Wzrost roślin jest hamowany przez niedobory i nadmiar wody

Globalne ocieplenie jest kojarzona przede wszystkim ze wzrostem średniej temperatury powierzchni Ziemi, ale skutków zmiany klimatu jest więcej. Są to m.in. zmiany w cyklu hydrologicznym. Jaki to ma związek z roślinami? Jak każdy żywy organizm, potrzebują one odpowiednich warunków do życia, w tym kilku kluczowych czynników, takich jak odpowiedni zakres temperatury oraz dostępność wody. Często można spotkać się z opinią, że rosnące temperatury i większe stężenia CO₂ spowodują bujniejszy wzrost roślin oraz większe plony w naszej strefie klimatycznej. Jednak w argumentacji tej brakuje uwzględnienia jednego z podstawowych praw ekologii – prawa minimum Liebiga, które mówi, że to najtrudniej dostępny zasób ogranicza rozwój organizmu lub całej populacji. W przypadku roślin szczególnie istotną rolę gra tu woda.

Autorzy artykułu pt. „Observed increasing water constraint on vegetation growth over the last three decades” (Obserwowane nasilenie ograniczenia wzrostu roślin związanego z dostępnością wody w ciągu ostatnich trzech dekad), opublikowanego w czasopiśmie Nature Communications (Jiao i in., 2021) przeanalizowali wpływ dostępności wody na wzrost roślin w okresie 1982–2015. W badaniach wykorzystano technologie satelitarne, które dostarczyły informacji o szeregu wskaźników opisujących kondycję roślin. W publikacji skupiono się na trzech z nich: znormalizowanym różnicowym wskaźniku wegetacji NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) oraz dwóch wskaźnikach dotyczących suszy: scPDSI (self-calibrating Palmer Drought Severity – samo-kalibrującym wskaźniku suszy Palmera) oraz SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index – standaryzowanym klimatycznym bilansie wodnym informującym o różnicy pomiędzy opadem i parowaniem potencjalnym). Analiza objęła część półkuli północnej powyżej 30 równoleżnika.

Niedobór wody na południe od 50 równoleżnika, nadmiar na północ od niego

Analiza porównawcza pomiędzy wskaźnikiem kondycji roślin (NVDI), a wskaźnikami dotyczącymi suszy pokazała obszary, gdzie w ostatnich trzech dekadach dominował niedobór wody (czerwone – im intensywniejszy kolor tym niekorzystniej) lub jej nadmiar (niebieskie).

Na mapach na rys. 2 widać, że Polska znalazła się w większości w obszarze niedoborów wody. Mogliśmy to obserwować choćby w ostatnich latach, gdy na znacznym obszarze kraju co roku występowała susza rolnicza (zwana też glebową). Patrząc szerzej na półkulę północną obserwacje wskazują, że obszary niedoboru wody dominują pomiędzy 30°N a 50°N, czyli w regionach z klimatem umiarkowanym. Obszary nadmiaru wody występują z kolei na szerokościach powyżej 50°N – jednak na tych obszarach większa ilość wody nie zwiększa plonów, ponieważ występują tu inne czynniki limitujące: ilość promieniowania słonecznego i temperatury zimą.

Deficyt wody w sezonie wegetacyjnym

Dane pomiarowe wyraźnie wskazują na kurczenie się obszarów z nadmiarem wody i powiększanie się tych z niedoborem. Co więcej, powiększanie obszarów zagrożonych suszą następuje na przestrzeni całego okresu wegetacyjnego (kwiecień-październik).

Czasem zbyt mało wody, czasem zbyt dużo

Analiza danych z różnych okresów pokazuje obszary, które na zmianę (nie koniecznie regularnie) doświadczają zarówno niedoborów jak i nadmiarów wody. Najwięcej jest ich w okolicach równoleżnika 50°N, co widać na poniżej mapie.

W strefie tej znajduje się też Polska. W praktyce oznacza to możliwość naprzemiennego występowania okresów zbyt suchych i zbyt mokrych dla rozwoju roślin, co jeszcze bardziej utrudnia adaptację roślin do zmieniających się warunków termiczno-hydrologicznych będących efektem antropogenicznej zmiany klimatu. Przykład takiego przejścia od okresu względnie mokrego do suchego na terytorium Polski widzimy m.in. w okresie maj 2020 – czerwiec 2021 roku.

