为了预测农作物如何应对气候变化 30年的实验模拟了未来

五年前，联合国承诺到2030年实现“零饥饿”的可持续发展目标。然而，此后，世界饥饿仍在继续增加。粮农组织在2020年的一份报告中指出，目前全球近9%的人口营养不良，而气候多是导致我们偏离正常轨道的主要因素。

在过去的30年中，遍布五大洲的14个长期研究机构组成的网络模拟了未来的二氧化碳(CO 2)水平，以预测对作物的影响。重要的是，这些自由空气富集(FACE)实验是在现实世界的野外条件下进行的，以捕获影响作物生长和产量的复杂环境因素。

今天，发表在《全球变化生物学》上的一篇综述综述了30年的FACE数据，以了解CO 2水平上升和其他因素如何影响全球农作物的生产。与15年前发表在《新植物学家》(New Phytologist)上的作者先前的评论相比，这项研究对未来的展望不那么乐观。“如果社会决定对这些行动采取行动，则可能会有基因解决方案，但是时间很短，”共同作者，伊肯伯里捐赠的大学作物科学和植物生物学系主任斯蒂芬·朗(Stephen Long)说。

美国农业部农业研究服务部(USDA-)的研究植物生理学家Lisa Ainsworth说：“回头看看在这些实验的整个生命周期中CO 2浓度增加了多少，真是令人震惊。ARS)。“ 30年前，我们已经达到了一些首批CO 2处理的浓度。我们可以检查当前大气中某些首批FACE实验结果的想法令人不安。”

该评论考虑了两类植物：大多数作物为C3(包括大豆，木薯和水稻)，它们通过光合作用将CO 2和光转化为能量的效率较低。C4植物(例如玉米和甘蔗)通过利用接收到的一些光能使叶片中的CO 2浓缩来增强光合作用，使其效率提高60%。

在C3作物中，氧气抑制了光合作用，而光合作用由于增加CO 2的浓度而减弱。这就是为什么许多商业温室种植者提高CO 2水平以促进光合作用以及提高番茄，辣椒，黄瓜和其他温室作物产量的原因。那么，通过使用化石燃料和森林砍伐造成的大气中CO 2的增加会产生相同的效果吗?

伊利诺伊大学的一项综述综合了来自全球14个设施的30年数据，这些设施模拟了未来的气候条件，以确定二氧化碳上升可能对农作物造成适得其反。图：伊利诺伊大学的SoyFACE'自由空气浓缩浓缩(FACE)设施模拟二氧化碳和温度的升高以及降雨模式的变化。图片来源：James Baltz /伊利诺伊大学

结果

与他们以前的评论一样，但是这次的研究增加了十倍，研究人员表明，如果有足够的养分和水分，将CO 2升高至本世纪下半叶的预期水平可以使C3作物的产量提高18%。

“因此，随着CO 2的增加，我们应该期待赏金吗?” 隆·卡尔(Carl R. Woese基因组生物学研究所)成员朗说。“遗憾的是，不是因为CO 2的上升是全球气候系统变化的主要原因。由CO 2的上升引起的预计2°C的温度上升可能会使我们一些主要农作物的产量减半，从CO 2中获得收益。”

尽管CO 2提高了产量，但也造成了重要的质量损失。许多作物显示出较低的矿质营养和蛋白质含量。在低氮肥的条件下，这种增产效应也要小得多，这是世界上较贫穷国家中许多农民的状况。令人震惊的是，自第一次审查以来，显而易见的是，在较高的CO 2浓度下，我们的主要粮食作物变得更加容易受到病虫害的影响。

艾因斯沃思说：“很多人认为，增加二氧化碳2对作物来说是一件好事：假设增加二氧化碳2会使世界森林更绿，并增加农作物的产量。” “最近的研究对这一假设提出了一些挑战。我们发现，当您面临其他压力时，您并不会总是从提高CO 2的收益中受益。”

从更积极的角度来看，作者表明，我们的主要作物内有足够的遗传变异，可以克服其中的一些负面影响，并利用较高的CO 2的产量带来的收益。朗说：“缺乏遗传变异的地方，已经有一些生物工程解决方案已经被证明可以防止当CO 2升高温度时防止产量损失。” “但是，考虑到开发新的农作物品种所花费的时间，这种潜力只有我们现在就开始才能实现。”

伊利诺伊大学的一项综述综合了来自全球14个设施的30年数据，这些设施模拟了未来的气候条件，以确定二氧化碳上升可能对农作物造成适得其反。图为：伊利诺伊大学的SoyFACE自由空气浓缩浓缩(FACE)设施测试了二氧化碳水平升高对大豆品种的影响。图片来源：Carl Bernacchi /伊利诺伊大学

未来研究

艾因斯沃思说：“我们的动力是为未来做准备，并确定对于最大程度地提高CO 2响应率，同时应对可能降低产量的全球变化方面至关重要的特征。” “过去15年教会我们更多地考虑其他因素(如干旱，温度，养分和病虫害)的复杂相互作用。”

研究人员应该探索更多种类的农作物和基因型，以及不同的管理方法，例如播种密度，耕作和覆盖作物，以寻找其他对环境没有负担的解决方案。

同样，FACE社区需要更大的可访问性来获得所有实验结果。

Ainsworth说：“我们没有过去20年研究中所有FACE结果的正式数据库。” “有机会将所有信息集中到一个地方，使每个人都可以公开访问，并鼓励更多的人使用这些数据来考虑解决方案。”

Long说：“理想的解决方案将是我们大大减少向大气中释放CO 2并迅速实现碳中和。” “但是我们还需要为无法实现这一目标而购买一份保险单。也就是说，我们需要育种和设计能够适应未来发展的作物和系统，这些作物和系统在大气成分和气候的综合变化下可以保持可持续性和营养价值，以帮助实现零饥饿的目标。”

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