dal suolo per stare al passo con la crescita aggiuntiva innescata dalla fertilizzazione del carbonio. Questo stimola l'attività microbica, che finisce per rilasciare CO₂ nell'atmosfera che altrimenti sarebbe rimasta nel suolo. I risultati mettono in discussione la convinzione di vecchia data secondo cui man mano che le piante crescono di più a causa dell'aumento di CO₂ , la biomassa aggiuntiva si trasformerebbe in materia organica e i suoli potrebbero aumentare il loro stoccaggio di carbonio.

Gli impianti devono affrontare un futuro incerto

Molti degli studi sulla risposta della vita vegetale ai cambiamenti climatici sembrano suggerire che la maggior parte delle piante sarà più stressata e meno produttiva in futuro. Ma ci sono ancora molte incognite su come le complesse interazioni tra la fisiologia e il comportamento delle piante, la disponibilità e l'uso delle risorse, lo spostamento delle comunità vegetali e altri fattori influenzeranno la vita complessiva delle piante di fronte al cambiamento climatico.