Растения используют углекислый газ (CO₂) в фотосинтезе, чтобы создавать углеводы, необходимые для роста. По мере того как концентрация CO₂ в атмосфере повышается — главным образом из-за сжигания людьми ископаемого топлива, — многие растения могут либо фотосинтезировать активнее, либо эффективнее расходовать воду. Этот эффект называют «CO₂-удобрением».

Если для лесов, сельхозкультур и умеренных экосистем таких исследований уже много, то реакция диких трав тропических саванн изучена гораздо хуже. Между тем именно они формируют нижний ярус саванны и определяют, как эта экосистема живёт, горит и накапливает углерод.

Долгое время считалось, что саванные травы будут откликаться на рост CO₂ слабее, чем многие деревья и другие растения. Большинство из них используют C4-фотосинтез. К таким видам относятся, например, red grass (Themeda triandra) и bushveld signal grass (Urochloa mosambicensis). Считалось, что эти травы и так уже концентрируют CO₂ внутри листьев и дополнительный углекислый газ в воздухе не даст им большого преимущества.

Чтобы проверить это предположение, международная группа экологов и специалистов по экосистемам изучила, действительно ли дикие саванные травы растут сильнее при повышенном CO₂, и зависит ли эффект от влажности условий. Сначала были проанализированы 70 опубликованных экспериментов, где сравнивали реакцию диких C4-трав на нормальный и повышенный уровень CO₂ при достатке и дефиците воды. Затем исследователи изучили ежегодный рост трав на 533 участках в южноафриканском национальном парке Крюгера за 1989–2021 годы. Этот парк оказался идеальной площадкой: здесь C4-травы доминируют в ландшафте, а также ведётся редкий по масштабу набор непрерывных полевых наблюдений на протяжении более трёх десятилетий.

Наконец, команда использовала компьютерную модель, чтобы оценить, как C4-травы могут расти до конца этого века, если CO₂ продолжит повышаться, а температура и количество осадков будут меняться.

Результат оказался заметным: производство травы в национальном парке Крюгера за три десятилетия выросло на 28%. По словам исследователей, одна из причин в том, что больше CO₂ в воздухе помогает саванным травам лучше удерживать воду и сильнее расти в сухих условиях. Этот эффект, как показало моделирование, может сохраняться даже по мере того, как климат становится жарче и суше.

Это важно, потому что саванны покрывают около половины Африки. Любые изменения в том, сколько травы они производят, влияют и на питание диких животных и скота, и на количество топлива для пожаров, и на перемещение углерода между сушей и атмосферой.

Исследование показало, что при нехватке воды повышенный CO₂ позволял диким C4-травам терять меньше влаги, продолжая при этом фотосинтезировать. Иными словами, на каждый потерянный объём воды они получали больше углерода. В саваннах с дефицитом влаги это означало больший объём надземной биомассы. Когда воды было достаточно, эффект был гораздо слабее.

Похожая картина наблюдалась и в парке Крюгера. В качестве лучшей оценки годового роста учёные использовали количество травы над землёй в первый год после пожара. С 1989 по 2021 год этот показатель вырос на 28%. За тот же период содержание CO₂ в атмосфере увеличилось примерно на 18%. Даже с учётом изменений в осадках, пожарах и других факторах общий тренд оставался восходящим. Это хорошо совпало с экспериментами: рост CO₂ помогал травам эффективнее использовать ограниченную воду.

Как и ожидалось, самый сильный рост пришёлся на самые засушливые саванны Крюгера, где экономия воды должна была дать максимальный эффект. Исследователи также заметили, что всё более заметную роль стали играть более высокие и продуктивные виды трав. Это может означать, что растущий CO₂ влияет не только на объём травяной массы, но и на то, какие виды начинают доминировать.

Моделирование показало, что такая реакция может сохраняться и в XXI веке. Более высокие температуры и усиливающаяся засушливость ослабляют эффект CO₂, но не устраняют его. Производство C4-трав, по расчётам, продолжит расти по мере увеличения концентрации CO₂ в атмосфере.

У этого есть важные последствия. С одной стороны, больше травы может означать больше корма для животных, пасущихся на саваннах. Но количество не всегда означает качество: при более высоком CO₂ соотношение углерода и азота в растениях может меняться, и трава потенциально становится менее питательной.

С другой стороны, трава — это основное горючее для саванных пожаров. Чем её больше, тем больше материала может оказаться в огне. Это также может изменить конкуренцию между травами и деревьями, а значит, и движение углерода между растениями, почвами и атмосферой.

При этом усиленный рост травы не означает автоматического долгосрочного накопления углерода. Саванные травы поедаются, разлагаются и сгорают, возвращая большую часть углерода из листьев и стеблей обратно в атмосферу. Долгосрочное хранение углерода в травянистых экосистемах происходит главным образом под землёй, особенно в почвах, а обзор экспериментов не показал устойчивого увеличения массы корней при повышенном CO₂.

Поэтому исследователи не делают вывода, что дополнительный рост травы компенсирует глобальное потепление. Напротив, работа показывает, что рост CO₂ в атмосфере — один из главных факторов изменения климата — одновременно напрямую перестраивает и такие экосистемы, как саванны, которые находятся под его воздействием.

Из этого следует важный вывод для науки и управления землями: предсказывать изменения саванн только по осадкам и температуре уже недостаточно. Сам CO₂ в атмосфере тоже меняет эти экосистемы. Для менеджеров это означает необходимость следить за тем, сколько травы вырастает, какие виды преобладают, как меняются выпас и объём материала, доступного для пожаров, причём в долгосрочной перспективе.

Планы по управлению огнём и выпасом, основанные на прошлых схемах, могут потребовать пересмотра, если при тех же осадках меняются и количество травы, и её состав.

Следующий шаг — понять, что происходит с дополнительной травой дальше: становится ли она кормом для животных, сгорает во время пожара или превращается в богатое органическое вещество почвы. Именно для этого нужны долгосрочные наблюдения и эксперименты.

От этого, в свою очередь, зависят последствия для дикой природы, домашнего скота, саванных пожаров и запасов углерода. Исследование добавляет в климатическую историю важный, но часто недооценённый процесс: растущий CO₂ меняет саванны не только через потепление и изменения осадков, но и напрямую — через то, как травы растут и используют воду.

Понимание обоих механизмов поможет точнее прогнозировать, как будут меняться африканские саванны в ближайшие десятилетия.