CO2施肥効果

CO ₂施肥効果または炭素施肥効果は、植物の光合成速度の増加を引き起こし、葉の蒸散を制限します。両方のプロセスは、大気中の二酸化炭素（CO ₂ ）レベルの上昇によって発生します。^{[2] [3]} 炭素施肥効果は、植物の種類、気温と土壌温度、水と栄養素の利用可能性によって異なります。^{[4] [5]}純一次生産性（NPP）は、炭素施肥効果に正に反応する可能性があります。^{[6]ただし、CO} ₂施肥による植物の光合成速度の向上は、すべての植物の成長、ひいては炭素貯蔵を直接促進するわけではないという証拠があります。^[4]炭素施肥効果は、2000年代以降の総一次生産性（GPP）の増加の44％の原因であると報告されています。 ^[1]地球システムモデル、陸地システムモデル、動的全球植生モデルは、大気中のCO ₂レベルの上昇に関連する植生の傾向を調査および解釈するために使用されます。^{[4] [7]}しかし、_CO2の施肥効果に関連する生態系のプロセスは依然として不確実であり、モデル化することは困難である。^{[8] [9]}

陸上生態系は大気中のCO2濃度を低下させ_、気候変動の影響を部分的に緩和してきました。^[10]植物による炭素施肥効果への反応は、大気中のCO2に対する人為的影響の増加により、次の世紀にわたって大気中のCO2濃度を大幅に低下させる可能性は低いです_。 [ ₃ ] ^{[ 4] [11] [12]地球の植生は、主に大気中の}_CO2レベルの上昇により、1980年代初頭以来、顕著な緑化を示しています。 [ ^{13 ] [14 ] [15] [16] [17]}

理論的には、熱帯地方が_炭素施肥効果により最大の吸収量を示すと予測されているが、これは観測されていない。CO2施肥によるCO2吸収_量は、森林が気候変動にどのように反応するか、森林が森林伐採から保護されているかどうかにも依存する。^[18]

大気中の二酸化炭素の変化は、例えば小麦のタンパク質やミネラルの減少など、一部の作物の栄養価を低下させる可能性があります。 ^{[19] : 439  [20]一般的な食用作物では、}タンパク質、鉄分、亜鉛の含有量が3～17％ 減少する可能性があります。 ^[21]

植物は光合成によって、大気中の_{二酸化炭素}、地中からの水、太陽のエネルギーを利用して、成長と燃料として使われる糖を作り出します。^[22]これらの糖を燃料として使用すると炭素が大気中に放出されますが（光呼吸）、成長によって炭素は植物の物理的構造（葉、木材、非木質の茎など）に蓄えられます。^[23]地球上の炭素の約19％が植物に蓄えられており、^[24]植物の成長は、大気中ではなく地中に炭素を蓄える上で重要な役割を果たしています。炭素貯蔵の文脈では、植物の成長はしばしばバイオマス生産性と呼ばれます。^{[23] [25] [26]}この用語が使用されるのは、研究者がさまざまな植物群落の成長をバイオマス、つまり含まれる炭素の量で比較するためです。

バイオマス生産性の向上は、植物に貯蔵される炭素量を直接的に増加させます。^[23]また、研究者は炭素貯蔵に興味を持っているため、個々の植物または生態系のどこにバイオマスが最も多く存在するかに興味を持っています。植物はまず、生存のために利用可能な資源を使用し、寿命の短い葉や細根などの最も重要な組織の成長と維持をサポートします。^[27]利用可能な資源が増えると、植物はより永続的だがそれほど必要ではない木材などの組織を成長させることができます。^[27]

植物の周囲の空気の二酸化炭素濃度が高ければ、植物はよりよく成長し、より多くの炭素を貯蔵できる可能性があり^[28]、また、木材などのより永続的な構造物に炭素を貯蔵することもできます。^[23]これはいくつかの異なる理由で発生することが証明されています。まず、炭素や光の利用可能性によって制限されていた植物は、より高い炭素濃度の恩恵を受けます。^[29]もう1つの理由は、気孔コンダクタンスが低下するため、植物はより効率的に水を利用できることです。^[30]より高いCO2濃度にさらされている植物は、_糖と栄養素の取引において菌根菌から栄養素をより多く得ることから恩恵を受ける可能性があります。 ^[31]同じ相互作用により、菌根菌によって土壌に貯蔵される炭素の量も増加する可能性があります。^[32]

