A szén-dioxid-szindróma (1.)

Szerző: Prof. Emeritus Mőcsényi Mihály | Létrehozva: 2009. február 15.

Minden, ami körülöttünk él vagy élt, javarészben szén-dioxidból lett — mi magunk is — és idő múltán minden szerves anyag bomlással, égéssel ismét CO₂ lesz. Szakkönyveinkből azt tanultuk, hogy a növények vízben oldottan a talajból veszik fel tápanyagaikat. Ez téves, mert példaként az erdei fenyő fájának több mint ötven százaléka szén, közel negyvennégy százaléka oxigén, mintegy hat százaléka vízből származó hidrogén és fél százaléka sincs — a talajból felvett — nitrogén, illetve ásványi anyag. Döbbenetesnek tűnhet, fából készült eszközeink, bútoraink, de ruházatunk, élelmiszerünk elemi anyagának döntő többsége közvetlenül, közvetve a levegőből származik.

A növények a napfény energiájának átlagosan mindössze egy százalékát alakítják fotoszintézissel vegyi energiává, a fénysugárzás többsége a levélzetben hőenergiává alakul, amely molekuláris mozgásintenzitásként a fotokémiai folyamatok feltétele. Amennyiben a testhőmérséklet a levélzetben túlzottá válik, ha a növények a talajból felvett víz párologtatásával ezt nem tudják megfelelő szinten tartani, az asszimiláció lassul, leáll, majd a disszimiláció jelentős mennyiségű szerves anyagot bont a korábban termeltből.

Előnyös ökológiai adottságoknál egy m² C3-as típusú (az asszimiláció első lépéseként három szénatomos molekulát képző) növény levélfelülete óránként két-három g CO₂-ot vesz fel. Feltételezve, hogy egy m² talaj felett a levélfelszín öt m² (termesztett növények, de erdők esetében is átlagosan ilyen a LAI, a levélfelület index arány), a fotoszintézis optimális szakaszában az egy m²-nyi talajon élő növény 20–25 m³ légtér teljes CO₂-mennyiségét egy óra alatt szintetizálja.

Az üvegházi növénytermesztők régóta tudják, hogy a szén-dioxidot szellőztetéssel folyamatosan pótolni kell. A szellőztetés télen hővesztéssel jár, ezért sokan mesterségesen adagolták a CO₂-ot. Közben rájöttek arra, hogy a természetesnél magasabb széndioxid koncentráció a — légtrágyázás — terméknövekedéssel jár. A természetesnek akár százszorosára emelt CO₂-arány a C3-as növények esetében — ha nem is lineárisan — de még növeli a hozamot.

A szárazföldi növények CO₂-igényének jelentős hányada a talajból kerül a légterükbe. A talajok szén-dioxid-termelése a talajélettől függően naponta 2–15 g/m². A termesztett növényekre vonatkozóan ez változóban van, mert a szántóföldekre egyre kevesebb szerves trágya kerül és ennek következtében a CO₂-ot „termelő” talajélet vészesen szegényedik. A fejlődési stádiumban lévő búzaállomány alsó szintjében a múlt század harmincas éveiben — amikor a légkör CO₂-koncentrációja 300 ppm volt — 80 ppm-es értéket mértek, noha akkor még bőven jutott istállótrágya a földekre.

Hazánkban hetven évvel ezelőtt a fogatos földművelés, a belterjes istállózó állattartás korában a szántók, rétek, legelők minden növényi terméke hasznosult. A terményeknek ember, állat által emészthetetlen szerves hányada visszakerült a talajba és tápanyagként, CO₂-forrásként szolgált az újabb terméshez. A talajerőnek, a szén-dioxidnak ez az évezredes természetes körforgása Európában ma szinte mindenütt változóban, megszűnőben van. Igavonó lovak már nincsenek, a hízó-, tejelő állatok ürülékének többsége olyan híg trágya, amely a természetes körforgásban alig hasznosul. A gabonafélék szalmája — az almozásnak, az istálló-trágyának szerves alkotója, a művelt földeknek ezzel erőben tartója — erőművek tüzelőanyagaként „megújuló erőforrás” lett, nagy mennyiségű CO₂-ot juttatva közvetlenül a levegőbe. A trágyából, a talajból a vegetációs időszakban felszabadult szén-dioxidot a növények állományukon belül használták fel, ezért ebből alig jutott a felszínük — a besugárzás-kisugárzás aktív szintje — feletti légtérbe.

Malthus 1798-ban adta ki a népesedés törvényéről írt tanulmányát, amelyben megállapította, hogy az élelmiszer-termelés legfeljebb számtani sor szerint növelhető, míg a népesség mértani sor szerint nő. Malthus prognózisa nem vált be.

Az ipari forradalom második szakaszában, úgy 1850-től kezdődően a széntüzelés mintegy 1920-ig kerekítve évi ezermillió tonnára nőtt. A kőolajkitermelés ekkor vált jelentőssé. 1950-ben a kettő együtt elérte az évi kétezermillió tonnás felhasználást. 1950 körül vált tekintélyessé a földgázkitermelés, 2000-ben a háromféle fosszilis energiahordozóból már hatezerötszázmillió tonnát használtak fel.

