Cómo afectará el cambio climático a las plantas


Los seres humanos necesitamos plantas para nuestra supervivencia. Todo lo que comemos consiste en plantas o animales que dependen de las plantas en algún lugar de la cadena alimenticia. 


por Renee Cho, State of Planet – Universidad de Columbia


Las plantas también forman la columna vertebral de los ecosistemas naturales y absorben alrededor del 30 por ciento de todo el dióxido de carbono emitido por los humanos cada año. Pero a medida que empeoran los impactos del cambio climático, ¿cómo afectan los niveles más altos de CO 2 en la atmósfera y las temperaturas más cálidas al mundo vegetal?

El CO 2 aumenta la productividad de la planta

Las plantas usan la luz solar, el dióxido de carbono de la atmósfera y el agua para la fotosíntesis para producir oxígeno y carbohidratos que las plantas usan para obtener energía y crecer.

El aumento de los niveles de CO 2 en la atmósfera impulsa un aumento en la fotosíntesis de las plantas, un efecto conocido como efecto de fertilización con carbono. Una nueva investigación ha encontrado que entre 1982 y 2020, la fotosíntesis global de las plantas creció un 12 por ciento, rastreando los niveles de CO 2 en la atmósfera a medida que aumentaron un 17 por ciento. La gran mayoría de este aumento en la fotosíntesis se debió a la fertilización con dióxido de carbono.

El aumento de la fotosíntesis da como resultado un mayor crecimiento en algunas plantas. Los científicos han descubierto que, en respuesta a los niveles elevados de CO 2 , el crecimiento de las plantas sobre el suelo aumentó un promedio del 21 por ciento, mientras que el crecimiento subterráneo aumentó un 28 por ciento. Como resultado, se espera que algunos cultivos como el trigo, el arroz y la soja se beneficien del aumento de CO 2 con un aumento en los rendimientos del 12 al 14 por ciento. Sin embargo, el crecimiento de algunas gramíneas tropicales y subtropicales y varios cultivos importantes, incluidos el maíz, la caña de azúcar, el sorgo y el mijo, no se ven tan afectados por el aumento de CO 2 .

Bajo concentraciones elevadas de CO 2 , las plantas usan menos agua durante la fotosíntesis. Las plantas tienen aberturas llamadas estomas que permiten la absorción de CO 2 y la liberación de humedad a la atmósfera. Cuando los niveles de CO 2 aumentan, las plantas pueden mantener una alta tasa de fotosíntesis y cerrar parcialmente sus estomas, lo que puede disminuir la pérdida de agua de una planta entre un 5 y un 20 por ciento. Los científicos han especulado que esto podría resultar en que las plantas liberen menos agua a la atmósfera, manteniendo así más agua en la tierra, en el suelo y en los arroyos.

Pero otros factores cuentan

Los niveles elevados de CO 2 del cambio climático pueden permitir que las plantas se beneficien del efecto de la fertilización con carbono y usen menos agua para crecer, pero no todo son buenas noticias para las plantas. Es más complicado que eso, porque el cambio climático también está afectando otros factores críticos para el crecimiento de las plantas, como los nutrientes, la temperatura y el agua.

Cómo afectará el cambio climático a las plantas
Nódulos fijadores de nitrógeno. Crédito: Foto: Foxy Tigre

Limitaciones de nitrógen

Los investigadores que estudiaron cientos de especies de plantas entre 1980 y 2017 descubrieron que la mayoría de los ecosistemas terrestres no fertilizados se están volviendo deficientes en nutrientes, particularmente en nitrógeno. Atribuyeron esta disminución de nutrientes a los cambios globales, incluido el aumento de las temperaturas y los niveles de CO2 .

El nitrógeno es el elemento más abundante en la Tierra y constituye aproximadamente el 80 por ciento de la atmósfera. Es un elemento esencial en el ADN y el ARN y las plantas lo necesitan para producir carbohidratos y proteínas para el crecimiento. Sin embargo, las plantas no pueden usar el nitrógeno gaseoso que se encuentra en la atmósfera porque tiene dos átomos de nitrógeno triplemente unidos entre sí con tanta fuerza que son difíciles de descomponer en una forma que las plantas puedan usar. Los rayos tienen suficiente energía para romper el triple enlace, un proceso llamado fijación de nitrógeno . El nitrógeno también se fija en el proceso industrial que produce fertilizante.

Pero la mayor parte de la fijación de nitrógeno ocurre en el suelo, donde ciertos tipos de bacterias se adhieren a las raíces de las plantas, como las leguminosas. Las bacterias obtienen carbono de la planta y, en un intercambio simbiótico, fijan el nitrógeno, combinándolo con oxígeno o hidrógeno en compuestos que las plantas pueden usar.

