综述：干旱和水分盐度对作物营养质量及全球粮食安全的影响

《Science of The Total Environment》：Effects of drought and water salinity on crop nutritional quality and global food security

　　

# 摘要

干旱和水质盐度是气候变化相关的最严重环境胁迫因素之一，影响着粮食生产系统和全球粮食安全。本研究旨在对现有科学证据进行定量综合，探讨干旱和水质盐度对粮食作物营养组成的影响，并识别影响这些关系的关键调节因素。采用系统文献综述和荟萃分析方法，纳入评估干旱和盐度对粮食作物营养组成及营养指标影响的观察性和实验性研究。采用随机效应模型估计合并效应量，使用Q统计量和τ2估计量评估异质性。调节分析用于考察地理区域、作物类型和盐度水平的影响。采用散点图评估潜在的发表偏倚。荟萃分析结果表明，干旱和盐度对作物营养结局均产生显著负面影响，其中干旱的合并效应更强且更一致。对于盐度而言，效应量随盐度强度增加而增大，提示存在临界阈值，超过该阈值后营养质量将显著下降。调节分析显示存在显著的区域差异和作物特异性反应，凸显了这些环境胁迫因素的情境依赖性。这些发现表明，干旱和水质盐度是粮食质量和作物营养质量的重要风险因素，其影响在未来气候变化情景下可能进一步加剧。本研究强调了在评估气候相关胁迫时需整合农学和营养学视角，并制定有针对性的适应策略以保障粮食安全和营养质量。

# 引言

近几十年来，极端水文事件的发生频率和严重程度不断增加——特别是干旱以及与水资源和土壤过度盐化相关的现象——对全球粮食和健康系统构成了重大挑战（Nachshon, 2018; Kaushal等, 2021; Khondoker等, 2023; Mani等, 2024; Shokri等, 2024; Granata等, 2025）。气候变化和人为压力不仅减少了农业用水的可获得性，还降低了水质，进而导致作物产量下降、植物性食物的营养价值降低以及营养不良风险升高（Owino等, 2022; Wijerathna-Yapa和Pathirana, 2022）。鉴于不断增长的实证证据，亟需建立一套整合研究框架，将植物和水生生态系统中的生理机制与人类群体中观察到的社会经济和公共卫生后果联系起来（Paudel等, 2021; De Carvalho等, 2025）。

干旱与人群营养状况之间的关系在科学文献中已有相对充分的记载。一项涵盖22项研究的系统综述与荟萃分析考察了干旱、洪水和气候变率对营养不良结局的影响，结果显示干旱条件显著增加了研究人群中消瘦和低体重的风险。这些形式的营养不良合并比值比（OR）大致相当，约为干旱条件下相对于非干旱时期的1.46，对应于干旱事件期间风险增加近50%（Lieber等, 2022）。作者强调，大多数被分析的研究集中于撒哈拉以南非洲或印度的人口，这些地区主要依赖自给自足农业，且潜在路径包括农业产量下降和对感染易感性增加等（Lieber等, 2022）。这进一步表明，干旱的影响既包括定量成分——粮食供应减少——也包括与体重下降和营养障碍相关的整体健康状况恶化的定性成分（Farooq等, 2022; Lieber等, 2022）。另一个重要观察是这些关系的长期性质：不同营养不良指标在不同时间尺度上产生反应，消瘦和低体重等急性指标通常在极端事件发生后数周至数月内加剧，而慢性指标可能仅在数年后才显现（Lieber等, 2022）。这种时间异质性凸显了在不同时间范围内进行系统性监测和干预的必要性（Paparini等, 2021; De Sario Velasquez等, 2024）。

由于淡水资源的日益开采、海平面上升以及不当的水管理实践，水资源和土壤盐化问题正在加剧（B?n?duc等, 2022; Hossain和Li, 2024）。实际上，盐度对植物构成额外的胁迫因素，在水分有限的条件下，植物必须同时应对过高的盐浓度（El Sabagh等, 2021; Angon等, 2022）。实验研究清楚地表明，水分亏缺与盐度的组合产生加性甚至协同效应，比单一胁迫因子的影响更为严重（Zandalinas等, 2021; Ziogas等, 2021; Zandalinas和Mittler, 2022）。在一项针对生菜的实验中，研究人员应用了不同水平的供水和溶液盐度，观察到两种胁迫均导致植物生长显著下降（Abrar等, 2022; Azeem等, 2023; Talaat和Hanafy, 2022）。植物在最优条件下生长最好，而盐度增加和水资源受限导致植株高度和叶片生物量系统性下降；在严重干旱胁迫与最高盐度的组合条件下，生长表现最差（Abdelkader等, 2024）。这些结果表明，即使水分供应看似充足，较高的盐度也可显著抑制植物发育，而水资源短缺则进一步加剧生物量损失。此外，这种复合胁迫不仅影响产量数量，还影响作物质量和化学组成。所引用的研究报告指出，与对照组相比，在严重干旱胁迫和高盐度条件下种植的生菜叶片氮含量降低了约36%（Abdelkader等, 2024）。这种变化可能转化为植物产品营养价值的降低，特别是当这些作物构成当地饮食的重要组成部分时。