Kumulujące się konsekwencje kolejnych susz

Co więcej, coraz częstsze i intensywniejsze susze (SPEI03 poniżej wartości –1,28 i scPDSI poniżej wartości –1) powodują, że wskaźnik kondycji roślin (NVDI) ma coraz niższe wartości przy tej samej wartości wskaźnika suszy. Inaczej mówiąc: każda kolejna susza pogarsza warunki rozwoju roślin. Autorzy nie wyjaśniają przyczyn, bo nie jest to przedmiotem badań przedstawionych w publikacji, ale biorąc pod uwagę złożoność ekosystemów i sieć powiązań pomiędzy nimi, jest to zapewne w części spowodowane stopniową degradacją gleby w konsekwencji kolejnych susz, w tym zmianami składu gatunkowego mikroorganizmów w nich występujących. Sucha gleba jest bardziej narażona na erozję wietrzną i utratę składników odżywczych. Do tego dochodzą czynniki takie jak sposób uprawy ziemi, niewłaściwe stosowanie środków ochrony roślin i nawozów czy erozja wodna przy opadach nawalnych. W efekcie skutki każdej kolejnej suszy kumulują się, co niekorzystnie wpływa na rozwój roślin. Przy braku adekwatnych działań adaptacyjnych skutki suszy stają się coraz bardziej odczuwalne.

Większa ilość CO₂ nie pomaga

Oczekiwany przez niektórych bujniejszy rozwój roślin z powodu większego stężenia CO₂spowodowałby, że zależność pomiędzy wskaźnikiem kondycji roślin, a wskaźnikami opisującymi suszę byłby nieistotna lub niewielka. Jednak opisywane badania nie potwierdzają tej hipotezy. Przeciwnie, wskazują na coraz silniejszą zależność pomiędzy tymi wskaźnikami. Oznacza to, że potencjalny bujniejszy rozwój roślin wspomagany większą ilością CO₂ jest hamowany niewystarczającą ilością wody (oraz innymi czynnikami, jak np. wzrost stężenia troposferycznego O₃), które zgodnie z prawem minimum Liebiga stają się czynnikami limitującymi wzrost roślin w wielu regionach półkuli północnej.

Wpływ lokalnych warunków meteorologicznych

Ostatnim elementem badań było powiązanie zależności pomiędzy wskaźnikami NVDI i SPEI03 (lub scPDSI) ze wskaźnikami warunków meteorologicznych: temperaturą powietrza, opadami, promieniowaniem słonecznym i ilością CO₂ w atmosferze. Po przeanalizowaniu tych wszystkich danych autorzy pracy uzyskali informację, który z tych czterech wskaźników był dominującym czynnikiem wpływającym na rozwój roślin dla wcześniej wyznaczonych obszarów nadmiaru lub niedobory wody.

Wyniki wskazują, że dominującym czynnikiem wpływającym na rozwój roślin w obszarach o niedoborze wody wegetacyjnej było promieniowanie słoneczne (30% powierzchni) i opady (29% powierzchni), a w obszarach o nadmiarze wody wegetacyjnej dominujące były opady (30% powierzchni) i promieniowanie (27%). Oznacza to, że na prawie 60% powierzchni zarówno z nadmiarem jak i niedoborem wody, czynnikami najbardziej wpływającymi na rozwój roślin w okresie nadmiaru lub niedoboru wody są wielkość opadów i ilość promieniowania słonecznego, zaś temperatura i stężenie CO₂ w powietrzu mają mniejsze znaczenie – dominują w około 20% obszarów. Temperatura jest najważniejszym czynnikiem w obszarach, gdzie notuje się rosnącą częstotliwość ekstremalnie gorących dni, które powodują uszkodzenie komórek roślin, przez co w obszarach z nadmiarem wody w sezonie wegetacyjnym temperatura z czynnika stymulującego rozwój roślin staje się czynnikiem ich wzrost ograniczającym. Polska również znalazła się w obszarze, gdzie korelacja NDVI-SPEI03 jest zależna od opadów i promieniowania.

Susze szkodzą wzrostowi roślin, coraz bardziej

W podsumowaniu autorzy wskazują na wyraźną tendencję wzrostową wpływu ograniczonego dostępu do wody na rozwój roślin (stres wodny) na półkuli północnej w ostatnich 30 latach. Ponadto wraz z postępującym ociepleniem klimatu regiony z niedoborem wody będą obejmowały coraz większą powierzchnię lądów co spowoduje zmniejszenie absorpcji dwutlenku węgla przez roślinność w strefie pozatropikalnej, a co za tym idzie wzmocni w ten sposób sprzężenie zwrotne klimatyczno-węglowe.

Coraz większa wrażliwość roślin na suszę wraz z przewidywaną rosnącą częstotliwością i dotkliwością suszy oraz rosnącym ograniczeniem w dostępie do wody będę prawdopodobnie jednymi z głównych czynników powodujących zmianę lądowego pochłaniania dwutlenku węgla z tendencji wzrostowej do spadkowej, co jest kolejnym skutkiem postępującej antropogenicznej zmiany klimatu.

dr Sebastian Szklarek, autor bloga Świat Wody, ekohydrolog z Polskiej Akademii Nauk