2002年から2014年にかけて、植物はオーバードライブ状態になり、以前よりも多くの二酸化炭素_を大気から吸収し始めたようです。^{[33]その結果、大気中の}_{二酸化炭素}の蓄積率は、以前は温室効果ガス排出量の増加と連動して大幅に増加していたにもかかわらず、この期間中は増加しませんでした。^[33]

1993年に行われた温室科学研究のレビューでは、二酸化炭素濃度が₂倍になると、156種の植物の成長が平均37%促進されることが判明した。反応は種によって大きく異なり、一部の種では成長が大幅に促進され、少数では成長が阻害された。例えば、1979年の温室研究では、二酸化炭素濃度が2倍になると_、 40日齢の綿花の乾燥重量は2倍になったが、30日齢のトウモロコシの乾燥重量はわずか20%しか増加しなかった。^{[34] [35]}

温室研究に加えて、野外および衛星測定により、より自然な環境での CO2 増加の影響を理解しようと試みられています。自由大気二酸化炭素濃縮 (FACE) 実験では_、植物を圃場で栽培し、周囲の空気の CO2 濃度を人工的に高めます。これらの実験では、通常、温室研究よりも低い CO2 レベルを使用します_。温室研究よりも成長の増加が少なく、増加率は研究対象の種に大きく依存します。2005 年に 475～600 ppm で行われた 12 の実験のレビューでは、作物の収穫量が平均 17% 増加し、マメ科植物は一般に他の種よりも大きな反応を示し、C4 植物は一般に反応が小さいことが示されました。このレビューでは、実験には独自の限界があることも述べられています。研究対象の CO2_レベルは低く、ほとんどの実験は温帯地域で実施されました。^[36]衛星測定では、過去35年間で地球上の植生面積の25％から50％の葉面積指数が増加していることが判明し（つまり、地球の緑化）、CO2の施肥効果がプラスであることを示す証拠が得られた_。 [ ^{37] [38]}

環境に応じて、C ₃植物やC ₄植物などの主要な「機能型」の植物、または多かれ少なかれ木本性種の間では、大気中の CO _{2の上昇に対する反応が異なり、それによってこれらのグループ間の競争が変化する可能性があります。} ^{[39] [40]} CO ₂の増加は、植物の葉の炭素：窒素比の増加や葉の化学組成の他の側面の増加にもつながり、草食動物の栄養が変化する可能性があります。^{[41]研究によると、CO} ₂濃度が 2 倍になると、C3 植物では光合成が増加しますが、C4 植物では増加しません。^{[42]ただし、C} _{4植物は C 3}植物よりも干ばつに耐えられることも示されています。^[43]

_CO2濃縮の効果は、温室で最も簡単に得ることができます(温室 § 農業用二酸化炭素濃縮を参照)。しかし、実験では、温室では交絡因子が多すぎるため、得られた結果は疑わしいものとなるでしょう。屋外チャンバーも同様に疑わしく、たとえば、これらの CO2 濃縮実験で確認されたミネラル濃度の低下は、根系に課せられた制約によるものだとする批判もあります_。現在の最先端技術は、CO2 を野外に直接放出する FACE 法です_。 [ ^44]それでも、世界のある地域での FACE の結果が他の地域にも当てはまるかどうかは疑問です。^[45]

ORNLは森林内の_CO2濃度を周囲濃度以上に上昇させるFACE実験を実施した。^[46]これらの実験では以下の結果が示された。^[47]

• _CO2の増加により根の生産が増加し、土壌炭素が増加します。
• 純一次生産性は当初増加したが、持続しなかった。
• _CO2が増加した森林区画では窒素利用可能性の低下が速まります。
• 植物群集構造の変化はあるものの、微生物群集構造の変化は最小限にとどまっている。^[48]
• _{二酸化炭素濃度}を高めても、ある地域の葉の収容力や葉面積指数を大幅に増加させることはできない。 ^[48]

FACE実験は地球全体を代表していないと批判されている。これらの実験は地球全体に外挿することを意図したものではない。同様の実験はブラジルのアマゾン熱帯雨林など他の地域でも行われている。^[45]

