İKLİM DEĞİŞİKLİĞİNİN VE KARBONDİOKSİT GÜBRELEMESİNİN TARIMSAL ÜRETİME ETKİLERİ
Prof. Dr. Murat Türkeş
Boğaziçi Üniversitesi İklim Değişikliği ve Politikaları Uygulama ve Araştırma Merkezi
Özet
Yeryüzünün fiziki coğrafyasının değiştirilmesinin (bozulması) yanı sıra, başta fosil yakıtların yakılması, arazi kullanımı/arazi kullanımı değişikliği ve ormansızlaşma gibi çeşitli insan etkinlikleri sonucunda atmosferdeki birikimleri artan karbondioksit (CO2), metan (CH4) ve diazotmonoksit (N2O) gibi sera gazları nedeniyle küresel iklim değişiyor. Yükselen hava sıcaklıkları, ısınan [ve su buharı emme/tutma kapasitesi artan] atmosferin artan buharlaşma talebi, değişen yağış ve orman yangını rejimleri beklenenler arasındadır. Bu değişmeler tarımsal ürün gelişimi ve üretimi üzerinde olumsuz bir etki yapabilir (Türkeş, 2020, 2022). Buna karşılık, iklim değişikliklerinin ana nedeni olan atmosferik CO2 birikimlerindeki sürekli artış, ürün verimliliği ve su kullanımı üzerinde olumlu bir etkiye sahip olabilir, ki bu etki CO2 fertilizasyonu (gübrelemesi) etkisi olarak adlandırılır. İklim değişikliklerinin ve yüksek CO2’nin tarımsal üretkenlik üzerindeki birleşik etkisi modellerle değerlendirilebilir (Vanuytrecht ve ark., 2011; An ve ark., 2023). CO2 gübreleme etkisi, bitkilerde yaprak terlemesini (su kaybını) sınırlarken fotosentez hızının artmasına neden olur. Her iki süreç de artan CO2’den kaynaklanır. Bu makalede, iklim değişikliğinin ve atmosferik karbondioksit gübrelemesinin bitki büyümesi ve tarımsal ürün üretimine olan etkilerinin yanı sıra, C3 ve C4 bitkilerinin CO2 gübrelemesine yanıtlarının kısa bir bilimsel değerlendirmesinin yapılması amaçlanmıştır.
1. İklim Değişikliğinin Tarımsal Üretime Etkileri
İklim değişikliği etkilerinin gelecek yıllarda güvenlik ve huzurumuzu artan bir biçimde yeniden şekillendireceğini iyi biliyoruz. En geniş anlamıyla var olan sosyal coğrafya (ekonomi, nüfus, tarım, sanayi, enerji coğrafyası, vb. içerir) ve fiziki coğrafya (atmosfer, hava ve iklimi, hidrolojiyi ve su kaynaklarını, jeomorfolojiyi, ekolojiyi, bitki örtüsünü, toprağı, vb. içerir) koşullarımız ve çevremiz günümüzde bir geçiş evresindedir ve toplumların gelecekteki fonksiyonlarının nasıl olacağına ilişkin önemli göstergeler sergilemektedir (Türkeş, 2022). Bu tüm bölgeler için ciddi sosyal, ekonomik ve politik etkiler şeklinde yansıyabilecektir. Çeşitli adaptasyon (uyum) kapasitelerine sahip olan ülkeler, etkileri farklı yollarla ele alabilirken, etkin, deneyimli, kararlı ve iklim direngen kurumları ve sosyoekonomik sektörleri olmayan birçok gelişmekte olan ülke ve etkiye açık (etkilenebilirlik düzeyi yüksek) devletler (küçük ada devletleri, alçak kıyı ve kurak iklim ülkeleri, vb.), iklim değişikliğinden daha fazla etkilenmektedir (Türkeş, 2022). Bu durum gelecekte yüksek olasılıkla daha da kuvvetlenecektir.
