田间试验。冯兆忠供图
蓝天白云越来越多，但另一个“隐形杀手”臭氧却正在“杀死”我们的粮食。
1月18日，《自然—食品》杂志刊发了南京信息工程大学教授冯兆忠团队的最新研究成果。通过在田间开展试验，研究人员发现，当前臭氧浓度已经引起中日韩三国小麦、玉米和稻米的产量损失，其中对中国粮食作物产量影响最大。
“单个区域或国家的政策可能不足以将臭氧浓度降低到要求水平，必须在更广泛的亚洲区域协同，实施严格的排放管制。”冯兆忠告诉《中国科学报》。
臭氧成为重大“危险分子”
地表臭氧是一种大气二次污染物，是氮氧化物和碳氢化合物在阳光照射下发生光化学反应产生的，会直接导致全球变暖，同时给陆地生态系统带来威胁。
有数据统计，北半球地表的臭氧浓度已从前工业化时期的10~15ppb增加到目前的约50ppb。上个世纪末，北美和欧洲开始实行“空气清洁行动”，当前臭氧污染虽有所减少，但其浓度亦超过了敏感植物的受害阈值。
臭氧浓度长期在31~50ppb范围内，可使全球小麦、水稻和玉米的年产量分别降低7.1%、4.4%和6.1%，并可能导致每年数十亿美元的综合经济损失。
“臭氧污染是一个全球性环境问题，但亚洲的臭氧浓度仍在增加。从全球来看，目前地表臭氧浓度最高的区域是东亚，臭氧对我们的粮食安全正在构成威胁。”冯兆忠说。
亚洲是世界最大的作物生产地之一，2014年至2018年间，全球90%的大米、32%的玉米和44%的小麦来自亚洲。因此，遏制亚洲臭氧污染势在必行。
在冯兆忠看来，对于亚洲而言，过去对臭氧引起作物损失的量化研究可能存在偏差，鉴于土壤条件、气候特征和耕作措施等方面的差异，欧美国家的试验结果不适用于亚洲区域。
过去15年里，冯兆忠团队致力于通过开展大田试验，研究地表臭氧浓度升高对农田生态系统的影响，包括光合速率、作物生长、产量及籽粒品质等方面，也开展了很多研究评估臭氧造成的中国粮食作物产量损失。
在该研究中，研究人员基于亚洲区域开展的田间试验结果，并利用中国、日本和韩国3000多个空气质量监测网站数据，定量评估了当前东亚三国臭氧污染对粮食（小麦、稻米和玉米）的影响。
中国损失最大
研究人员开发了水稻、小麦和玉米3种主要作物臭氧剂量—产量效应模型，并将该模型与东亚3000多个监测点的地面臭氧测量相结合，以评估环境臭氧引起的产量损失。
研究人员将亚乙基二脲（EDU）应用于小麦、水稻和玉米作物，这是一种广泛使用以保护植物免受臭氧伤害的抗臭氧剂。之后，他们将产量损失的估计值与应用EDU的试验结果进行比较。
结果发现，在东亚的3072个站点中，98.7%的站点臭氧浓度超过阈值的累积剂量，即受害临界点。
根据3种作物产量损失数据，我国小麦受损最为严重。整个华北平原小麦的相对产量损失超过35%，中国小麦的全国平均相对产量损失达到33%。韩国小麦的全国平均损失也高达28%。相比之下，日本小麦的全国平均损失约为16%。
研究人员发现，在亚洲大田试验中，小麦的敏感性更高。他们估计，这可能与小麦生长环境有关（通常生长在低地平原水稻—小麦种植系统中），此外，小麦品种的生理特性等其他因素也会影响其敏感性。
研究人员还发现，高产杂交水稻品种的相对产量损失远大于常规稻，与小麦相当。臭氧引起东亚三国粮食产量损失合计约630亿美元。
冯兆忠表示，该研究促使人们客观地认识当前日益严重的地表臭氧污染造成的生态环境效应，更加重视推动臭氧污染治理工作。“如果臭氧浓度降低了，那么粮食产量会在当前的基础上进一步增加。”
需要联合防控
臭氧影响的量化研究为制定行动策略提供了科学数据。
不过，在研究人员看来，真正的挑战是降低臭氧水平。他们建议，应该通过大幅减少道路运输和能源部门的排放来降低臭氧水平，而单一区域或国家的政策可能不足以将臭氧浓度降低到理想的水平。
因此，为了实现更高的减排目标，必须在更广泛的亚洲区域协同实施严格的排放管制，这种控制将有助于提高作物产量和改善粮食质量。
臭氧浓度降低带来的益处并不仅限于经济方面。“臭氧浓度降低会增加作物供应，有助于在降低中国环境成本的情况下，确保粮食供应。此外，还有助于保护自然植被，减少对人类健康的损害。”冯兆忠说。
对南亚和东南亚地区，臭氧污染控制同样重要，因为这里是大米的主要生产地和全球供应源。
冯兆忠认为，应采取一些适应性农艺措施，如选育耐臭氧性更强的品种，以及在关键生育期喷施化学防护剂。未来，一方面应该科学防控大气污染物的浓度；另一方面，也应立项研究哪些措施能减缓臭氧对粮食生产的负效应。（记者 韩扬眉）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s43016-021-00422-6
来源： 中国科学报
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