关于仅受盐度胁迫生菜的其他研究也证实了关键宏量营养元素浓度的下降，包括氮、磷和钾，以及——取决于生长条件——钠的积累增加。在一项研究盐度胁迫和防护干预措施的研究中，作者报告称盐度降低了生菜叶片中N、P和K的生物积累，同时增加了Na离子的浓度（Sardar等, 2023）。这种离子转移和植物矿物组成变化使得维持供人类食用的作物中适当营养平衡变得复杂。

上述机制表明，干旱和盐度通过多条相互关联的路径发挥作用：通过减少作物产量和降低作物营养质量，通过粮食价格和可得性的间接影响，以及通过与其他健康相关和社会经济因素的相互作用。同时，不同作物种类、地理区域和社会群体之间的敏感性存在显著异质性。一些研究表明，性别、教育水平以及是否存在区域性援助或干预项目等因素可能改变干旱对作物营养结局的影响（Lieber等, 2022）。这些观察强调了进行多层次分析的需要，涵盖植物分子和生理过程、食品市场和分销系统的动态以及特定人口群体的健康结局（Fan等, 2021; Khatri等, 2024）。深入了解作物产量和营养成分出现快速下降的胁迫阈值，可为水资源管理和农户支持的实际建议提供依据（Brempong等, 2023）。此外，现有证据凸显了几个潜在的干预领域。例如，关于作物管理改进、生物刺激剂应用或其他胁迫缓解策略的研究表明，生长和质量损失可得到部分缓解，这对干旱和盐度脆弱地区具有潜在意义（Bhupenchandra等, 2022; Di Sario等, 2025）。然而，此类干预措施通常需要额外的资源、技术和专业知识，在最受影响的地区可能难以获得，从而凸显了公共政策和国际支持的关键作用。

尽管数据量日益增长，但在其整合方面仍存在显著空白。近期研究日益关注以下问题：干旱和盐度引起的植物矿物和生化组成变化如何转化为不同粮食系统中人类营养状况的具体方面？这些效应在多大程度上因作物类型、农业技术、气候区域和基础设施发展水平而异？在实际中，这些效应如何与粮食政策、市场和援助计划相互作用，短期与长期结果在什么时间尺度上出现？

本文旨在审查和综合关于这些联系的相关证据，同时考虑植物和水生生态系统中的生理机制以及相关的社会经济和健康影响。具体而言，本文按以下顺序展开：（i）讨论干旱和盐度影响作物生产和栽培植物营养平衡的机制；（ii）分析流行病学和经济证据，探讨这些现象对粮食安全和人群营养状况的影响；（iii）识别最具潜力缓解不利影响的可能适应和管理策略；（iv）确定需要进一步研究的关键领域，特别是在气候变化和不断增加的水相关压力背景下。

# 文献检索策略

荟萃分析按照PRISMA 2020指南进行（Page等, 2021）。本综述未进行注册；然而，研究遵循了预设方案并符合PRISMA指南。使用Web of Science、Scopus和PubMed数据库进行了科学文献的系统检索。检索涵盖所有出版年份的出版物，无地域限制。

# 纳入研究的特征

数据库检索共识别出705条记录（Web of Science n = 307，Scopus n = 225，PubMed n = 173）。去除重复记录后，剩余180条记录，基于标题和摘要进行筛选。其中125条记录被排除。55篇全文文章经过合格性评估，45篇因与研究问题及目标不相关而被排除。最终纳入综述的文章为10篇。PRISMA流程图总结了研究筛选过程。

# 理论与实践意义

理解和记录干旱、盐度与作物营养质量之间的关系具有重要的科学和实践意义（Angon等, 2022; Flórez-Martínez等, 2024）。从理论角度来看，这一知识有助于在气候变化背景下开发更全面的环境健康风险模型（Rezvani等, 2023）。从实践角度来看，它为制定增强粮食韧性并应对盐度和干旱影响的政策和技术提供了基础。

# 结论

本荟萃分析提供了有力证据，表明干旱和水质盐度对作物营养质量均产生显著负面影响，主要通过降低营养元素浓度以及其他对食物组成的不利影响。这些发现证实，与水资源短缺和盐度增加相关的环境胁迫因素是粮食安全和公共卫生的重要但尚未得到充分认识的决定因素。

# 定量分析

# CRediT作者贡献声明

Jan Bocianowski：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。

# 资金来源

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。

# 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

Jan Bocianowski
波兰波兹南生命科学大学数学与统计方法系，Wojska Polskiego 28，60-637，波兹南，波兰