İklim değişikliğinin tarımsal üretim ve gıda güvenliği üzerindeki etkilerine ilişkin görece geniş bir tartışmaya (örneğin, Porter ve ark., 2014; IPCC, 2014, IPCC, 2018; An ve ark., 2020; Turkes ve ark., 2020; Türkeş, 2014a, 2014b, 2017a, 2017b; Türkeş ve ark., 2018, vb.) dayanarak ve asıl olarak Türkeş’e (2020) göre aşağıda sunulmuştur:
İklim değişikliğinin tarımsal ürün ve karasal gıda üretimi üzerindeki olumsuz etkileri, olumlu etkilerinden daha açık ve yaygındır. Pozitif etkiler bazı yüksek enlem bölgelerinde belirgindir. Aşırı iklim olayları sonrasında anahtar üretim bölgelerindeki hızlı gıda ve tahıl fiyatı artışlarının gerçekleştiği dönemler belirgindir ve bugünkü pazarların diğer etmenlerin yanı sıra iklim ekstremlerine karşı da duyarlı olduğunu göstermektedir. Aşırı iklim olaylarının bazıları, insan kaynaklı küresel iklim değişikliğinin ve onun en önemli göstergesi olan küresel ısınmanın bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. İklimsel eğilimler hem tatlı su hem de deniz ortamlarında hasat edilen su türlerinin bolluk ve dağılış desenleri ile Dünya’nın farklı bölgelerindeki su kültürü üretim sistemlerini etkilemektedir. Tüm bu etkilerin özellikle bazı gelişmekte olan tropikal ülkelerdeki etkilenebilir toplumlar açısından besin ve gıda güvenliği üzerindeki
olumsuz etkilerinin süreceği beklenmektedir. Bazı bölgelerdeyse, sucul gıda üretimine daha uygun koşullar ortaya çıkabilecektir.
Bazı çalışmalar, günlük en yüksek hava sıcaklıkları ya da günlük yüksek sıcaklık ekstremleri 30 °C ve üstüne çıktığında ürün rekoltelerinin ciddi bir negatif etkilenebilirliği olduğunu belgelemiştir. Bu düzeydeki etkilenebilirlik durumları birçok ürün ve bölge için tanımlanmakta ve bu durumun büyüme mevsimi boyunca etkili olması beklenmektedir. Ayrıca pek çok çalışmada sıcaklık eğilimlerinin iklim değişikliğinin alt kıtasaldan küresel ölçeklere kadar geniş bir coğrafi dağılışta ürün rekolteleri üzerindeki geçmiş ve gelecek etkilerinin saptanması açından da önemli olduğu değerlendirilmektedir.
Tropikal ve ılıman iklim bölgelerindeki buğday, pirinç ve darı gibi ana ürünler açısından, yerel hava sıcaklığı 21. yüzyılın son dönemlerine göre 2 °C ve daha fazla arttığında uyum olmaksızın iklim değişikliği üretimi negatif olarak etkileyecektir. Öngörülen etkiler ürün ve bölgeler ile uyum senaryolarına göre değişir. Örneğin: 20. yüzyılın son dönemiyle karşılaştırıldığında, 2030-2049 dönemi için gerçekleştirilen kestirimlerin yaklaşık % 10’u ürün rekoltelerinde % 10’dan daha fazla artış gösterirken, kestirimlerin yaklaşık % 10’u % 25’ten daha fazla rekolte kaybının olacağını göstermektedir (Şekil 1).
Şekil 1: İklim değişikliği nedeniyle 21. Yüzyıl süresince ürün rekoltelerinde öngörülen değişikliklerin özet gösterimi (Türkeş, 2020: bazı değişikliklerle birlikte Porter ve ark. (2014) ve IPCC’ye (2014) göre yeniden düzenlendi).
2. Karbondioksit Gübrelemesinin Bitki Büyümesi ve Tarımsal Üretime Etkileri
Karbondioksit gübrelemesi yalnızca bitki büyümesinin nedeni değildir, aynı zamanda yeşillenmeye (yeşillendirme etkisi) de katkıda bulunur. Kısaca CO2 gübrelemesi, atmosferdeki CO2 tutarının artmasının bitkilerde fotosentez hızını artırma olgusudur. Etkisi, bitki türüne, iklime, özellikle hava sıcaklığına, yağış rejimine, topraktaki su ve besinlerin varlığına bağlı olarak değişir.
CO2 gübrelemesinin ürün üretimi üzerindeki etkisi şöyle özetlenebilir:
Bitkiler, CO2 ve sudan besin şekerlerini üretmek amacıyla, Güneşin ışık enerjisini kullanarak fotosentez yapar. Fotosentez nasıl gerçekleşir? Klorofilli bitkilerin yapraklarındaki hücre zarlarında bulunan klorofil maddesi, Güneş’ten gelen ışık enerjisini soğurarak bir kimyasal bağ oluşturur. Sonuçta bitkiler, emdikleri ışık enerjisi yardımıyla, havadan aldıkları CO2 ile topraktan aldıkları su ve mineral maddeleri birleştirerek yaşamın ana besinleri olan organik bileşikleri (karbonhidratlar, örneğin glikoz), biyokütle ve lif üretirler.
