Liệu việc tăng hàm lượng CO2 có thực sự làm tăng sinh trưởng cây trồng?

Nhiều dự báo cho thấy đốt nhiên liệu hóa thạch và kết quả là biến đổi khí hậu sẽ làm cho việc cung cấp nguồn thức ăn cho con người trở nên khó khăn hơn trong những thập kỷ tới. Nhưng một số nhóm phản đối việc hạn chế phát thải vì cho rằng mức độ cao hơn của khí carbon dioxide (CO₂) sẽ thúc đẩy quá trình quang hợp và do đó tăng sản lượng lương thực.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science cho thấy dự đoán ảnh hưởng của việc tăng mức CO₂ lên sự phát triển của thực vật có thể phức tạp hơn những gì mong đợi.

Để hiểu những gì các nhà nghiên cứu đã phát hiện đòi hỏi một chút thông tin cơ bản về quang hợp. Đây là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng để cung cấp năng lượng cho việc chuyển đổi CO₂ thành các loại đường giúp thực vật tăng trưởng và cuối cùng cung cấp thức ăn. Thật không may, quá trình quang hợp vẫn xảy ra sai sót.

Các phân tử CO₂ và oxy có hình dạng tương tự và cơ chế then chốt để thu được CO₂ là nhờ một loại enzyme có tên RuBisCO, đôi khi nhầm lẫn phân tử oxy là CO₂. Đây không phải là vấn đề xảy ra lần đầu khi RuBisCO được phát hiện. Khoảng 30 triệu năm trước, nồng độ CO₂ trong bầu khí quyển đã giảm xuống dưới một phần ba so với hiện tại. Khi đó, thực vật bắt đầu nhầm lẫn khi cố gắng lấy các phân tử oxy một cách thường xuyên hơn. Ngày nay, đây thường là một lỗ hổng đáng kể đối với việc tạo năng lượng và nguồn tài nguyên của thực vật.

Khi khí hậu nóng hơn, enzyme RuBisCO trở nên dễ bị lỗi hơn. Nước cũng bốc hơi nhanh hơn, buộc thực vật phải thực hiện các biện pháp để tránh bị khô. Thật không may, việc ngăn chặn nước thoát ra khỏi lá đồng thời cũng ngăn chặn CO₂ xâm nhập vào và khi RuBisCO bị mất CO2, nó sẽ lãng phí ngày càng nhiều năng lượng của thực vật thay vào đó là việc sử dụng oxy. Ở 25°C, việc làm này có thể tiêu thụ một phần tư những gì thực vật sản xuất - và vấn đề trở nên khắc nghiệt hơn khi nhiệt độ tăng thêm.

Tuy nhiên, một số thực vật đã phát triển theo cách khắc phục vấn đề trên bằng cách bơm CO₂ vào các tế bào nơi RuBisCO được định vị xảy ra quang hợp tăng áp. Chúng được gọi là cây C4, trái ngược với các cây C3 bình thường không thể làm được điều này. Cây C4 hoạt động hiệu quả hơn nhiều, đặc biệt trong điều kiện nóng và khô. Chúng đã thống trị các đồng cỏ nhiệt đới của trái đất từ ​​5 đến 10 triệu năm trước, có lẽ bởi vì điều kiện khí hậu trở nên khô hơn vào thời điểm đó và hiệu quả sử dụng nước của cây C4 cao hơn.

Bắp và mía là những cây C4 trong khi hầu hết cây trồng không phải là C4, một dự án do Quỹ Bill và Melinda Gates tài trợ đang tìm cách cải thiện năng suất lúa bằng cách bổ sung một cách máy móc cách thức C4 vào cây lúa.

Hầu hết các mô hình về sinh trưởng và năng suất cây trồng bị ảnh hưởng bởi CO₂ được giải phóng bằng cách đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, và giả định có thể hoạt động tốt hơn trên cây C3. Trong khi đó, RuBisCO ở cây C4 đã nhận  đủ CO₂ và do đó việc tăng CO2 sẽ ít ảnh hưởng đến chúng. Điều này đã được lý giải từ các nghiên cứu trước đây.

Tờ Science mới nhất báo cáo dữ liệu từ một dự án đã so sánh cây C3 và C4 trong 20 năm qua. Phát hiện của họ là đáng ngạc nhiên. Trong mười năm đầu tiên, cây C3 phát triển trong đìều kiện thừa CO2 đã phát triển tốt hơn – trong khi đó kết quả ngược lại với cây C4. Tuy nhiên, trong thập kỷ thứ hai, quá trình diễn ra ngược lại, ở mức CO2 cao hơn cây C3 sinh ra sinh khối ít hơn so với cây C4.

Kết quả này có thể giải thích là do thời gian, cây C3 nhận ít nitơ sẵn có cung cấp cho quá trình tăng trưởng hơn cây C4. Vì vậy, hiệu quả không chỉ do bản thân thực vật mà còn do sự tương tác của chúng với hóa học đất và hệ vi khuẩn trong đất.

Những kết quả này cho thấy nồng độ CO₂ ảnh hưởng đến hệ sinh thái đã được thiết lập có thể phức tạp và khó dự đoán hơn. Khi CO₂ trong khí quyển tăng lên, cây C4 vùng nhiệt đới có thể hấp thụ nhiều cacbon hơn dự kiến, và ở hệ sinh thái rừng, chủ yếu là C3, có thể hấp thụ carbon ít hơn, nhưng quan trọng nhất có thể phụ thuộc vào điều kiện địa phương.

Tác động đến thực phẩm

Điều này có ý nghĩa gì đối với việc sản xuất thực phẩm. Những kết quả nghiên cứu này thực hiện trên cây cỏ, loại thực vật tồn tại và tăng trưởng hàng năm. Nhưng đối với cây ngũ cốc, là "cây hàng năm", sẽ chết sau một mùa và được trồng lại.

Kết quả là, chúng không có cơ hội để xây dựng các tương tác với đất, chính điều này đã thúc đẩy tăng trưởng của cây C4 trong thí nghiệm. Chúng tôi không thể mong đợi rằng vấn đề an ninh lương thực sẽ được giải quyết bởi việc tăng năng suất cây đáp ứng với CO₂ như trong thí nghiệm. Tương tự như vậy, sự suy giảm sinh khồi ở cây C3 trong thí nghiệm không xảy ra trên thực tế đối với cây hàng năm C3.

Nhưng, như chúng ta biết, cây C3 thải nhiều năng lượng hơn ở nhiệt độ cao, vì vậy bất kỳ sự gia tăng quang hợp nào từ mức tăng CO₂ dường như bị hủy bỏ ít nhất do tác động của sự nóng lên toàn cầu mà nó gây ra, đặc biệt với sự thay đổi khí hậu hạn hán thường xuyên hơn. Các giải pháp dường như được cho là tối ưu khi hiện tại cho rằng CO₂ nâng cao sản lượng cây trồng sẽ nuôi sống thế giới.