二氧化碳升高致农作物营养不良

二氧化碳浓度不断升高（图片来源：中国科学报）

高二氧化碳导致作物减锌、减铁、减蛋白质
据英国《卫报》报道，科学家对小麦、稻米、玉米和大豆均进行了田间试验，试验证明升高的二氧化碳水平明显降低了这些作物所含的如铁、锌等此类的基本营养物质，同时降低了这些作物的蛋白质含量。
该研究主要作者、波士顿哈佛大学环境卫生专家萨缪尔·迈尔斯教授（Samuel Myers）说，“我们发现二氧化碳水平上升会降低重要主食作物中的营养物质，从而影响人体营养。而从健康角度看，铁和锌都是对人体非常重要的营养物质。”
萨缪尔·迈尔斯说，全世界几乎有20亿人口都被缺乏铁、锌这一问题所困扰。尤其对成长中的婴儿和孕妇来说，问题更为严重。目前，每年几乎有6300万人口因此而死亡。“现在这一问题已然成了一个巨大的公共健康问题，而大气中二氧化碳的不断上升将恶化这一问题。”
牛津饥荒救济委员会食物与天气政策主管汉娜·斯图达特（Hannah Stoddart）说：“这是另一个证实气候变化已经影响人类耕种作物、摄取所需营养物质的例子。预计到2050年，将有2500万不到5岁的儿童会因气候变化而遭受到营养不良的困扰。因此，削减二氧化碳排放量刻不容缓。”
据研究，在高二氧化碳水平下成长的小麦相比正常水平锌含量减少了9%、铁减少了5%、蛋白质含量减少6%；同样的，在高二氧化碳水平下成长的稻米，锌含量减少了3%、铁减少了5%、蛋白质含量减少8%；玉米和大豆的锌和铁含量减少水平相近，但蛋白质含量变化不大。
二氧化碳高浓度抑制作物硝酸盐转化成蛋白质的过程
无独有偶，4月6日的《自然气候变化》杂志在线发表了《田间生长麦子的硝酸盐同化受到CO2升高的抑制》，该论文显示了来自美国加州大学戴维斯分校植物科学家们的小麦田间试验结果。
小麦是非常重要的粮食作物，提供了全球人类近1/4的饮食蛋白。
研究论文第一作者、加州大学戴维斯分校植物科学系教授阿诺德·布鲁姆（Arnold Bloom）表示，“食物质量正随着大气中二氧化碳水平的上升而逐渐下降，人们已经对此提出过多种解释。但我们研究首次证明，大气二氧化碳浓度升高抑制了农作物将硝酸盐转化成蛋白质的过程。这也意味着气候变化加剧，将导致粮食作物的营养质量变差。”
氮同化作用，又称氮同化过程，在植物的生长和生产中起着关键的作用。在粮食作物中，氮同化作用尤其重要，因为植物利用氮产生对人类营养至关重要的蛋白质。
何为氮同化作用？我们的空气中含有近79%的氮气，然而植物无法直接利用这些分子态氮，植物所利用的氮源主要来自土壤。而土壤中的有机含氮化合物主要源于动物、植物和微生物躯体的腐烂分解，但这些含氮化合物中的大多数是不溶于水的，通常不能直接为植物所利用，植物只可以吸收其中的氨基酸、酰胺和尿素等水溶性的有机氮化物。
于是，以铵盐和硝酸盐为主的无机氮化物，约占土壤含氮量的1%—2%。植物从土壤中吸收铵盐后，可直接利用它去合成氨基酸这样的有机氮化物；如果吸收硝酸盐，则必须经过代谢还原才能将其利用。
总之，植物从土壤中吸收铵，或由硝酸盐还原形成铵后会立即被同化为氨基酸。氨的同化在根、根瘤和叶部进行。
未来几十年内，蛋白质总量可能下降约3%
在过去的20年内，二氧化碳对植物的影响成为科学界的研究热点。其研究主要集中于水稻、小麦、棉花等一些重要农作物的生长和产量方面。许多实验室的研究表明，大气中二氧化碳水平升高抑制谷物和非豆科植物叶片的硝酸盐同化，即氮同化作用。
为了研究小麦对不同水平的大气二氧化碳反应，加州大学戴维斯分校的研究人员检测了1996和1997年种植在亚利桑那凤凰城附近马里科帕农业中心的小麦样品。在那个时候，富含二氧化碳的空气释放到田间地头，使实验田大气中碳的水平升高，受控制的小麦作物也生长在这一环境中。于是，研究人员在当时便将各种不同小麦试验田中收割的叶子即刻置于冰上，然后放进烘箱烘干并储存在真空密封的容器中，最大限度地减少各种氮化合物随时间的变化。10多年后，该研究团队利用这些材料开展在实验小麦植株收割时所不能开展的有关化学分析。
根据马里科帕农业中心的小麦样品，研究人员在通过对田间生长小麦中三种不同硝酸盐同化测算，肯定了大气中二氧化碳浓度升高对蛋白质合成的抑制作用。这一研究结果与之前实验室研究结果是一致的。此外，研究也表明，植株叶子的硝酸盐同化对大气中二氧化碳浓度升高存在数种生理机制的响应。
“这些田间研究结果与以前的实验室研究结果是一致的，表明了有几个生理机制负责二氧化碳对叶片硝酸盐同化的抑制作用。”阿诺德·布鲁姆说。
阿诺德·布鲁姆还认为，其他科学研究也表明，在大气二氧化碳浓度升高的条件下，小麦、水稻和大麦籽粒以及马铃薯块茎的蛋白质含量平均下降约8%。“当这种下降被分解为人类取自各种作物的饮食蛋白比例时，可以确定，在未来几十年内，当大气中的二氧化碳达到预期的水平，可供人类消费的蛋白质总量将可能下降约3%。”
阿诺德·布鲁姆说，大量使用氮肥增强作物的氮同化作用，可以部分弥补所下降的食品质量，但这会产生负面影响，包括更高的经济成本、更多的硝酸盐流失到地下水中，增加温室气体氧化亚氮的排放量等。
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