İnsan kaynaklı CO2 salımları yüzünden atmosferdeki CO2 tutarının artması fotosentez hızının artmasına yol açar. Bitkilerin daha hızlı büyümesiyse daha fazla CO2 tutulmasına yol açar ve büyüme belirli koşullar altında belirli ürünlerde verimi de artırabilir.
Yüksek CO2 birikimi altında, bazı bitkiler daha az terlemeyle daha az su kaybına uğrar ve daha büyük oranda fotosentat (ör. karbonhidratlar) dağıtır. Bu, mikoriza gelişimini ve topraktaki kök nodüllerinde azot tutulumunu (azot fiksasyonu) artıran daha fazla kök üretimiyle sonuçlanır. Buysa, bitkilerin daha az besleyici topraklarda yetişmesini de kolaylaştırır. Ayrıca, yeniden üretkenlik biyokütlesinin yanı sıra, vejetatif biyokütle gelişimi genellikle yüksek CO2 birikimi koşullarında artış gösterir.
2000’li yıllardan beri gerçekleştirilmiş olan çalışmalardan elde edilen bulgulara göre, iklimdeki ve CO2 birikimlerindeki değişiklikler tarımsal üretim açısından önemli ve istilacı türlerin dağılışını etkileyecek ve rekabet artışına yol açacaktır. Atmosferdeki artan CO2 birikimi, ki yukarıda açıkladığımız şekilde CO2 gübrelemesinden sorumludur, bazı herbisitlerin (yabani ya da yabancı ot ilaçları, kimyasalları) etkisinde azalmaya neden olabilecektir. İklim değişikliğinin hastalıkların gıda üretimi üzerindeki baskısına ilişkin etkileri belirsizliğini korumaktadır. Zararlı ve hastalıkların coğrafi dağılış desen ve aralıklarındaki değişiklikler belirgin olmasına karşın, hastalık şiddetindeki değişiklikler daha az belirgindir.
Şekil 2: C3 bitkileri, bazı ağaç türleri ve pirinç, buğday, soya fasulyesi, patates ve sebzeler gibi tarımsal ürünler dahil olmak üzere [URL-1] fotosentez sırasında üç karbonlu bir bileşik üreten tarımsal açıdan önemli bitkileri tanımlamak için kullanılan bir terimdir.
Şekil 3: C4 bitkisi, asıl olarak, fotosentez sırasında dört karbonlu bir bileşik üreten, birçok ot ve tarımsal açıdan önemli ürünler mısır, şeker kamışı, darı ve sorgum dahil olmak üzere tropik kökenli bitkileri [URL-2] tanımlamak için kullanılan bir terimdir.
3. İklim Değişikliği Koşullarında C3 ve C4 Bitkilerinin CO2 Gübrelemesine Yanıtları
Farklı bitki türleri, atmosferik CO2’nin organik karbona dönüştürüldüğü fotosentez sırasında oluşan biyokimyasal süreç olan farklı karbon asimilasyon (özümleme) düzeneklerine sahiptir. Günümüzde tüm karasal bitkilerin yaklaşık % 95’ini içeren çoğu fotosentetik (fototrof) organizma, Calvin Döngüsü adı verilen biyokimyasal bir yolla karbonu sabitler. Calvin Döngüsü, organizmaların -özellikle bitkiler ve alglerin- havadaki CO2’den enerji ve yiyecek oluşturduğu süreçtir. Genellikle fotosentezin bir parçasıdır ve ototroflar (örneğin, yeşil bitkiler) için ana besin kaynağıdır. Calvin döngüsünün ilk adımı, üç karbon atomu içeren kararlı bir ara bileşik (3-fosfogliserik asit) üretimini içerir. Bu nedenle, bu işleme C3 fotosentezi ve bu şekilde metabolize olan buğday, pirinç, pamuk, soya fasulyesi, şeker pancarı ve patatesler vb. gibi bitkilere C3 bitkileri denir (Şekil 2).
Bununla birlikte, mısır, şeker kamışı ve birçok tropikal çayırı içermek üzere bazı bitkiler, dört karbonlu bir bileşik üreterek fotosentetik işleme başlar. Aslında, mısır ve şeker kamışı, genellikle böyle düşünmememize karşın, birer ot türüdür. Bu tip bitkilere C4 bitkileri denir (Şekil 3).
