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田間試驗(yàn)。馮兆忠供圖

藍(lán)天白云越來(lái)越多，但另一個(gè)“隱形殺手”臭氧卻正在“殺死”我們的糧食。

1月18日，《自然—食品》雜志刊發(fā)了南京信息工程大學(xué)教授馮兆忠團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。通過在田間開展試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前臭氧濃度已經(jīng)引起中日韓三國(guó)小麥、玉米和稻米的產(chǎn)量損失，其中對(duì)中國(guó)糧食作物產(chǎn)量影響最大。

“單個(gè)區(qū)域或國(guó)家的政策可能不足以將臭氧濃度降低到要求水平，必須在更廣泛的亞洲區(qū)域協(xié)同，實(shí)施嚴(yán)格的排放管制?！瘪T兆忠告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

臭氧成為重大“危險(xiǎn)分子”

地表臭氧是一種大氣二次污染物，是氮氧化物和碳?xì)浠衔镌陉?yáng)光照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，會(huì)直接導(dǎo)致全球變暖，同時(shí)給陸地生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)威脅。

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，北半球地表的臭氧濃度已從前工業(yè)化時(shí)期的10~15ppb增加到目前的約50ppb。上個(gè)世紀(jì)末，北美和歐洲開始實(shí)行“空氣清潔行動(dòng)”，當(dāng)前臭氧污染雖有所減少，但其濃度亦超過了敏感植物的受害閾值。

臭氧濃度長(zhǎng)期在31~50ppb范圍內(nèi)，可使全球小麥、水稻和玉米的年產(chǎn)量分別降低7.1%、4.4%和6.1%，并可能導(dǎo)致每年數(shù)十億美元的綜合經(jīng)濟(jì)損失。

“臭氧污染是一個(gè)全球性環(huán)境問題，但亞洲的臭氧濃度仍在增加。從全球來(lái)看，目前地表臭氧濃度最高的區(qū)域是東亞，臭氧對(duì)我們的糧食安全正在構(gòu)成威脅?！瘪T兆忠說。

亞洲是世界最大的作物生產(chǎn)地之一，2014年至2018年間，全球90%的大米、32%的玉米和44%的小麥來(lái)自亞洲。因此，遏制亞洲臭氧污染勢(shì)在必行。

在馮兆忠看來(lái)，對(duì)于亞洲而言，過去對(duì)臭氧引起作物損失的量化研究可能存在偏差，鑒于土壤條件、氣候特征和耕作措施等方面的差異，歐美國(guó)家的試驗(yàn)結(jié)果不適用于亞洲區(qū)域。

過去15年里，馮兆忠團(tuán)隊(duì)致力于通過開展大田試驗(yàn)，研究地表臭氧濃度升高對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，包括光合速率、作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)等方面，也開展了很多研究評(píng)估臭氧造成的中國(guó)糧食作物產(chǎn)量損失。

在該研究中，研究人員基于亞洲區(qū)域開展的田間試驗(yàn)結(jié)果，并利用中國(guó)、日本和韓國(guó)3000多個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)站數(shù)據(jù)，定量評(píng)估了當(dāng)前東亞三國(guó)臭氧污染對(duì)糧食（小麥、稻米和玉米）的影響。

中國(guó)損失最大

研究人員開發(fā)了水稻、小麥和玉米3種主要作物臭氧劑量—產(chǎn)量效應(yīng)模型，并將該模型與東亞3000多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面臭氧測(cè)量相結(jié)合，以評(píng)估環(huán)境臭氧引起的產(chǎn)量損失。

研究人員將亞乙基二脲（EDU）應(yīng)用于小麥、水稻和玉米作物，這是一種廣泛使用以保護(hù)植物免受臭氧傷害的抗臭氧劑。之后，他們將產(chǎn)量損失的估計(jì)值與應(yīng)用EDU的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在東亞的3072個(gè)站點(diǎn)中，98.7%的站點(diǎn)臭氧濃度超過閾值的累積劑量，即受害臨界點(diǎn)。

根據(jù)3種作物產(chǎn)量損失數(shù)據(jù)，我國(guó)小麥?zhǔn)軗p最為嚴(yán)重。整個(gè)華北平原小麥的相對(duì)產(chǎn)量損失超過35%，中國(guó)小麥的全國(guó)平均相對(duì)產(chǎn)量損失達(dá)到33%。韓國(guó)小麥的全國(guó)平均損失也高達(dá)28%。相比之下，日本小麥的全國(guó)平均損失約為16%。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在亞洲大田試驗(yàn)中，小麥的敏感性更高。他們估計(jì)，這可能與小麥生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)（通常生長(zhǎng)在低地平原水稻—小麥種植系統(tǒng)中），此外，小麥品種的生理特性等其他因素也會(huì)影響其敏感性。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)雜交水稻品種的相對(duì)產(chǎn)量損失遠(yuǎn)大于常規(guī)稻，與小麥相當(dāng)。臭氧引起東亞三國(guó)糧食產(chǎn)量損失合計(jì)約630億美元。

馮兆忠表示，該研究促使人們客觀地認(rèn)識(shí)當(dāng)前日益嚴(yán)重的地表臭氧污染造成的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，更加重視推動(dòng)臭氧污染治理工作。“如果臭氧濃度降低了，那么糧食產(chǎn)量會(huì)在當(dāng)前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加?！?/p>

需要聯(lián)合防控

臭氧影響的量化研究為制定行動(dòng)策略提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

不過，在研究人員看來(lái)，真正的挑戰(zhàn)是降低臭氧水平。他們建議，應(yīng)該通過大幅減少道路運(yùn)輸和能源部門的排放來(lái)降低臭氧水平，而單一區(qū)域或國(guó)家的政策可能不足以將臭氧濃度降低到理想的水平。

因此，為了實(shí)現(xiàn)更高的減排目標(biāo)，必須在更廣泛的亞洲區(qū)域協(xié)同實(shí)施嚴(yán)格的排放管制，這種控制將有助于提高作物產(chǎn)量和改善糧食質(zhì)量。

臭氧濃度降低帶來(lái)的益處并不僅限于經(jīng)濟(jì)方面。“臭氧濃度降低會(huì)增加作物供應(yīng)，有助于在降低中國(guó)環(huán)境成本的情況下，確保糧食供應(yīng)。此外，還有助于保護(hù)自然植被，減少對(duì)人類健康的損害?！瘪T兆忠說。

對(duì)南亞和東南亞地區(qū)，臭氧污染控制同樣重要，因?yàn)檫@里是大米的主要生產(chǎn)地和全球供應(yīng)源。

馮兆忠認(rèn)為，應(yīng)采取一些適應(yīng)性農(nóng)藝措施，如選育耐臭氧性更強(qiáng)的品種，以及在關(guān)鍵生育期噴施化學(xué)防護(hù)劑。未來(lái)，一方面應(yīng)該科學(xué)防控大氣污染物的濃度；另一方面，也應(yīng)立項(xiàng)研究哪些措施能減緩臭氧對(duì)糧食生產(chǎn)的負(fù)效應(yīng)。（記者 韓揚(yáng)眉）

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s43016-021-00422-6