Искусственная засуха помогла экологам разрешить парадокс Пыльного котла

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