C4 bitkileri CO2 artışlarına C3 bitkilerine göre daha az tepki verir. Bu nedenle, CO2 gübrelemesinin C3 bitkilerinin büyüme hızı üzerinde önemli bir etkisi olabilirken, C4 bitkileri üzerinde büyük bir etkisinin olması beklenmemektedir. Mısır gibi belirli tarımsal ürünler, yüksek CO2’li bir dünyada C3 kökenli yabani otlara kıyasla dezavantajlı olabilir. C3 dünyası içinde bile, farklı bitki türlerinin, CO2 artışlarına eşlik edebilecek sıcaklık ve nem varlığındaki (örneğin yağış rejimi, toprak nem içeriği) değişikliklere farklı tepkiler göstermesi beklenmektedir.
4. Tartışma
Yaklaşık son 15 yıllık dönemde atmosferdeki CO2 birikimindeki değişikliklerin etkilerinin bitki tiplerine göre (burada C3 ve C4 bitkileri) ele alındığı çalışmalar yayımlanmaya başlamıştır. Bu durum bu alandaki önemli bir ilerlemedir. Atmosferdeki birikimi sürekli artmakta olan artan CO2 etkisi (CO2 gübrelemesi), C4 ürünlerindeki fotosentez oranları artan CO2 birikimlerindeki artışlara daha zayıf karşılık verdiği için, C3 bitkilerinde (buğday, pirinç, pamuk, soya fasulyesi, şeker pancarı ve patatesler, vb.) C4 bitkilerinden (darı, sorgum, şeker kamışı, vb.) daha yüksek olma eğilimindedir. En yüksek gübreleme yanıtları yumrulu ürünlerde gözlenir. Bunlar yer altındaki organlarında fazla karbonhidrat depolama açısından önemli kapasiteye sahiptir (Fleisher ve ark., 2008; Högy and Fangmeier, 2009). Çeşitli ürünlerin CO2’ye verdiği yanıtlar aynı zamanda genotipe özgü bir durumdur (Ziska ve ark., 2012). Örneğin, 200 ppmv düzeyindeki ek CO2 koşullarındaki rekolte artışı, pirinç üretiminde % 3 ile % 36 arasında değişmektedir (Hasegawa ve ark., 2013).
Bir dizi simülasyon (benzeştirme) çalışmasıysa, CO2 gübreleme etkisinin belirli yerlerde değişen iklimin zararlı etkilerini hafifletebileceğini ya da başka yerlerde tarımsal üretimi iyileştirebileceğini göstermiştir (Vanuytrecht ve ark., 2011). Örneğin, Tunus’ta (Tunus şehri) yapılan bir çalışmada, yalnızca iklim değişikliklerinin (yağış, buharlaşma-terleme ve sıcaklık) etkisi dikkate alındığında, 2046-2065 dönemi için benzeştirilen buğday verimi azalırken, yüksek CO2’nin etkisi dikkate alındığında verimin arttığı görülmüş. Etiyopya’daki (Mekelle şehri) başka bir çalışmada, 2046-2065 dönemi için değişen iklim koşulları altında simüle edilmiş tef (danesi ve otu için yetiştirilen yıllık bitki) verimi, yüksek CO2 dikkate alınmadan başlangıç dönemine kıyasla ılımlı bir şekilde artarken, CO2 gübreleme etkisi dikkate alındığında, verim artışı çok daha güçlü olmuş. Simülasyon sonuçları, gelecekte tarımsal üretkenliği değerlendirmek için değişen hava sıcaklıkları, yağış rejimleri ve buharlaşma talebinin etkisine ek olarak, ürünler üzerindeki CO2 etkisinin nicel olarak belirlenmesi gereksinimini doğrulamaktadır.
Yukarıdaki tartışma, atmosferdeki artan CO2 birikimlerinin, bitkilerin fotosentezi oranını artırarak bitki biyokütlesini ve ürün verimliliğini artırdığını göstermektedir. Dolayısıyla, CO2 gübrelemesi yalnızca bitki büyümesinin nedeni olmayıp, aynı zamanda yeşillendirme etkisine de katkıda bulunur.
An ve ark.’nın (2023) hazırladığı “İklim Değişikliği ve Tarım Dünyasının Geleceği” başlıklı çalışmanın “Küresel Tahıl Üretimi ve Türkiye” bölümünde (s. 81) çözümlenen veriler hem Dünya hem de Türkiye’deki tarımsal üretim ve gıda güvenliği açısından mısır, buğday ve pirincin önemli tahıllar arasında yer aldığını ve iklim değişikliği koşulları altında bu ürünlerin gelecekte de önemli olacağını göstermektedir. Bu yüzden, “iklim değişikliğine neden olan koşulların (örneğin, atmosferdeki birikimi artan sera gazlarından, özellikle karbondioksit gübrelemesini de oluşturan karbondioksitten, vb.)” ve bu durumdan yararlanabilecek “tarımsal üretim bitkilerinin (C3 bitkileri)” farkında olunması önemlidir.
