Atmosphärisches Kohlendioxid (CO2) Konzentrationen werden voraussichtlich bis 550 2050 ppm erreichen. Die erhöhten CO2 Es wird prognostiziert, dass die Konzentrationen die photosynthetische Kohlenstofffixierung erhöhen, die Pflanzenatmung verringern und zu mehr Blattwachstum und Ernteerträgen führen. Wie genau sich die Erträge voraussichtlich ändern werden, hängt von zahlreichen physiologischen Faktoren, der Baumstruktur und Umweltfaktoren ab.
Drs Qingfeng-Lied und Xin-Guang Zhu mit zwei Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der University of Illinois at Urbana-Champaign und der Lancaster University integrierte ein 3D-Canopy-Photosynthesemodell mit früheren experimentellen Daten von Sojabohnen, die unter Umgebungsbedingungen und erhöhtem CO angebaut wurden2 für eine ganze Vegetationsperiode. Das mathematische Modell ermöglichte es den Forschern, den Beitrag verschiedener Akklimatisierungsreaktionen (z. B. Überdachungsarchitektur, Licht, Photosynthese) zu analysieren und stellte fest, dass Sojabohnenblätter unter erhöhtem CO 1.1- bis 1.9-mal größer wurden2 und 17.2 % des gesamten Pflanzen-CO2 Die Aufnahme war auf die Baumkronenstruktur zurückzuführen.
Die Forscher verwendeten frühere Messungen aus dem SoyFACE (Freiluft-CO2-Anreicherung) Anlage an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, wo Sojabohnen bei Umgebungstemperatur (370 ppm) und erhöhtem (550 ppm) CO angebaut wurden2 Bedingungen. Forscher berichteten eine 15%ige Steigerung der Sojabohnenerträge bei 550 ppm, und es wurde vermutet, dass der Anstieg des Ernteertrags und der Biomasse einem Anstieg des Gesamt-CO zugeschrieben wird2 Aufnahme des gesamten Blätterdachs (dh Bruttoprimärproduktivität; GPP).
Song und Kollegen verwendet a Sonnenbeschienenes, schattiertes Canopy-Photosynthesemodell, Blätter in einem Baldachin dynamisch in sonnenbeschienene und schattige Gruppen einteilen und die Lichtumgebung von Sojabohnenpflanzen für 267 Tage (gesamte Vegetationsperiode) in 3-Tages-Intervallen simulieren. Das ziemlich komplexe mathematische Modell entwirrte die Umweltreaktionen (z. B. Temperatur, Licht, CO2 Konzentration) von C3 Blatt Photosynthese. Um nur einige Parameter zu nennen, bestand das enthaltene Modell aus der Berechnung der Stomata-Leitfähigkeit, der Blatttemperatur, der maximalen Carboxylierungsrate unter Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP) und CO2 Sättigung, Blattflächenindex, Blattstickstoffgehalt in verschiedenen Schichten des Blätterdachs, interzelluläre CO2-Konzentration in Blättern und potenzielle photosynthetische Elektronentransportrate.
Die Blattgröße war 1.1- bis 1.9-mal größer, die Blattlänge und -breite stieg um 10–90 % für verschiedene Blätter und die Internodienabstände nahmen um 6 % unter erhöhtem CO zu2 von Sojapflanzen. Der CO2 „Düngungseffekt“ erklärte 76.7 % des GPP (d. h. Gesamt-CO2 Aufnahme der gesamten Überdachung), gefolgt von der Überdachungsarchitektur (17.2 %). Die Modellierung zeigte, dass es einen synergetischen Effekt von CO gab2 und Licht auf GPP, das an bewölkten und hellen sonnigen Tagen in verschiedenen Entwicklungsstadien zu unterschiedlichen GPP führte.
„Diese Studie stellt einen neuen integrativen Rahmen vor, der ein explizites 3-D-Sojabohnen-Architekturmodell mit einem Raytracing-Algorithmus und einem Blatt-Photosynthesemodell koppelt, um die photosynthetische Reaktion des gesamten Blätterdachs unter verschiedenen Umgebungen zu berechnen“, schrieben Song und Kollegen.
„[A]Unter der Annahme eines festen Wurzel-Spross-Verhältnisses und eines festen Anteils an Dunkelatmung sagte das Modell eine Zunahme der oberirdischen Biomasse um 21.4 % voraus, wenn [CO2] von 370 auf 550 ppm.“
Die meisten Unterschiede wurden in frühen Entwicklungsstadien gefunden, und sonnige oder bewölkte Tage haben einen großen Einfluss auf das Gesamt-CO der Pflanze2 Aufnahme.
„Der LAI [Blattflächenindex] erhöhte sich um etwa 19 % unter erhöhtem [CO2], was zu einer Zunahme der gesamten Kappenatmung führte; der Blattstickstoffgehalt auf Basis der Blattfläche nimmt jedoch um durchschnittlich 3.9 % in Kulturen unter erhöhten [CO2] als Ergebnis der Rubisco-Akklimatisierung“, fügten Song und Kollegen hinzu.
Dieses neue Modell ermöglicht es Wissenschaftlern, das Wachstum von Sojabohnen bei einem Klimawandel in einigen Jahrzehnten besser zu verstehen und vorherzusagen. Während Pflanzen unter einem erhöhten CO schneller wachsen oder größer werden können2 Umwelt, Ernte Nährwerte können sinken.
