Kan värmande temperaturer och förhöjd atmosfärisk CO2 halter påverkar kvantiteten och kvaliteten på foder som används för att föda upp boskap? Det är frågan som David Augustine och hans forskarkollegor vid Agricultural Research Services Rangeland Resources and Systems Research Unit ville svara på. Deras resultat är en blandning av "goda nyheter" och "dåliga nyheter" tillsammans med några rekommendationer för hur betesbrukare kan anpassa sig för att förbli lönsamma i framtiden.
Studien
Prairie Heating and Carbon Dioxide Enrichment (PHACE) experimentet började 2006 som en titt på hur framtida miljöförhållanden kommer att påverka blandgräsprärien. Detta är det största kvarvarande gräsmarksekosystemet i Nordamerika och är avgörande för både jordbruksproduktivitet och bevarande av biologisk mångfald i västra USA.
En av de mest väldokumenterade förändringarna i atmosfären under de senaste hundra åren är ökningen av CO2 nivåer, som för närvarande har nått 410 ppm. Eftersom global CO2 nivåerna förutspås nå 600 ppm under de kommande 30 till 70 åren, Augustine och hans kollegor satte upp sin studie för att simulera den nivån av atmosfärisk CO2 , och de varmare temperaturerna som är förknippade med det (en ökning med 1,5°C under dagen och 3°C på natten).
Även om denna typ av studier kan göras i speciella kammare som höjer CO2 och temperatur, kan det finnas skillnader från växter som växer i naturliga miljöer. Så forskningen följde ett protokoll som tillåter att naturområden värms upp och behandlas med förhöjda koncentrationer av CO2 på fältet. Att göra något sådant här är ingen liten sak som dessa bilder från den pågående studien visar. Det inkluderar att gräva diken och installera flänsar för att isolera tomterna, sensorer för att kontinuerligt övervaka vatten, temperatur och CO2 nivåer och små kameror för att övervaka rottillväxt. Sedan för att säkerställa att växtligheten inte störs gjorde personalen all sin övervakning och insamling av foder medan de låg eller satt på plankor och plattformar ovanför tomterna.
De goda nyheterna – mer foder och effektivare vattenanvändning
Den goda nyheten är att, i allmänhet, som CO2 nivåerna i atmosfären ökar, så även växternas tillväxt. Tidigare experiment har faktiskt visat CO2 koncentrationer på 475–600 ppm ökar bladens fotosynteshastighet med i genomsnitt 40 % (Ainsworth &Rogers 2007).
I detta fall ökade foderproduktionen totalt med 38 %, även om fodrets artsammansättning förändrades. De tre dominerande gräsen (västerländskt vetegräs, barr- och trådgräs och blått gramagräs) minskade från 83,3 % av foderproduktionen 2007 till 67,5 % 2013. Tre andra foderarter fyllde i luckan (nålbladstarr, prärie-junegräs och skarvar. globemallow), ökade från 15,2 % av foderproduktionen 2007 till 24,8 % 2013.
Växter kan också bli mer effektiva vattenanvändare med förhöjd CO2 nivåer. Orsaken är strukturell. Växter öppnar sina stomata för att tillåta CO2 att komma in. Men öppna stomata är också en väg för vatten att lämna växten. Med förhöjd CO2 nivåer kan växter minska stomatala öppning, vilket minskar hur mycket vatten som kommer ut. Detta kan i sin tur få konsekvenser för hela ekosystems hydrologiska cykel, med markfuktighetsnivåer och avrinning som båda ökar under förhöjd CO2 (Leakey et al. 2009). Graden av denna förändring är ännu inte känd.
(För att komplicera detta sker fotosyntes på två olika sätt, och för att differentiera märks växter som antingen C3 eller C4 . C3 växternas fotosynteshastighet ökar mer med förhöjd CO2 . Vi kan täcka dessa detaljer en annan gång.)