Referanslar
An, N., Turp, M. T., Türkeş, M., and Kurnaz, M. L. 2020. Climate change effects on agricultural production: A Short Review. Curr Inves Agri Curr Res 8(3)- 2020. CIACR.MS.ID.000288.
An, N. ve ark. 2023. İklim Değişikliği ve Tarım Dünyasının Geleceği. [editörler, An, Turp, Kurnaz ve Türkeş], TARIM-İŞ Sendikası yayını, İstanbul.
Fleisher, D.H., D.J. Timlin, V.R. Reddy. 2008. Interactive effects of carbon dioxide and water stress on potato canopy growth and development. Agronomy Journal, 100: 711-719.
Hasegawa, T. et al. 2013. Rice cultivar responses to elevated CO2 at two free-air CO2 en-richment (FACE) sites in Japan. Functional Plant Biology, 40: 148-159.
Högy, P., et al. 2009. Effects of elevated CO2 on grain yield and quality of wheat: results from a 3-year free-air CO2 enrichment experiment. Plant Biology, 11(Suppl. 1): 60-69.
IPCC. 2014. Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part A: Global and Sectoral Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Re-port of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Field, C.B. et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
IPCC. 2018. Global Warming of 1.5°C.An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty [Masson-Delmotte, V., P. et al. (eds.)]. In Press.
Porter, J.R., et al. 2014. Food security and food production systems. In: Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part A: Global and Sectoral Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Field, C.B. et al. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 485-533.
Turkes, M., et al. 2020. Impacts of Climate Change on Precipitation Climatology and Variability in Turkey, Chapter 14. In Harmancioglu, N. B., Altinbilek, D. (Eds.), Water Resources of Turkey. World Water Resources, vol 2. Springer, Cham, pp 467-491.
Türkeş, M. 2014a. İklim Değişikliğinin Tarımsal Gıda Güvenliğine Etkileri, Geleneksel Bilgi ve Agroekoloji. Turkish Journal of Agriculture – Food Science and Technology 2(2): 71-85.
Türkeş, M. 2014b. Türkiye’deki 2013-2014 kuraklığının ve klimatolojik/meteorolojik nedenlerinin çözümlenmesi. Konya Toprak Su Dergisi, 2: 20-34.
Türkeş, M. 2017a. Türkiye’nin iklimsel değişkenlik ve sosyo-ekolojik göstergeler açısından kuraklıktan etkilenebilirlik ve risk çözümlemesi. Ege Coğrafya Dergisi, 26(2): 47-70.
Türkeş, M. 2017b. Birleşmiş Milletler Çölleşme ile Savaşım Sözleşmesi ve Türkiye’nin Durumu-Uyumu. İçinde: Uluslararası Çevre Rejimleri (Der. G. Orhan, S. C. Mazlum, Y. Kaya), 1. Baskı, s. 169-197. Dora Basım-Yayın Dağıtım Ltd. Şti., Bursa.
Türkeş, M. 2020. İklim değişikliğinin tarımsal üretim ve gıda güvenliğine etkileri: Bilimsel bir değerlendirme. Ege Coğrafya Dergisi, 29(1): 125-149.
Türkes, M. 2022. Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli’nin (IPCC) Yeni Yayımlanan İklim Değişikliğinin Etkileri, Uyum ve Etkilenebilirlik Raporu Bize Neler Söylüyor? Dirençlilik Dergisi, 6(1): 197-207.
Türkeş, M., Musaoğlu, N. and Özcan, O. 2018. Assessing the vulnerability of a forest eco-system to climate change and variability in the western Mediterranean sub-region of Turkey: future evaluation. Journal of Forestry Research, 29(5): 1177–1186. Vanuytrecht, E. and Raes, D. 2011. Assessment of the ‘CO2 fertilization effect’ on crops with the AquaCrop model. Geophysical Research Abstracts Vol. 13, EGU2011-5917-2, 2011
Ziska, L.H., et al. 2012. Food security and climate change: on the potential to adapt global crop production by active selection to rising atmospheric carbon dioxide. Proceedings of the Royal Society B, 279, 4097-4105.
İnternet Kaynakları[URL-1] https://buddhajeans.com/encyclopedia/c3-plants/, erişim: 30.06.2022.[URL-2] https://buddhajeans.com/encyclopedia/c4-plants/, erişim: 30.06.2022.
