臭氧污染正在威脅糧食安全

藍天白云越來越多，但另一個“隱形殺手” 臭氧卻正在“殺死”我們的糧食。

1月18日，《自然—食品》雜志刊發了南京信息工程大學教授馮兆忠團隊的最新研究成果。研究人員通過在田間開展實驗，發現當前臭氧濃度已經引起中日韓三國的小麥、玉米和稻米產量損失。尤其是對中國糧食作物產量影響最大。

“單個區域或國家的政策可能不足以將臭氧濃度降低到要求水平，必須在泛亞洲區域協調下，實施嚴格的排放管制。”馮兆忠告訴《中國科學報》。

臭氧成為重大“危險分子”

地表臭氧是一種大氣二次污染物，是氮氧化物和碳氫化合物在陽光照射下發生的光化學反應，直接導致全球變暖，同時對陸地生態系統帶來威脅。

有數據統計，北半球地表的臭氧濃度已從前工業化時期的10-15ppb增加到目前的約50ppb。上個世紀末，北美和歐洲開始實行“空氣清潔行動”，當前臭氧污染已有所減緩，但臭氧濃度也超過了敏感植物的受害閾值。

臭氧濃度長期在31-50ppb范圍內，可使全球小麥、水稻和玉米的年產量分別降低7.1%、4.4%和6.1%，并可能導致每年數十億美元的綜合經濟損失。

“臭氧污染是一個全球性環境問題，但亞洲的臭氧濃度仍在增加。從全球來看，目前地表臭氧濃度最高的區域是東亞，臭氧對我們的糧食安全正在構成威脅。”馮兆忠說。

亞洲是世界最大的作物生產地之一，2014年至2018年間，全球90%的大米、32%的玉米和44%的小麥來自亞洲。因此，遏制亞洲臭氧污染行動勢在必行。

在馮兆忠看來，對于亞洲而言，過去對臭氧引起作物損失的量化研究可能存在偏差，這是因為土壤條件、氣候特征和耕作措施等方面的差異，歐美國家的實驗結果不適用于亞洲區域。研究顯示亞洲作物敏感性高于歐美國家，，或是在模擬臭氧水平與計算中忽略了作物物候的影響。

過去15年里，馮兆忠團隊致力于通過開展大田實驗，研究地表臭氧濃度升高對農田生態系統的影響，包括光合速率，作物生長、產量及籽粒品質等方面，也開展了很多臭氧對中國糧食作物產量損失的評估。

在該研究中，研究人員基于亞洲區域開展的田間實驗結果，并利用中國、日本和韓國3000多個空氣質量監測網站數據，定量評估了東亞三國當前臭氧污染對糧食（小麥、稻米和玉米）的影響。

中國損失最大

研究人員開發了水稻、小麥和玉米3種主要作物臭氧劑量-產量效應模型。該模型與東亞3000多個監測點的地面臭氧測量相結合，以評估環境臭氧引起的產量損失。

為了估計產量損失，研究人員將亞乙基二脲（EDU）應用于小麥、水稻和玉米作物，這是一種廣泛應用于保護植物免受臭氧傷害研究的抗臭氧劑。將亞洲產量損失的估計值與應用亞乙基二脲的實驗結果進行比較。

結果發現，就臭氧對植物健康的威脅而言，東亞地區最為嚴重。在東亞的3072個站點中，98.7%的站點臭氧濃度超過閾值的累積劑量，即受害臨界點。其中，對作物生產的影響尤其需被關注，這是因為，我國主要作物生產所在的華北平原和長江三角洲中下游地區的AOT40最高。

馮兆忠解釋，AOT40≥5ppmh是植物健康保護的最高水平，成熟期前90天內小時臭氧濃度超過40ppb 的累計值（AOT40）。

根據3種作物產量損失數據，我國小麥受損最為嚴重。

整個華北平原小麥的相對產量損失超過35%，由于主要小麥生產省份（如河南和山東）位于華北平原，中國的全國平均相對產量損失達到33%。韓國全國平均損失也高達28%，大多數小麥種植區的AOT40超過10 ppmh。相比之下，日本大約85%的小麥種植區的AOT40低于10ppmh，全國平均損失約為16%。

研究人員發現，在亞洲大田實驗中，小麥的敏感性高于在其他地區進行的實驗。他們估計，這可能與小麥生長環境有關，小麥通常生長在低地平原水稻-小麥種植系統中，。此外，小麥品種的生理特性等其它因素也會影響其敏感性。

研究人員還發現，高產雜交水稻品種的相對產量損失遠大于常規稻，與小麥相當。臭氧引起東亞三國糧食產量損失合計約630億美金。

馮兆忠表示，該研究促使我們客觀認識，當前日益嚴重的地表臭氧污染帶來的生態環境效應，更加重視推動臭氧污染治理工作的重要性。“如果臭氧濃度降低了，那么糧食產量會在當前的基礎上會進一步增加。”

需聯合防控

臭氧影響的量化研究為行動策略提供了科學數據。

不過，在研究人員看來，真正的挑戰是降低臭氧水平，應該通過大幅減少道路運輸和能源部門的排放來實現，而單一區域或國家政策可能不足以將臭氧濃度降低到要求的水平，比如，長距離輸送可能增加局部臭氧水平。

因此，為了實現更高的減排目標，必須在泛亞協調下實施嚴格的排放管制。這種控制將有助于提高作物產量和改善糧食質量。

益處并不僅限于經濟方面。“臭氧濃度降低會增加作物供應，有助于在降低中國環境成本的情況下，確保糧食供應。此外，還有助于保護自然植被，減少對人類健康的損害。”馮兆忠說。

臭氧控制對南亞和東南亞同樣重要，這里是大米的主要生產地和全球供應來源。

馮兆忠認為，應采取一些適應性農藝措施，如育種，或選擇耐臭氧性更強的品種，以及在關鍵生育期噴施化學防護劑。

“不過，我們在農業實踐中實施這些措施還面臨許多挑戰。最重要的是，應對措施的植物保護機制必須得到解決。”馮兆忠說。未來，一方面科學防控大氣污染物的濃度， 另一方面，要立項研究哪些措施能減緩臭氧對糧食生產的負效應。

田間實驗（圖片來源：馮兆忠）