小麦与高CO2的相爱相杀

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一、CO2的身份

你有没有试过喝下一大口汽水，然后舒畅地打了个嗝儿？但你知道这都是CO2的功劳吗？就是这个围绕在我们周围又藏匿在我们身体的气体，让我们用了1500年才将它的名字脱口而出。

在刚刚过去的2018年，“全球都很热”成为城中焦点，而CO2升高作为全球变暖的主导原因之一，更是备受争议，尤其是在农业领域，因为我们生活中丰富多样的植物菜单都得益于CO2这个光合作用小助手的帮忙。

如此看来，是不是全球CO2升高在为我们酒足饭饱贡献力量呢？

二、CO2“肥料”如何工作？

对农业来说，CO2是当之无愧的幕后英雄。光合作用其实是一系列复杂的代谢反应的总和，是植物利用光能和体内色素反应中心将空气中的CO2和水转化为有机物和氧气的过程，但这一过程直到19世纪末才被证实，至此这种奇特的“气肥”才开始慢慢渗透我们的生活。

美国科学家曾在新泽西州的一家农场里研究了CO2对不同作物产量的影响，发现喷施CO2能够使水稻增产70%，而高粱的增产竟达到了200%。研究普遍认为大气CO2升高的“CO2肥料”效果对作物生长发育和产量的形成具有积极作用，还影响小麦等作物籽粒蛋白质和淀粉品质。

所以，高CO2真的能被我们吃掉吗？

三、CO2“肥料”一定有用？不一定！

CO2究竟是不是温室气体众说纷纭，但CO2能够为农业增产的事实确实也为大气CO2升高披上了一件“神圣”的外衣。针对“富碳农业”曾出现过一个“吃掉CO2农业大发展”的新闻标题，这篇被财经领域关注的农业理念明确指出，增施CO2后，设施蔬菜的产量可以大幅度增加，仅此一项可为某省增收上亿元。

全球CO2浓度变化趋势（引自德国霍恩海姆大学Petra Hogy）

可大气CO2升高是一个长期持续存在的过程，又有谁能够保证高CO2的增产效应能够一直在农作物中延续下去呢？这种增产效应背后是不是还有被我们忽略的累积影响？

小麦是世界三大主要作物之一，为人类提供了20%的蛋白质供应。近期，中科院东北地理所的科研人员针对大气CO2升高对小麦的影响开展了研究。在高CO2和正常环境下连续种植四代小麦，研究发现大气CO2升高对小麦植株生物量和籽粒产量具有显著地促进作用，并且在连续四代高CO2环境生长的小麦中表现更加明显，显示出一定的累积效应，可是这种增产现象很快开始被质疑。因为，研究人员发现单一代内或短期的高CO2会降低小麦籽粒中钾、钙、镁等矿质元素和蛋白质含量，而连续多代高CO2还会降低谷蛋白大聚合体及氨基酸含量，在籽粒品质中表现出一种加快变劣的趋势。

这种高CO2“稀释”农作物蛋白质含量，降低营养价值的现象，也就是现在科学家非常忧虑的“隐蔽的饥饿”。要解释这种营养物质被“稀释”的过程，颇为复杂。因为多出来的CO2常常转化为淀粉等碳水化合物，但是在连续多代高CO2生长的小麦中，并未发现明显的籽粒淀粉产量下降的变化，这也表明单一代内或短期的研究结果不足以估测大气CO2升高对作物产量品质的长期影响。为了警惕高CO2的“稀释”效应，人们迫切需要弄清CO2在植物营养成分生产中究竟扮演什么角色。

此外，研究人员还分析了大气CO2升高对小麦不同生长发育阶段的抗逆性影响。结果表明，开花前CO2增高会增加营养生长阶段对CO2吸收和利用，但是不利于小麦抵御抽穗期的低温，而灌浆期CO2增高则会缓解低温造成的小麦减产。这与之前普遍报道的整个生育期内CO2增高有利于缓解环境胁迫对小麦造成的损害有所不同。

正常CO2浓度下（左）与高CO2浓度下（右）生长的小麦（李向楠 摄）

这项研究工作提醒人们需要更加重视大气CO2升高在作物不同生育期的影响以及大气CO2升高对作物生产所带来的长期效应，而大气CO2升高对农作物生长和品质的影响可能比我们预期的更加复杂。

相关研究成果发表在《环境实验生物学》和《农艺学与作物科学杂志》上。（Environmentaland Experimental Botany, 2019, 157: 310-319; Journal of Agronomy and CropScience, 2019, 205: 54-64）

来源：中国科学院东北地理与农业生态研究所