デューク大学は、テーダマツの植林地に高濃度の二酸化炭素を_投与する研究を行った。^[49]研究では、確かに松がより速く、より強く成長したことが示された。また、北方でテーダマツの成長を制限する要因である氷雨による被害もより少なかった。森林は乾燥した年には比較的よく成長した。仮説では、松の成長を制限する要因は窒素などの栄養素であり、南東部の松林の多くで窒素が不足している。しかし、乾燥した年には、水が制限要因であるため、木はよりゆっくりと成長するため、これらの要因にぶつかることはない。雨が豊富だと、木はその場所の栄養素の限界に達し、余分な二酸化炭素は_有益ではない。南東部地域のほとんどの森林土壌は、窒素、リン、微量ミネラルが不足している。松林は、綿、トウモロコシ、タバコの栽培に使用されていた土地にあることが多い。これらの作物はもともと浅く不毛な土壌を枯渇させたため、樹木農家は土壌を改善する努力をしなければなりません。

大気中の二酸化炭素濃度の変化により、一部の作物の栄養価が低下する可能性があり、例えば小麦ではタンパク質や一部のミネラルの含有量が減少する。^{[52] : 439  [53]} C3植物（小麦、オート麦、米など） の栄養価は特にリスクが高く、タンパク質だけでなくミネラル（亜鉛や鉄など）の含有量も低下すると予想される。^{[54] : 1379}食用作物では、一般的な食用作物のタンパク質、鉄、亜鉛含有量が3～17％減少する可能性があります。 ^[55]これは、2050年に予想される大気中の二酸化炭素濃度下で栽培された食品の予測結果です。国連食糧農業機関やその他の公的情報源からのデータを使用して、著者らは小麦、米、トウモロコシ、野菜、根菜類、果物など225種類の主食を分析しました。^[56]

大気中の二酸化炭素濃度の上昇が植物の栄養価に与える影響は、上記の作物の種類や栄養素だけに限りません。2014年のメタ分析では、さまざまな緯度で二酸化炭素濃度の上昇にさらされた作物や野生植物は、マグネシウム、鉄、亜鉛、カリウムなどのいくつかのミネラルの密度が低いことが示されています。^[50]

自由大気濃度増加法を用いた研究では、_CO2の増加により作物や非作物植物の微量栄養素の濃度が低下し、人間の栄養に悪影響を与えることも示されています。 ^{[57] [50]}これには米のビタミンBの減少が含まれます。^{[58] [59]これは、同じ量のタンパク質を得るために草食動物がより多くの食物を食べる必要があるため、}生態系の他の部分に連鎖反応を起こす可能性があります。^[60]

経験的証拠によれば、二酸化炭素濃度の上昇は_植物組織中の多くのミネラルの濃度低下をもたらす。二酸化炭素濃度が倍増すると_、ミネラル濃度は平均で8%低下する。^[50]作物中のマグネシウム、カルシウム、カリウム、鉄、亜鉛などのミネラルの減少は、人間の栄養の質を悪化させる可能性がある。研究者らは、21世紀後半に予想される二酸化炭素濃度により、小麦、米、エンドウ豆、大豆中の亜鉛、鉄、タンパク質の濃度が低下する可能性が高いと報告している_。国民が亜鉛や鉄の60%以上をこれらの作物から摂取している国には、約20億人が住んでいる。これらの栄養素の欠乏により、すでに年間6,300万年の寿命が失われていると推定されている。^{[61] [62]}

_{ミネラルの減少に加え、二酸化炭素濃度が2}倍になると 、植物に含まれる炭素は6%増加し、窒素は15%減少し、リンは9%減少し、硫黄は9%減少することが実証されている。炭素の増加は主に、植物の構造的役割を持たない炭水化物、つまり人間が消化できるカロリー源のデンプンと単糖によるものである。窒素の減少は、タンパク質含有量の減少に直接つながる。その結果、二酸化炭素濃度が上昇すると、_植物の微量栄養素だけでなく、主要栄養素の組み合わせの質も低下する。^[50]

• 気候変動による農業への影響

• 4. CO2施肥効果：バイオマスと種子収量としての炭水化物生産と保持の増加
• CO2施肥