พืชดูดซับก๊าซ CO2 ในอากาศ


พูนพิภพ เกษมทรัพย์1
พีระศักดิ์ ศรีนิเวศน์1
สมเพียร เกษมทรัพย์2
ศรปราชญ์ ธไนศวรรยางกูร3
Herve Sinoquet3
รวี เสรฐภักดี2
นวรัตน์ อุดมประเสริฐ1
และนิสิตปริญญาตรี-โท1,2
อิทธิพลเรือนกระจกและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

อิทธิพลเรือนกระจก (greenhouse effect) เป็นกระบวนการทางฟิสิกส์ที่เกิดตามธรรมชาติ โดยก๊าซเรือนกระจก (greenhouse gasses) ที่มีในธรรมชาติรวมห้าชนิด ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน ไนตรัสออกไซด์ โอโซนในชั้น troposperic และไอน้ำ ปล่อยให้แสงช่วงคลื่นสั้นผ่านชั้นบรรยากาศเข้าสู่พื้นผิวโลก ทำให้ผิวโลกมีอุณหภูมิสูงขึ้นและแผ่รังสีความร้อนในรูปแสงช่วงคลื่นยาว และก๊าซเรือนกระจกดูดซับรังสีความร้อนนี้ไว้บางส่วนก่อนออกไปยังนอกโลก ซึ่งกระบวนการเหล่านี้รวมเรียกว่า "อิทธิพลเรือนกระจก"
ก๊าซเรือนกระจกตามธรรมชาติทั้งห้าชนิดมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา เปลี่ยนไปมาระหว่างสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็ง อยู่ในบรรยากาศ มหาสมุทร ดิน และสิ่งมีชีวิตในโลก ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในอากาศมีการเปลี่ยนรูปโดยกระบวนการหลายอย่างในวงจรคาร์บอน (ภาพที่ 1) ซึ่งมีมหาสมุทรเป็นแหล่งของคาร์บอนที่ใหญ่ที่สุด (20x1015 ตัน) ในขณะที่ในดินมีคาร์บอนประมาณ 7x1012 ตัน สิ่งมีชีวิตประกอบด้วยคาร์บอน 0.8x1012 ตัน และในบรรยากาศมีคาร์บอนเพียงประมาณ 0.7x1012 ตัน ซึ่งในปัจจุบันความเข้มข้นของก๊าซ CO2 ในบรรยากาศได้เพิ่มขึ้นในอัตราประมาณ 0.5% ต่อปี ทั้งนี้เป็นผลโดยตรงมาจากการใช้ fossil fuel (ประมาณมากกว่า 5x109 ตันต่อปี) และการตัด เผา และทำลายป่าไม้ (ประมาณ 1.5x109 ตันต่อปี) ได้ปล่อยคาร์บอนออกมาในรูป CO2 ในอัตราที่มากเกินกว่าที่กลไกธรรมชาติจะดูดซับได้ ทำให้สมดุลธรรมชาติสูญเสียไป

ภาพที่ 1. วงจรของคาร์บอน มีการแลกเปลี่ยนระหว่างบรรยากาศโลก พืช ดิน และมหาสมุทร ปริมาณคาร์บอนโดยรวมของระบบไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่การที่มนุษย์ใช้พลังงานจาก fossil fuel เช่น ถ่านหิน และน้ำมัน ทำให้ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศเพิ่มขึ้นมาก

พืชดูดซับ CO2 จากอากาศได้

กลไกธรรมชาติหลายกระบวนการจะดูดซับก๊าซ CO2 จากบรรยากาศ เช่น การแลกเปลี่ยนก๊าซ CO2 กับมหาสมุทร และการดูดซับโดยสิ่งมีชีวิตในกระบวนการสังเคราะห์แสง (photosynthesis) ซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานที่จะเปลี่ยน CO2 ในรูปอนินทรียสารให้กลายเป็นสารประกอบอินทรียสารที่เป็นประโยชน์ต่อสิ่งมีชีวิตโดยใช้พลังงานแสง

แม้ว่าสิ่งมีชีวิตหลายชนิดสามารถสังเคราะห์แสงได้และมีอิทธิพลต่อวงจรคาร์บอน แต่ระบบนิเวศน์ของป่าไม้ก็นับได้ว่าเป็นระบบที่สำคัญที่สุดระบบหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงปริมาณ CO2 ในบรรยากาศ ป่าไม้เป็นแหล่งสะสมคาร์บอนมากถึง 0.45x1012 ตัน และสามารถเก็บคาร์บอนต่อหน่วยพื้นที่ได้มากกว่าพืชสวนและพืชไร่ถึง 20-100 เท่า เมื่อป่าถูกทำลาย คาร์บอนที่ถูกเก็บไว้จะถูกปล่อยสู่บรรยากาศโดยกระบวนการออกซิเดชั่น และป่าที่เสียหายหรือถูกทำลายก็จะไม่สามารถดูดซับก๊าซ CO2 ได้อีกต่อไป การศึกษาความสามารถของพืชในการดูดซับ CO2 จากอากาศ