Kevin Griffin, profesor del Departamento de Ecología, Evolución y Biología Ambiental de la Universidad de Columbia y del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty, explicó que la mayoría de los seres vivos tienen una proporción relativamente fija entre el carbono y el nitrógeno. Esto significa que si las plantas absorben más CO 2 para crear carbohidratos porque hay más CO 2 en la atmósfera, la cantidad de nitrógeno en las hojas puede diluirse y la productividad de una planta depende de tener suficiente nitrógeno. «Si aumentas el CO 2alrededor de una hoja o alrededor de la planta o alrededor de la parcela del bosque, por lo general la productividad aumenta», dijo. «Pero si ese aumento en la productividad dura o no y es permanente, puede depender de si tiene [suficiente] nitrógeno . Entonces, si el nitrógeno es limitado, podría ser que una planta simplemente no pueda usar ese CO2 adicional y su aumento en la productividad puede ser de corta duración».

Actualmente, los árboles absorben alrededor de un tercio de las emisiones de CO2 causadas por el hombre , pero su capacidad para seguir haciéndolo depende de la cantidad de nitrógeno disponible para ellos. Si se limita el nitrógeno, el beneficio del aumento de CO 2 también se verá limitado.

Investigaciones anteriores sobre la fijación de nitrógeno, basadas en mediciones de bacterias de vida libre, predijeron que el proceso de fijación funciona más rápido a 25 °C y que a medida que las temperaturas superan los 25 °C, la tasa de fijación disminuiría. En un mundo en calentamiento, esto habría significado un escenario descontrolado en el que la fijación de nitrógeno disminuiría a medida que aumentaran las temperaturas, lo que resultaría en una menor productividad de las plantas. Las plantas eliminarían entonces menos CO 2 de la atmósfera, lo que provocaría un mayor calentamiento y una menor fijación de nitrógeno, y así sucesivamente. Griffin y sus colegas desarrollaron un instrumento que les permitió medir la respuesta de temperatura del nitrógeno en las bacterias que formaron una asociación con las raíces de las plantas, a diferencia de las bacterias de vida libre.

«Lo que encontramos con nuestro nuevo instrumento al observar la simbiosis de toda la planta en árboles templados y tropicales fue que la temperatura óptima para la fijación de nitrógeno era en realidad unos 5 °C más alta que cualquiera de estas estimaciones anteriores y, en algunos casos, hasta 11 ° C más alto. Esto debe probarse en una gran cantidad de plantas, pero si se mantiene, significa que la probabilidad de que la fijación de nitrógeno disminuya es mucho menor de lo que pensábamos, lo que significa que las plantas podrían seguir siendo más productivas y evitar el escenario fuera de control. .»

Cómo afectará el cambio climático a las plantas
El gusano cogollero es una plaga crónica en el sureste de los Estados Unidos. Crédito: Foto: Centro Canadiense de Información sobre Biodiversidad

Temperaturas en aumento

El trabajo de Griffin también encontró que la respuesta de temperatura de la fijación de nitrógeno es independiente de la respuesta de temperatura de la fotosíntesis, que involucra enzimas hechas con nitrógeno. Las temperaturas más altas pueden hacer que estas enzimas sean menos eficientes. Rubisco es la enzima clave que ayuda a convertir el dióxido de carbono en carbohidratos en la fotosíntesis, pero a medida que aumentan las temperaturas, se «relaja» y la forma de su bolsillo que contiene el CO 2 se vuelve menos precisa. En consecuencia, una quinta parte del tiempo, la enzima acaba fijando oxígeno en lugar de dióxido de carbono ., reduciendo la eficiencia de la fotosíntesis y desperdiciando los recursos de la planta. Con un aumento de temperatura aún mayor, Rubisco puede desactivarse por completo. Dado que las plantas responden al fertilizante nitrogenado aumentando la cantidad de Rubisco que tienen y creciendo más, el hallazgo de que la fijación de nitrógeno puede mantenerse a temperaturas más altas de lo que se pensaba anteriormente ofrece la posibilidad de que podría compensar la disminución de la eficiencia de Rubisco a temperaturas más altas.

El aumento de las temperaturas también está provocando que las temporadas de cultivo sean más largas y cálidas. Debido a que las plantas crecerán más y por más tiempo, en realidad usarán más agua, contrarrestando los beneficios de cerrar parcialmente sus estomas. Al contrario de lo que los científicos creían en el pasado, el resultado serán suelos más secos y menos escorrentía de la que se necesita para los arroyos y ríos. Esto también podría conducir a un mayor calentamiento local ya que la evapotranspiración, cuando las plantas liberan humedad en el aire, mantiene el aire más fresco. Además, cuando los suelos están secos, las plantas se estresan y no absorben tanto CO 2 , lo que podría limitar la fotosíntesis. Los científicos descubrieron que incluso si las plantas absorbieran el exceso de carbono para la fotosíntesis durante un año húmedo, la cantidad no podría compensar la cantidad reducida de CO 2absorbido durante un año seco anterior.

Los inviernos más cálidos y una temporada de crecimiento más larga también ayudan a las plagas, los patógenos y las especies invasoras que dañan la vegetación. Durante temporadas de crecimiento más largas, más generaciones de plagas pueden reproducirse a medida que las temperaturas más cálidas aceleran los ciclos de vida de los insectos y más plagas y patógenos sobreviven durante los inviernos cálidos. El aumento de las temperaturas también está impulsando a algunos insectos a invadir nuevos territorios , a veces con efectos devastadores para las plantas locales.