De dåliga nyheterna – lägre näringskvalitet och minskad viktökning hos djur
Augustine och hans team tittade på tre olika mätningar av foderkvalitet:
• in vitro torrsubstans smältbarhet (IVDMD)
• cellulosa- och ligninhalt (sur tvättmedelsfiber eller ADF)
• Kvävehalt som mått på protein
Vad de lärde sig var att "Även om foderproduktionen förbättrades ... kom detta med en avsevärd minskning av foderkvaliteten, vilket skulle påverka viktökningen för idisslare negativt." (Augustine et al 2018) Kombinationen av uppvärmning och förhöjd CO2 minskade smältbarheten av C3 gräs från 62,8 % till 61,5 % och C4 gräs från 63,3 % till 61,2 %.
Även om dessa förändringar verkar små, återspeglar det en ökning av fiberinnehållet och en minskning av råprotein vid en tidpunkt då unga djur förväntas gå upp i vikt snabbt. Baserat på denna förändring skulle viktökningen vara cirka 12,5 % mindre – eller 30 pund. Förlust av näringsvärde kan också påverka kons prestation genom att öka tiden till parningsålder eller minska befruktningsfrekvensen. Slutligen kräver vommikrober protein för att fungera korrekt, och det nedbrutna fodret är mindre än vad de behöver för att överleva, vilket innebär att producenter kan behöva tillhandahålla tillskott.
Hur anpassar sig framtidens Ranchers?
Det finns en mängd olika lösningar som beskrivs av forskare. Ett alternativ är att använda bete för att förbättra fodret. "Beta gräs får tillbaka löv med ökat protein och minskade cellulosa- och ligninkoncentrationer jämfört med obeta gräs i markområden över hela världen... en tydlig lösning är för producenter på de nordamerikanska stora slätterna, där växter är väl anpassade för klövviltsbete, att anpassa beläggningsgraden för att matcha fodertillgängligheten. Ökad besättning med ökad foderproduktion skulle bibehålla betestrycksindexet...och därigenom antingen bibehålla eller öka den totala massaökningen per ytenhet." (De noterar att i områden som inte har samma beteshistorik kan denna praxis vara skadlig.)
Andra alternativ inkluderar 1) att anpassa betessäsongen för att ta hänsyn till förändringen i näringsvärdet och för att beta ogräs och invasiva växter, 2) utfodra nötkreatur med näringstillskott, 3) så betesmarker med baljväxter för att tillföra kväve till jorden vilket i sin tur förbättrar näringsvärdet av växterna, 4) applicering av låga halter av gödningsmedel för att åstadkomma samma sak, 5) stimulering av ny grästillväxt med föreskriven förbränning och 6) justering av beläggningsgraden som svar på växlande väder och klimatförhållanden (t.ex. våta perioder och torka) som påverkar gräsproduktion.
Forskarna är fortfarande optimistiska. "Det finns verkligen en viktig fråga att ta itu med när det gäller foderkvalitet, men det finns också ett antal potentiella lösningar," sa Augustine.
Referenser
Tack till Dennis O’Brien, ARS, för att du delar information som ingår i den här artikeln.
Artikeln informerades också av dessa två webbplatser:
Integrera – tvärvetenskaplig undervisning om jorden för en hållbar framtid
The Nature Education Knowledge Project – citaten i den här textens brödtext kom från den här webbplatsen och visas nedan:
Ainsworth, E. A. &Rogers, A. Responsen av fotosyntes och stomatal konduktans på stigande (CO2 ):mekanismer och miljöinteraktioner. Växt, cell och miljö 30, 258-270 (2007).
Leakey, A. D. B., Ainsworth, E. A. et al. Förhöjd CO2 effekter på växternas kol-, kväve- och vattenförhållanden; sex viktiga lärdomar från FACE. Journal of Experimental Botany 60, 2859-2876 (2009).
Tack även till Agricultural Research Service, U.S.A. Department of Agricultures främsta vetenskapliga interna forskningsbyrå. ARS fokuserar på lösningar på jordbruksproblem som påverkar Amerika. Varje dollar som investeras i jordbruksforskning ger en ekonomisk effekt på 20 USD.
