Американские экологи разрешили парадокс Пыльного котла — увеличение биомассы C3-растений во время масштабных засух 1930 годов на Великих равнинах. Эксперимент показал, что, вопреки ожиданиям, они переносят нехватку влаги в летние месяцы лучше, чем C4-растения, которые традиционно считаются более устойчивыми к засухам. В статье для журнала Proceedings of the National Academy of Sciences авторы отмечают, что результаты исследования помогут лучше прогнозировать ответ экосистем на антропогенные изменения климата.
В 1930 годах Великие равнины в США и Канаде пережили серию катастрофических пылевых бурь, которые получили собирательное название «Пыльный котел». Их причиной считается комбинация жаркой погоды и масштабных засух с эрозией почвы, вызванной неустойчивым ведением сельского хозяйства, в частности, перевыпасом скота. Пыльный котел совпал по времени с Великой депрессией и вынудил многих фермеров покинуть насиженные места. Последствия экологической катастрофы отражены во многих произведениях искусства, например, в романе Джона Стейнбека «Гроздья гнева».
Засухи и эрозия повлияли не только на людей, которые жили на Великих равнинах, но и на местные экосистемы. Экологи по горячим следам зафиксировали быструю реакцию растительных сообществ в центральной части региона, включая сокращение биомассы и изменения видового состава.
Специалисты первой половины XX века еще не знали, что растения используют два основных вида фотосинтеза: стандартный С3 и более эффективный С4. Считается, что С4-растения лучше приспособлены к высоким температурам и нехватке воды. Логично предположить, что они получили преимущество во времена Пыльного котла. Однако в реальности популяции C4-растений, которые доминировали на Великих равнинах до начала засух, сократились, зато произошла неожиданная экспансия С3-растений, включая виды из северных регионов, приспособленные к более прохладному климату. Особенного успеха добилась трава Pascopyron smithii. Вернуться к первоначальному состоянию экосистемы смогли лишь спустя 20 лет.
Этот парадокс остается неразрешенным до сих пор. Чтобы разобраться в нем, команда исследователей во главе с Аланом Кнаппом (Alan K. Knappa) из Университета штата Колорадо провела четырехлетний эксперимент на двух естественных пастбищах. Первое из них располагалось в Канзасе, в центре Пыльного котла 1930 годов, а второе — в Вайоминге, на его северной окраине. На канзасском пастбище доминировали C4-растения, а на вайомингском — С3. P. smithii рос на обоих участках.
На каждом пастбище авторы заложили по 30 экспериментальных площадок, которые изолировали от окружающих почв. Чтобы сымитировать засуху, они с помощью специальных щитов примерно наполовину уменьшили количество влаги, выпадающей на участки. Ученые попытались тщательно воспроизвести изменения в объеме осадков, характерные для Пыльного котла, поэтому сильнее всего сократили их объем в летние месяцы, а слабее всего — в весенние.
В отличие от равнин в эпоху Пыльного котла, экспериментальные площадки не подвергались воздействию экстремальных температур, перевыпасу и осаждению пыли. Однако изменения режима осадков оказалось достаточно, чтобы сдвинуть экологическое равновесие. Как и в 1930 годы, искусственная засуха привела к увеличению доли C3-растений на обоих пастбищах. Например, первичная продукция P. smithii за первые три года эксперимента выросла в пять раз. С3-растения оказались намного менее чувствительными к экспериментальной засухе, чем С4-растения, биомасса которых сократилась в среднем на 40 процентов.
Авторы предположили, что С3- и С4-растения предпочитают разные климатические режимы. Первые приспособлены к относительно сухому лету и выпадению осадков в прохладные периоды года, а вторые — к дождливым летним месяцам. Проанализировав данные об осадках в центральной части США с 1895 по 2017 годы, исследователи нашли подтверждение своей идее. Оказалось, что на пастбищах в регионах, где летние месяцы самые влажные, доминируют С4-растения, а там, где выпадение осадков происходит в прохладные периоды года, преобладают C3-растения.
Вероятно, гибель С4-растений из-за сокращения летних осадков позволила менее чувствительным к этому фактору С3-видам получить доступ к дополнительной влаге и питательным веществам как в эксперименте, так и в реальных условиях Пылевого котла. Интересно, что на контрольном участке за четыре года также стало выпадать меньше летних дождей, в результате чего доля C4-растений уменьшилась и на них.
Авторы подчеркивают, что результаты эксперимента нельзя было предсказать, основываясь на традиционных представлениях о физиологии С3- и С4-растений. Ключевым фактором, который определяет их выживаемость во время засух, оказалась вовсе не устойчивость к нехватке влаги, а приспособленность к определенным режимам осадков.
Исследователи надеются, что их выводы не только помогут реконструировать процессы в Пыльном котле, но и позволят точнее прогнозировать реакцию травянистых экосистем на глобальные изменения климата, которые будут сопровождаться увеличением частоты засух.
В последние годы масштабные засухи возвращаются в Северную Америку. Как показало недавнее исследование годичных колец деревьев из штата Миссури, нехватка влаги, которая наблюдалась здесь на рубеже XX и XXI веков, стала самой разрушительной за последние 1200 лет, превзойдя даже засухи времен Пыльного котла. Ее причиной специалисты называют антропогенные изменения климата.
Сергей Коленов
Крюки должны утянуть на дно смертельно опасные для вакит сети — но экологи уже раскритиковали идею