พืชมีการแลกเปลี่ยนก๊าซ CO2 กับอากาศโดยกระบวนการที่สำคัญสองชนิด ได้แก่กระบวนการสังเคราะห์แสงซึ่งเป็นการดูดซับ CO2 จากอากาศ และกระบวนการหายใจซึ่งเป็นการปล่อย CO2 สู่อากาศ กระบวนการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นในส่วนของพืชที่มีสีเขียวซึ่งมีคลอโรฟิลล์เป็นส่วนประกอบ พลังงานแสงจะถูกเปลี่ยนรูปให้เป็นพลังงานเคมีเก็บสะสมไว้ในสารประกอบคาร์บอนต่าง ๆ ที่สร้างมาจาก CO2 กับน้ำ ส่วนกระบวนการหายใจ เป็นการนำพลังงานเคมีที่สะสมไว้นั้นมาใช้ประโยชน์ในการเจริญเติบโตและพัฒนาของพืช โดยกระบวนการเผาผลาญที่ใช้ก๊าซออกซิเจน การสังเคราะห์แสงของใบพืช

ใบเป็นส่วนของพืชที่มีหน้าที่หลักในการสังเคราะห์แสง ใบของพืชต่างชนิดจะมีศักยภาพในการสังเคราะห์แสงต่างกัน ทั้งนี้เนื่องมาจากความแตกต่างทางพันธุกรรม และแม้กระทั่งใบของพืชชนิดเดียวกันที่อยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกันก็จะมีศักยภาพในการสังเคราะห์แสงต่างกัน ใบที่เจริญเติบโตและพัฒนาในที่ร่มจะมีศักยภาพของการสังเคราะห์แสงน้อยกว่าใบที่พัฒนาในที่แจ้งมาก ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการสังเคราะห์แสงของใบ ได้แก่ ความเข้มแสง ปริมาณก๊าซ CO2 ในอากาศ อุณหภูมิ น้ำและความชื้น และปัจจัยทางสรีรวิทยาของพืชเอง เช่น ความสมบูรณ์ของพืช ปริมาณธาตุอาหารที่พืชได้รับ ซึ่งใบพืชสามารถปรับตัวให้เหมาะสมกับสภาพปัจจัยต่าง ๆ เหล่านี้ เช่น ในใบพืชที่อยู่ในที่ร่ม จะได้รับแสงน้อย จึงมีใบที่บางและสามารถสังเคราะห์แสงในสภาพแสงน้อยได้ มีประสิทธิภาพสูงกว่าใบพืชที่อยู่ในกลางแจ้ง และใบพืชบางชนิดเช่นฝ้าย สามารถบิดหมุนเข้าหาแสง เพื่อรับแสงได้ดีขึ้น

การวัดอัตราการสังเคราะห์แสงของใบพืช สามารถทำได้โดยการวัดแลกเปลี่ยนก๊าซ CO2 หรือ O2 ระหว่างใบและอากาศ โดยกำหนดสภาพแวดล้อมที่ต้องการได้ในบางส่วน เช่น ความเข้มแสง และ ปริมาณ CO2 ในอากาศ การศึกษาเรือนพุ่มของพืช

ลักษณะของเรือนพุ่มพืช เป็นลักษณะจำเพาะที่ขึ้นกับพันธุกรรม และได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมที่พืชได้รับระหว่างการเจริญเติบโต ปัจจุบันการศึกษาเรือนพุ่มได้ก้าวหน้าไปมาก นักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินพื้นที่ใบทั้งหมดในเรือนพุ่มพืชได้จากเครื่อง canopy analyzer (Li-2000, LiCor Inc., USA) ที่นำข้อมูลการส่องผ่านของแสงในมุมต่างๆ 5 ระดับมาใช้ในการคำนวณ การศึกษาตำแหน่งและพื้นที่ของใบพืชในเรือนพุ่ม สามารถใช้เครื่อง 3 dimension digitization เข้าเก็บข้อมูลและนำมาสร้างพืชจำลอง (virtual plant) ซึ่งเมื่อนำมาศึกษาร่วมกับตำแหน่งของดวงอาทิตย์ และข้อมูลสภาพแวดล้อม ก็จะสามารถประเมินการกระจายของแสงในเรือนพุ่ม และประเมินการรับแสงโดยใบพืชแต่ละใบ ในเวลาต่าง ๆ ซึ่งเมื่อนำไปรวมกับข้อมูลการสังเคราะห์แสงของใบพืช จะสามารถประเมินการสังเคราะห์แสงของเรือนพุ่มได้ การสังเคราะห์แสงของเรือนพุ่มพืช

ความสามารถในการลดปริมาณ CO2 ในอากาศของพืช เป็นคุณสมบัติโดยรวมของพืชทั้งต้น แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถประเมินการสังเคราะห์แสงของพืชได้จากข้อมูลการสังเคราะห์แสงของใบ การกระจายแสงในเรือนพุ่ม และ ลักษณะเรือนพุ่ม ได้ก็ตาม แต่สุดท้าย นักวิทยาศาสตร์ก็ยังต้องการที่จะวัดการสังเคราะห์แสงของเรือนพุ่มพืชทั้งต้น ซึ่งสามารถกระทำได้แต่ไม่ง่ายนัก โดยหลักการทั่วไปได้แก่ การวัดอัตราการแลกเปลี่ยนก๊าซ CO2 ระหว่างพืชและอากาศ


1 ภาควิชาพืชไร่นา คณะเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
2 ภาควิชาพืชสวน คณะเกษตร มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
3 สถาบัน INRA ประเทศฝรั่งเศส