【中科院之聲】小麥與高二氧化碳的相愛相殺
原創(chuàng)： 李慧 李向楠
一、CO2的身份
你有沒有試過喝下一大口汽水，然后舒暢地打了個嗝兒？但你知道這都是CO2的功勞嗎？就是這個圍繞在我們周圍又藏匿在我們身體的氣體，讓我們用了1500年才將它的名字脫口而出。
在剛剛過去的2018年，“全球都很熱”成為城中焦點，而CO2升高作為全球變暖的主導(dǎo)原因之一，更是備受爭議，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，因為我們生活中豐富多樣的植物菜單都得益于CO2這個光合作用小助手的幫忙。
如此看來，是不是全球CO2升高在為我們酒足飯飽貢獻(xiàn)力量呢？
二、CO2“肥料”如何工作？
對農(nóng)業(yè)來說，CO2是當(dāng)之無愧的幕后英雄。光合作用其實是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是植物利用光能和體內(nèi)色素反應(yīng)中心將空氣中的CO2和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物和氧氣的過程，但這一過程直到19世紀(jì)末才被證實，至此這種奇特的“氣肥”才開始慢慢滲透我們的生活。
美國科學(xué)家曾在新澤西州的一家農(nóng)場里研究了CO2對不同作物產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)噴施CO2能夠使水稻增產(chǎn)70%，而高粱的增產(chǎn)竟達(dá)到了200%。研究普遍認(rèn)為大氣CO2升高的“CO2肥料”效果對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成具有積極作用，還影響小麥等作物籽粒蛋白質(zhì)和淀粉品質(zhì)。
所以，高CO2真的能被我們吃掉嗎？
三、CO2“肥料”一定有用？不一定！
CO2究竟是不是溫室氣體眾說紛紜，但CO2能夠為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的事實確實也為大氣CO2升高披上了一件“神圣”的外衣。針對“富碳農(nóng)業(yè)”曾出現(xiàn)過一個“吃掉CO2農(nóng)業(yè)大發(fā)展”的新聞標(biāo)題，這篇被財經(jīng)領(lǐng)域關(guān)注的農(nóng)業(yè)理念明確指出，增施CO2后，設(shè)施蔬菜的產(chǎn)量可以大幅度增加，僅此一項可為某省增收上億元。
全球CO2濃度變化趨勢（引自德國霍恩海姆大學(xué)Petra Hogy）
可大氣CO2升高是一個長期持續(xù)存在的過程，又有誰能夠保證高CO2的增產(chǎn)效應(yīng)能夠一直在農(nóng)作物中延續(xù)下去呢？這種增產(chǎn)效應(yīng)背后是不是還有被我們忽略的累積影響？
小麥?zhǔn)鞘澜缛笾饕魑镏唬瑸槿祟愄峁┝?0%的蛋白質(zhì)供應(yīng)。近期，中科院東北地理所的科研人員針對大氣CO2升高對小麥的影響開展了研究。在高CO2和正常環(huán)境下連續(xù)種植四代小麥，研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2升高對小麥植株生物量和籽粒產(chǎn)量具有顯著地促進(jìn)作用，并且在連續(xù)四代高CO2環(huán)境生長的小麥中表現(xiàn)更加明顯，顯示出一定的累積效應(yīng)，可是這種增產(chǎn)現(xiàn)象很快開始被質(zhì)疑。因為，研究人員發(fā)現(xiàn)單一代內(nèi)或短期的高CO2會降低小麥籽粒中鉀、鈣、鎂等礦質(zhì)元素和蛋白質(zhì)含量，而連續(xù)多代高CO2還會降低谷蛋白大聚合體及氨基酸含量，在籽粒品質(zhì)中表現(xiàn)出一種加快變劣的趨勢。
這種高CO2“稀釋”農(nóng)作物蛋白質(zhì)含量，降低營養(yǎng)價值的現(xiàn)象，也就是現(xiàn)在科學(xué)家非常憂慮的“隱蔽的饑餓”。要解釋這種營養(yǎng)物質(zhì)被“稀釋”的過程，頗為復(fù)雜。因為多出來的CO2常常轉(zhuǎn)化為淀粉等碳水化合物，但是在連續(xù)多代高CO2生長的小麥中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的籽粒淀粉產(chǎn)量下降的變化，這也表明單一代內(nèi)或短期的研究結(jié)果不足以估測大氣CO2升高對作物產(chǎn)量品質(zhì)的長期影響。為了警惕高CO2的“稀釋”效應(yīng)，人們迫切需要弄清CO2在植物營養(yǎng)成分生產(chǎn)中究竟扮演什么角色。
此外，研究人員還分析了大氣CO2升高對小麥不同生長發(fā)育階段的抗逆性影響。結(jié)果表明，開花前CO2增高會增加營養(yǎng)生長階段對CO2吸收和利用，但是不利于小麥抵御抽穗期的低溫，而灌漿期CO2增高則會緩解低溫造成的小麥減產(chǎn)。這與之前普遍報道的整個生育期內(nèi)CO2增高有利于緩解環(huán)境脅迫對小麥造成的損害有所不同。
正常CO2濃度下（左）與高CO2濃度下（右）生長的小麥（李向楠 攝）
這項研究工作提醒人們需要更加重視大氣CO2升高在作物不同生育期的影響以及大氣CO2升高對作物生產(chǎn)所帶來的長期效應(yīng)，而大氣CO2升高對農(nóng)作物生長和品質(zhì)的影響可能比我們預(yù)期的更加復(fù)雜。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《環(huán)境實驗生物學(xué)》和《農(nóng)藝學(xué)與作物科學(xué)雜志》上。（Environmentaland Experimental Botany, 2019, 157: 310-319; Journal of Agronomy and CropScience, 2019, 205: 54-64）
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