Malthus korában az élelmiszer mennyiségét — a 0,027%-ra becsült légköri CO₂-tartalom mellett — csak erdőirtással, lecsapolással nyert termesztőfelületekkel lehetett növelni. Az ökológiai, főként a mezo és helyiklimatikus adottságokat rontó termőterület-szerző tevékenység nem járt kellő eredménnyel, egységnyi terület hozama az 1900-as évekig jelentősen nem nőtt, de a táj folyamatosan szegényedett.

A középkori parlagos gazdálkodás idején a művelt és parlagon hagyott terület együttes gabonahozama átlagosan egy-két mázsa volt hektáronként. Az ugaros gazdálkodással négy-hat mázsára növelték a hektáronkénti termést. Az első világháború előtt vetésforgatással tíz-tizenöt mázsás hozamot lehetett elérni. Az 1970-es években Magyarországon ötvenhatvan mázsára, a nyolcvanas években kivételesen már száz mázsára növelték a hektáronkénti szemtermést. A vonatkozó adatok szerint a fosszilis energiafelhasználás ekkor mintegy évi ötezermillió tonna volt.

Mivel a szemtermések elemi anyagának mintegy 85%-a CO₂, Európa földművelői Malthus kora óta a termesztett növényeiket szelektálással, nemesítéssel — az agrotechnika párhuzamos fejlesztésével — alkalmassá tették a növekedő légtrágya hasznosítására. Egységnyi területen a termesztők ma százszor több szén-dioxidot alakíttatnak növényeikkel szerves anyaggá, mint kétszáz évvel ezelőtt.

Szelektáláskor, keresztezéses nemesítéskor, újabban a géntechnológia alkalmazásakor az a cél, hogy a termesztett növények emberi táplálékot — keményítőt, fehérjét, olajat — adó hányada jelentősen növekedjék az emészthetetlenhez viszonyítva, és hogy a növények betegségekkel szemben ellenállóvá váljanak.

Azok a növények, amelyek rövidebb vegetációs idő alatt naponként hosszabb ideig asszimilálnak, termelékenyebbek, mint azok, amelyek napközben túlmelegedve hosszú órákon át csak vegetálnak. Folyamatos fotoszintézisre azok a növények képesek, amelyek magasabb környezeti testhőmérsékleten is termelékenyek, illetve amelyek testhőmérsékletüket párologtatással tartósan csökkenthetik. Amikor a transzspirációhoz szükséges víz elfogy a talajból, és már a harmat sem segít, a növények szerves anyagaik lebontásával nyert energiával védekeznek, szélsőséges esetben elhervadnak. A termesztők egyrészt kapálással, másrészt a vegetáció korai szakaszában zárt állományt képző növényfajtákkal igyekeztek, igyekeznek a talajpárolgást a minimálisra csökkenteni. A múlt század harmincas éveiben a kukoricát négyzetesen vetették, hogy földjét hosszában, keresztben ló vontatta ekekapával lehessen lazítani, a kapilláris vízemelést, a párolgást akadályozni, az éjszakai talajvízgőzt a lehűlt felszín laza talajrétegében harmatként megfogni.

Azok a növények, amelyek a vegetációs idő viszonylag korai szakaszában zárt állományt képeznek, így a mai kukoricafajták, szinte csak párologtatással, fiziológiailag szabályozottan gazdálkodnak a talajban lévő vízzel. A legnagyobb légterű növényállományokat az erdők képzik. Az avar akadályozza a csapadék, az olvadt hó elfolyását, az állományon belül képződött vízpára adott esetben harmatként újólag részt vesz a léghőmérséklet csökkentésben, sajátos állományklíma képzésében. Az erdők közjóléti hatása, a helyi klíma javítása részint ebben a jelenségrendben rejlik.

Annak ellenére, hogy C3-as tölgyeseink, bükköseink igen hatékonyan hasznosítják a területükre jutó csapadékot, vegetációs idejükben lényegesen kevesebb CO₂-ot kötnek meg azonos területen, mint a C4-es (szubtrópusi ökológiai adottságok mellett létrejött, a fotoszintézis első fázisában négy szénatomos molekulát képző) növények, így a cukornád vagy a kukorica.

A C3-as és a C4-es növények főbb jellemzői között igen sok az eltérés. A nettó fotószintézis hőmérsékleti optimuma a C3-asoknál 15–25 °C, a C4-eseknél 30–45 °C, az 1 g szárazanyag termeléséhez elpárologtatott vízmennyiség a C3-asoknál 500–1000 g, a C4-eseknél mindössze 250–400 g. A nettó fotoszintézis-termék a C3-asok növekedési fázisában 200, a C4-eseknél 400–800 mg szárazanyag dm-2 nap. A C3-as növények primer CO₂-kötő enzimje, a Rubisco alacsony szén-dioxidkoncentráció esetén C helyett O-t „fog be”, ezért a fénylégzés következtében a már asszimilált szerves anyagnak akár negyven százaléka is bomolhat. A PEPC, a C4-esek enzimje nem kelt fénylégzést.

