二氧化碳浓度的上升会直接降低作物的营养价值

《Global Change Biology》：CO2 Rise Directly Impairs Crop Nutritional Quality

植物元素 stoichiometry 受 CO? 升高影响显著，C3 植物普遍下降（锌降 3.4%-37.5%），C4 植物部分元素（如氮、锌、硼）也有响应，导致食物营养密度降低，威胁隐性饥饿。需减排以缓解营养安全风险。

　　随着人类活动的加剧，大气中的二氧化碳（CO?）浓度从约280 ppm上升至约425 ppm，这一变化不仅对全球气候系统产生了深远影响，还对人类营养状况构成了潜在威胁。CO?浓度的升高通过多种间接途径影响粮食安全，如气候变化导致的极端天气事件、温度上升、授粉昆虫数量减少以及收获后损失增加等。然而，关于CO?浓度上升对营养素含量的直接影响，研究相对较少，且相关成果往往被忽视。本文旨在填补这一研究空白，通过创建一个包含最多数据（5324个条目，涵盖29,524对观测值）的植物营养素变化的元分析数据库，揭示全球变暖背景下植物营养素含量的变化趋势及其对人类营养状况的潜在影响。

植物营养素的变化主要体现在其元素组成上，即植物的化学元素比例发生变化，这可能导致植物整体营养价值下降。研究发现，随着CO?浓度的升高，植物中的某些营养素如锌的含量显著减少，而其他营养素如钾则可能略有增加。这种变化并非均匀发生，而是因植物种类、营养素种类以及植物部位的不同而存在差异。例如，C3和C4植物的反应模式存在显著区别，C3植物在CO?浓度上升的情况下表现出更明显的营养素减少趋势，而C4植物则表现出相对较小的改变，尽管某些特定营养素如氮和锌也显示出下降趋势，而硼则略有增加。这一发现表明，尽管C4植物的反应可能不如C3植物显著，但它们的营养素变化同样值得关注。

此外，植物部位的不同也影响了营养素的响应。研究发现，地下部分（如根和块茎）的营养素减少幅度最大，其次是繁殖部分（如果实、种子和谷物），最后是地上部分（如茎和嫩枝）。这种差异可能与植物不同部位的功能有关，例如地下部分主要负责吸收和储存养分，而地上部分则主要进行光合作用。因此，CO?浓度的升高可能对植物整体的营养素比例产生系统性影响，进而影响人类的营养摄入。

值得注意的是，CO?浓度的升高不仅影响植物的营养素含量，还可能通过改变植物中抗营养素（如植酸）的水平间接影响营养素的吸收。植酸是一种抑制矿物质吸收的物质，其浓度的增加可能降低人体对铁、锌等重要矿物质的吸收率，从而加剧营养不良的风险。尽管研究已经关注了某些关键营养素的变化，但对非必需元素和潜在有害元素（如铅、铬、镍）的研究仍然不足，这些元素在植物中的变化可能对人类健康产生不利影响。

当前的研究结果表明，即使在CO?浓度上升的情况下，粮食产量可能仍然保持稳定，但其营养密度却可能下降。这意味着，虽然人们可能能够获得足够的热量，但可能缺乏必要的微量营养素。这一现象在已有研究中已有提及，但本文通过更全面的数据收集和分析，进一步确认了这一趋势的普遍性。例如，研究发现，即使在不同的实验条件下（如自由大气CO?增强实验、开放顶部室实验和温室实验），植物营养素含量的变化趋势依然一致，这说明CO?浓度上升对植物营养素的影响具有一定的普遍性。

研究还指出，不同作物对CO?浓度变化的反应存在显著差异。例如，水稻、小麦和大豆等主要作物的营养素含量在CO?浓度上升的情况下表现出较大的下降趋势，而某些作物如玉米和高粱则可能在特定条件下表现出不同的变化。这一发现强调了作物种类在应对CO?浓度变化时的多样性，同时也提醒我们，在未来的农业规划中，需要综合考虑不同作物的营养素变化，以确保粮食系统的营养安全性。

在实验设计方面，研究发现户外实验（如开放顶部室和自由大气CO?增强实验）与室内实验（如温室和生长室）在植物营养素变化的检测上存在差异。户外实验往往显示出更大的变化幅度，这可能与实际生长环境的复杂性有关。然而，尽管户外实验可能更接近现实条件，但其结果也可能因实验设置的局限性而被低估。因此，未来的研究需要结合多种实验方法，以获得更全面的数据。

此外，研究还强调了实验设计中对其他影响因素（如温度、灌溉、播种时间、施肥和臭氧浓度）的考虑。这些因素可能对植物营养素的变化产生重要影响，但目前的研究主要集中在CO?浓度本身。因此，未来的元分析应更加全面，将这些因素纳入考虑范围，以更准确地预测植物营养素的变化趋势。

在营养安全方面，研究发现，随着CO?浓度的升高，营养素的下降趋势可能对全球人口产生广泛影响，尤其是那些依赖植物性食物为主的人群。尽管粮食产量可能不会受到显著影响，但营养密度的下降可能导致营养不良的发生率上升。这一现象在一些研究中已有提及，但本文通过大规模数据的分析，进一步验证了这一趋势的普遍性，并指出即使在营养素含量下降的情况下，某些特定作物（如鹰嘴豆）的营养素变化幅度尤为显著，可能对特定人群的健康产生重大影响。

为了应对这一挑战，研究建议未来的农业政策应更加注重营养安全，而不仅仅是粮食产量。这包括对作物品种的选择、种植条件的优化以及对营养素变化的监测。此外，研究还指出，减少CO?排放是减缓植物营养素下降趋势的关键措施，因为CO?浓度的升高与植物营养素含量的下降存在直接关系。通过降低排放，可以减缓这一变化，从而保护植物的营养价值。

最后，研究呼吁更多的跨学科合作，以更好地理解植物营养素变化的机制及其对人类健康的影响。这不仅需要植物学家和营养学家的合作，还需要政策制定者和社会科学家的参与，以制定有效的应对策略。同时，研究也指出，未来的元分析应更加注重不同作物和营养素的差异性，以提供更精确的预测和更有效的解决方案。