Las temperaturas más altas y el aumento de la humedad también hacen que los cultivos sean más vulnerables. Las malas hierbas, muchas de las cuales prosperan con calor y niveles elevados de CO 2 , ya causan alrededor del 34 por ciento de las pérdidas de cultivos; los insectos causan el 18 por ciento de las pérdidas y las enfermedades el 16 por ciento. El cambio climático probablemente magnificará estas pérdidas.

Muchos cultivos comienzan a experimentar estrés a temperaturas superiores a 32° a 35°C, aunque esto depende del tipo de cultivo y la disponibilidad de agua. Los modelos muestran que cada grado de calor agregado puede causar una pérdida del 3 al 7 por ciento en los rendimientos de algunos cultivos importantes, como el maíz y la soya.

Además, un aumento en la temperatura acelera el ciclo de vida de la planta, de modo que, a medida que la planta madura más rápidamente, tiene menos tiempo para la fotosíntesis y, en consecuencia, produce menos granos y menor rendimiento.

Las plantas también están en movimiento en respuesta al aumento de las temperaturas. Las especies que se adaptan a ciertas condiciones climáticas se están moviendo gradualmente hacia el norte o hacia elevaciones más altas donde hace más frío. En las últimas décadas, muchas plantas de América del Norte se han movido aproximadamente 36 pies a elevaciones más altas o 10,5 millas a latitudes más altas cada 10 años. La línea de árboles del Ártico también se mueve de 131 a 164 pies hacia el norte hacia el polo cada año. Los nuevos entornos pueden ser menos hospitalarios para las especies que se mudan a ellos, ya que puede haber menos espacio o más competencia por los recursos. Es posible que algunas especies no tengan adónde moverse y, en última instancia, ciertas especies se verán perjudicadas por los cambios, mientras que otras se beneficiarán.

Cómo afectará el cambio climático a las plantas
Los suelos pueden almacenar menos carbono a medida que las plantas extraen más nutrientes del suelo. Crédito: Foto: CupcakePerson13

Clima extremo

El cambio climático traerá eventos climáticos extremos más frecuentes y severos, que incluyen precipitaciones extremas, perturbaciones del viento, olas de calor y sequía. Las precipitaciones extremas pueden perturbar el crecimiento de las plantas, particularmente en los bosques quemados recientemente, y hacer que las plantas sean más vulnerables a las inundaciones y los suelos a la erosión. Los vientos fuertes más frecuentes pueden estresar las masas de árboles.

También se espera que el cambio climático traiga más olas de calor y sequías combinadas , lo que probablemente compensaría cualquier beneficio del efecto de fertilización con carbono. Si bien los rendimientos de los cultivos a menudo disminuyen durante las estaciones cálidas, la combinación de calor y sequía podría hacer que los rendimientos del maíz caigan un 20 por ciento en algunas partes de los EE. UU. y un 40 por ciento en Europa del Este y el sureste de África. Además, la combinación de escasez de calor y agua puede reducir el rendimiento de los cultivos en lugares como el norte de EE. UU., Canadá y Ucrania, donde se prevé que aumente el rendimiento de los cultivos debido a las temperaturas más cálidas.

Otros efectos del aumento de CO 2

Si bien el rendimiento de algunos cultivos puede aumentar, el aumento de los niveles de CO 2 afecta el nivel de nutrientes importantes en los cultivos. Con niveles elevados de CO 2 , las concentraciones de proteínas en los granos de trigo, arroz y cebada y en los tubérculos de patata disminuyeron entre un 10 y un 15 % en un estudio . Los cultivos también pierden minerales importantes como calcio, magnesio, fósforo, hierro y zinc. Un estudio de 2018 sobre variedades de arroz encontró que, si bien las concentraciones elevadas de CO 2 aumentaban la vitamina E, provocaban disminuciones en las vitaminas B1, B2, B5 y B9.

Y, en contra de la intuición, el aumento del crecimiento de las plantas impulsado por el CO 2 puede resultar en un menor almacenamiento de carbono en el suelo. Investigaciones recientes encontraron que las plantas tienen que extraer más nutrientes del suelo para mantenerse al día con el crecimiento adicional provocado por la fertilización con carbono. Esto estimula la actividad microbiana, que acaba liberando CO 2 a la atmósfera que, de otro modo, podría haberse quedado en el suelo. Los hallazgos desafían la creencia de larga data de que a medida que las plantas crecen más debido al aumento de CO 2 , la biomasa adicional se convertiría en materia orgánica y los suelos podrían aumentar su almacenamiento de carbono.

Las plantas se enfrentan a un futuro incierto

Muchos de los estudios sobre la respuesta de la vida vegetal al cambio climático parecen sugerir que la mayoría de las plantas estarán más estresadas y serán menos productivas en el futuro. Pero todavía hay muchas incógnitas sobre cómo las complejas interacciones entre la fisiología y el comportamiento de las plantas, la disponibilidad y el uso de los recursos, las comunidades vegetales cambiantes y otros factores afectarán la vida vegetal en general frente al cambio climático.



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