臭氧污染正在威胁粮食安全

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。研究人员通过在田间开展实验，发现当前臭氧浓度已经引起中日韩三国的小麦、玉米和稻米产量损失。尤其是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，必须在泛亚洲区域协调下，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的光化学反应，直接导致全球变暖，同时对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”，当前臭氧污染已有所减缓，但臭氧浓度也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，遏制亚洲臭氧污染行动势在必行。

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，这是因为土壤条件、气候特征和耕作措施等方面的差异，欧美国家的实验结果不适用于亚洲区域。研究显示亚洲作物敏感性高于欧美国家，，或是在模拟臭氧水平与计算中忽略了作物物候的影响。

过去15年里，冯兆忠团队致力于通过开展大田实验，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，也开展了很多臭氧对中国粮食作物产量损失的评估。

在该研究中，研究人员基于亚洲区域开展的田间实验结果，并利用中国、日本和韩国3000多个空气质量监测网站数据，定量评估了东亚三国当前臭氧污染对粮食（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。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。

为了估计产量损失，研究人员将亚乙基二脲（EDU）应用于小麦、水稻和玉米作物，这是一种广泛应用于保护植物免受臭氧伤害研究的抗臭氧剂。将亚洲产量损失的估计值与应用亚乙基二脲的实验结果进行比较。

结果发现，就臭氧对植物健康的威胁而言，东亚地区最为严重。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。其中，对作物生产的影响尤其需被关注，这是因为，我国主要作物生产所在的华北平原和长江三角洲中下游地区的AOT40最高。

冯兆忠解释，AOT40≥5ppmh是植物健康保护的最高水平，成熟期前90天内小时臭氧浓度超过40ppb 的累计值（AOT40）。

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%，由于主要小麦生产省份（如河南和山东）位于华北平原，中国的全国平均相对产量损失达到33%。韩国全国平均损失也高达28%，大多数小麦种植区的AOT40超过10 ppmh。相比之下，日本大约85%的小麦种植区的AOT40低于10ppmh，全国平均损失约为16%。

研究人员发现，在亚洲大田实验中，小麦的敏感性高于在其他地区进行的实验。他们估计，这可能与小麦生长环境有关，小麦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它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630亿美金。

冯兆忠表示，该研究促使我们客观认识，当前日益严重的地表臭氧污染带来的生态环境效应，更加重视推动臭氧污染治理工作的重要性。“如果臭氧浓度降低了，那么粮食产量会在当前的基础上会进一步增加。”

需联合防控

臭氧影响的量化研究为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，应该通过大幅减少道路运输和能源部门的排放来实现，而单一区域或国家政策可能不足以将臭氧浓度降低到要求的水平，比如，长距离输送可能增加局部臭氧水平。

因此，为了实现更高的减排目标，必须在泛亚协调下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。

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。

臭氧控制对南亚和东南亚同样重要，这里是大米的主要生产地和全球供应来源。

冯兆忠认为，应采取一些适应性农艺措施，如育种，或选择耐臭氧性更强的品种，以及在关键生育期喷施化学防护剂。

“不过，我们在农业实践中实施这些措施还面临许多挑战。最重要的是，应对措施的植物保护机制必须得到解决。”冯兆忠说。未来，一方面科学防控大气污染物的浓度， 另一方面，要立项研究哪些措施能减缓臭氧对粮食生产的负效应。

田间实验（图片来源：冯兆忠）