【中科院之聲】小麥與高二氧化碳的相愛相殺
原創： 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原因之一，更是備受爭議，尤其是在農業領域，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力量呢？
二、CO2“肥料”如何工作？
對農業來說，CO2是當之無愧的幕后英雄。光合作用其實是一系列復雜的代謝反應的總和，是植物利用光能和體內色素反應中心將空氣中的CO2和水轉化為有機物和氧氣的過程，但這一過程直到19世紀末才被證實，至此這種奇特的“氣肥”才開始慢慢滲透我們的生活。
美國科學家曾在新澤西州的一家農場里研究了CO2對不同作物產量的影響，發現噴施CO2能夠使水稻增產70%，而高粱的增產竟達到了200%。研究普遍認為大氣CO2升高的“CO2肥料”效果對作物生長發育和產量的形成具有積極作用，還影響小麥等作物籽粒蛋白質和淀粉品質。
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能夠為農業增產的事實確實也為大氣CO2升高披上了一件“神圣”的外衣。針對“富碳農業”曾出現過一個“吃掉CO2農業大發展”的新聞標題，這篇被財經領域關注的農業理念明確指出，增施CO2后，設施蔬菜的產量可以大幅度增加，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Petra Hogy）
可大氣CO2升高是一個長期持續存在的過程，又有誰能夠保證高CO2的增產效應能夠一直在農作物中延續下去呢？這種增產效應背后是不是還有被我們忽略的累積影響？
小麥是世界三大主要作物之一，為人類提供了20%的蛋白質供應。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和正常環境下連續種植四代小麥，研究發現大氣CO2升高對小麥植株生物量和籽粒產量具有顯著地促進作用，并且在連續四代高CO2環境生長的小麥中表現更加明顯，顯示出一定的累積效應，可是這種增產現象很快開始被質疑。因為，研究人員發現單一代內或短期的高CO2會降低小麥籽粒中鉀、鈣、鎂等礦質元素和蛋白質含量，而連續多代高CO2還會降低谷蛋白大聚合體及氨基酸含量，在籽粒品質中表現出一種加快變劣的趨勢。
這種高CO2“稀釋”農作物蛋白質含量，降低營養價值的現象，也就是現在科學家非常憂慮的“隱蔽的饑餓”。要解釋這種營養物質被“稀釋”的過程，頗為復雜。因為多出來的CO2常常轉化為淀粉等碳水化合物，但是在連續多代高CO2生長的小麥中，并未發現明顯的籽粒淀粉產量下降的變化，這也表明單一代內或短期的研究結果不足以估測大氣CO2升高對作物產量品質的長期影響。為了警惕高CO2的“稀釋”效應，人們迫切需要弄清CO2在植物營養成分生產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育階段的抗逆性影響。結果表明，開花前CO2增高會增加營養生長階段對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。這與之前普遍報道的整個生育期內CO2增高有利于緩解環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升高對作物生產所帶來的長期效應，而大氣CO2升高對農作物生長和品質的影響可能比我們預期的更加復雜。
相關研究成果發表在《環境實驗生物學》和《農藝學與作物科學雜志》上。（Environmentaland Experimental Botany, 2019, 157: 310-319; Journal of Agronomy and CropScience, 2019, 205: 54-64）
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