Lényeges különbség a két típus között továbbá az, hogy a C3-asok növekedő szén-dioxidkoncentráció hatására jelentősen növelik fotoszintézisük hatásfokát, míg a C4-esek csekélyebb mértékben. Mivel a Földön a szárazföldi biomasszának több mint hetven százalékát a C3 „utas” növények termelik, a CO₂-os légtrágyázás nagy jelentőségű.

Az előzőekből egyértelműen megállapítható, hogy a C3-as növények 1 g szárazanyag termeléséhez — testhőmérsékletük optimumon tartásához — adott esetben ötször annyi vizet párologtatnak, mint a C4-esek. Feltehető, hogy az átlagosnál magasabb testhőmérsékleten is asszimiláló C3-asok kevesebb vizet transzspirálnak „igényesebb” fajtabelijeiknél.

A múlt század nyolcvanas éveinek végén Hollandia földművelési minisztere arra kérte az IFLA (Tájépítészek Nemzetközi Szövetsége) vezetőségét, rendezzenek konferenciát, adjanak tanácsot az élelmiszer-túltermeléssel keletkezett gondok megoldására, a termesztésből kieső több tízezer hektárnyi művelt terület hasznosításának mikéntjére. A szakemberek azt tanácsolták, létesüljenek nagy vízfelületek, erdők a helyi klíma, az üdülés, üdültetés feltételeinek javítására.

Az ilyen vagy hasonló tervek megvalósítása azonban szinte lehetetlen, mert a gazdasági, egyben ökológiai célú tájalakítás szempontjából szóba jöhető területeken földművelők élnek, akiknek földjét meg kellene vásárolni, akiket el kellene költöztetni, akiknek új megélhetési lehetőségeket kellene találni. (A „szocialista” államokban ez a probléma a tsz-szervezéssel részint megoldódott, de a tulajdonviszonyok heterogenitása ma sem teszi egyszerűvé az összefüggő területű erdőtelepítést, nagyobb vízfelületek létesítését.)

Az élelmiszer túltermelésnek, a korábbinál lényegesen több széndioxid szerves anyaggá alakításának sokrétűek a következményei. Indiában, Kínában áldás, az Európai Közösség országainak többségében átok.

A légtrágya hatásának csökkentésére — a túltermesztő államokban — több módszer, eljárás alakult. A legegyszerűbb, egyben leghatékonyabb megoldás az, ha rá lehet bírni a földtulajdonosakat, hogy ne termeljenek élelmiszert, hagyják parlagon szántóikat, azoknak egy részét. Sok országban pénzbeli támogatást kapnak azok, akik így tesznek. A vegyszer nélküli, a „biotermesztés” több munkával, kisebb CO₂-megkötéssel jár, így ezzel a módszerrel is csökkenthető a túltermelés.

Európában a középkortól kezdődően nagyjából a XIX. század utolsó negyedéig a termesztő felületek bővítése, ezután közel egy évszázadon át az egységnyi területen elérhető termék növelése volt a cél, mintegy negyven év óta pedig ennek csökkentési módjait keresik. Az eszközöket tekintve eltérő — adott esetben ellentétes — törekvések, tevékenységek eközben jelentősen változtatták a táj szerkezetét, növényi borítottságát, arculatát.

Korunkban, hazánkban, ahol a laksűrűség alapján közel háromszor akkora terület jut egy lakosra, mint a negyven éve túltermelő Hollandiában, egyre több korábbi szántóföld marad parlagon. Ezekkel előbb-utóbb kezdeni kell valamit. A magánerőből (80%-os EU-támogatással) történő erdősítés részint a tulajdonviszonyok, részint a gazdasági gondok, de főként bürokratikus huzavonák miatt késik, és táji vonatkozásban területi összefüggés nélküli — mozaikszerűen szórt — heterogén borítottság alakul.

A növények többsége által termelt szerves anyag 92–94%-a a levegőből (szén, oxigén), 6–7%-a vízből (hidrogén) származik, és mindössze 0,5–1,5%-a a talajból. Ha növeljük a levegő CO₂-tartalmát, a C3-as típusú növények fotoszintézis-intenzitása jelentősen nő. Az ipari forradalom óta a légtér szén-dioxidtartalma folyamatosan növekszik. A légtrágyázás, illetve az ennek hasznosítását célzó növényszelektálás, nemesítés, agrotechnikafejlesztés a mezőgazdasági növények egységnyi termesztőterületre vonatkoztatott CO₂-áthasonítási képességét az ötven-, százszorosára növelte. A légtrágyázás előtti korszakban az élelmiszer-termesztést csak termesztő területnöveléssel, így erdőirtással, lecsapolással, azaz tájrontással lehetett növelni. A légtrágyát hasznosító növénytermesztés a gazdaságilag fejlett államokban élelmiszer túltermelést, ennek következtében jelentős agrárterület felesleget és ezzel a tájgyógyítás, szépítés; az erdősítés, vízfelület-bővítés lehetőségét hozza.