Штучна посуха допомогла екологам дозволити парадокс Пильного котла

Американські екологи дозволили парадокс Пильного котла - збільшення біомаси C3-рослин під час масштабних засух 1930 років на Великих рівнинах. Експеримент показав, що, всупереч очікуванням, вони переносять брак вологи в літні місяці краще, ніж C4-рослини, які традиційно вважаються більш стійкими до посух. У статті для журналу автори зазначають, що результати дослідження допоможуть краще прогнозувати відповідь екосистем на антропогенні зміни клімату.

У 1930 роках Великі рівнини в США і Канаді пережили серію катастрофічних пилових буревіїв, які отримали збірну назву «Пиловий котел». Їх причиною вважається комбінація спекотної погоди і масштабних посух з ерозією ґрунту, викликаної нестійким веденням сільського господарства, зокрема, перевипасом худоби. Пиловий котел збігся в часі з Великою депресією і змусив багатьох фермерів покинути насиджені місця. Наслідки екологічної катастрофи відображено в багатьох творах мистецтва, наприклад, у романі Джона Стейнбека «Гроздья гнева».

Посухи та ерозія вплинули не тільки на людей, які жили на Великих рівнинах, а й на місцеві екосистеми. Екологи по гарячих слідах зафіксували швидку реакцію рослинних спільнот у центральній частині регіону, включаючи скорочення біомаси та зміни видового складу.

Фахівці першої половини XX століття ще не знали, що рослини використовують два основних види фотосинтезу: стандартний С3 і більш ефективний С4. Вважається, що С4-рослини краще пристосовані до високих температур і нестачі води. Логічно припустити, що вони отримали перевагу за часів Пильного котла. Однак у реальності популяції C4-рослин, які домінували на Великих рівнинах до початку посух, скоротилися, зате сталася несподівана експансія С3-рослин, включаючи види з північних регіонів, пристосовані до більш прохолодного клімату. Особливого успіху домоглася трава. Повернутися до початкового стану екосистеми змогли лише через 20 років.

Цей парадокс залишається недозволеним досі. Щоб розібратися в ньому, команда дослідників на чолі з Аланом Кнаппом (Alan K. Knappa) з Університету штату Колорадо провела чотирирічний експеримент на двох природних пасовищах. Перше з них розташовувалося в Канзасі, в центрі Пильного котла 1930 років, а друге - у Вайомінгу, на його північній околиці. На канзаському пасовищі домінували C4-рослини, а на вайомінгському - С3. зростав на обох ділянках.

На кожному пасовищі автори заклали по 30 експериментальних майданчиків, які ізолювали від навколишніх ґрунтів. Щоб зімітувати посуху, вони за допомогою спеціальних щитів приблизно наполовину зменшили кількість вологи, що випадає на ділянки. Вчені спробували ретельно відтворити зміни в обсязі опадів, характерні для Пильного котла, тому найсильніше скоротили їх обсяг у літні місяці, а найслабше - у весняні.

На відміну від рівнин в епоху Пильного котла, експериментальні майданчики не піддавалися впливу екстремальних температур, перевипасу і облозі пилу. Однак зміни режиму опадів виявилося достатньо, щоб зрушити екологічну рівновагу. Як і в 1930 роки, штучна посуха призвела до збільшення частки C3-рослин на обох пасовищах. Наприклад, первинна продукція за перші три роки експерименту зросла в п'ять разів. С3-рослини виявилися набагато менш чутливими до експериментальної посухи, ніж С4-рослини, біомаса яких скоротилася в середньому на 40 відсотків.

Автори припустили, що С3- і С4-рослини віддають перевагу різним кліматичним режимам. Перші пристосовані до відносно сухого літа і випадання опадів у прохолодні періоди року, а другі - до дощових літніх місяців. Проаналізувавши дані про опади в центральній частині США з 1895 по 2017 роки, дослідники знайшли підтвердження своєї ідеї. Виявилося, що на пасовищах у регіонах, де літні місяці найбільш вологі, домінують С4-рослини, а там, де випадання опадів відбувається в прохолодні періоди року, переважають C3-рослини.

Ймовірно, загибель С4-рослин через скорочення літніх опадів дозволила менш чутливим до цього фактору С3-видам отримати доступ до додаткової вологи і поживних речовин як в експерименті, так і в реальних умовах Пилового котла. Цікаво, що на контрольній ділянці за чотири роки також стало випадати менше літніх дощів, в результаті чого частка C4-рослин зменшилася і на них.

Автори підкреслюють, що результати експерименту не можна було передбачити, ґрунтуючись на традиційних уявленнях про фізіологію С3- і С4-рослин. Ключовим фактором, який визначає їх виживаність під час посух, виявилася зовсім не стійкість до нестачі вологи, а пристосованість до певних режимів опадів.

Дослідники сподіваються, що їхні висновки не тільки допоможуть реконструювати процеси в Пильному котлі, але і дозволять точніше прогнозувати реакцію трав'янистих екосистем на глобальні зміни клімату, які будуть супроводжуватися збільшенням частоти посух.

В останні роки масштабні посухи повертаються в Північну Америку. Як показало недавнє дослідження річних кілець дерев зі штату Міссурі, нестача вологи, яка спостерігалася тут на рубежі XX і XXI століть, стала найбільш руйнівною за останні 1200 років, перевершивши навіть посухи часів Пильного котла. Її причиною фахівці називають антропогенні зміни клімату.