不只是讓地球暖化——二氧化碳對稻米營養的影響

■過去我們常聚焦在氣候變遷對農作物「產量」的影響;如今,研究發現,大氣裡二氧化碳濃度的增加,很可能會導致稻米的營養成分下降。

(圖片來源:Courtesy of Michigan Technological University. Photo Credit by David F. Karnosky)

編譯|莊宇真

大約自1900年代中期開始,科學家逐漸瞭解,地球大氣的化學分子組成在上個世紀發生了快速的改變,且可以預見這樣的改變會持續下去1。以二氧化碳(CO2)而言,1959年大氣濃度為315 ppm,2009年時已達385 ppm。根據預測,2100年時,二氧化碳濃度將會達到500-1000 ppm2

人類燃燒化石燃料(fossil fuel)排放大量氣體進入大氣,其中一種主要的氣體——二氧化碳(CO2),是影響植物光合作用的重要氣體。因此最初,科學家猜想,隨著二氧化碳濃度的上升,植物光合作用與產量可能會增加;反之,其他同樣是燃燒化石燃料所造成的氣體——二氧化硫、氮氧化物等,則可能會對植物生長帶來負面的影響1

為了瞭解此種大氣環境對植物生長的影響(二氧化碳濃度的上升、以及其他的有毒氣體),科學家設計了各式各樣的系統,例如:葉箱(leaf chamber)、開頂溫室(open-top field)、空氣排除系統(air exclusion system)等。不過,研究過程中,科學家也體認到,這類實驗若能在越逼近自然環境裡的條件下進行(如:風、輻射、氣溫等),會是越理想的;除此之外,「根部空間」(例如:花器的大小)也是進行這類實驗的重要考量。因此,在田裡的開放空間進行研究,逐漸成為二氧化碳濃度對植物影響的主流研究方法;也就是本文接下來會提到的 – 開放空間高二氧化碳試驗(Free-air concentration enrichment, FACE)1

如同上圖所示,開放空間高二氧化碳試驗(FACE)會在田間進行。一般而言,會以塑膠水管圍出一個空間,高度以比所栽種的作物頂端稍高出一些為標準。圈子裡安裝有感應器與監視設備,用來偵測與記錄風速、風向,藉以判斷從水管釋出的、當地的CO2含量,再將CO2濃度提升到欲測試的濃度2

2004年,一項刊登於New Phytologist統合性分析研究,回顧了過去15年來、12項經過同儕審查的FACE研究(二氧化碳濃度:475-600 ppm)。分析結果發現,二氧化碳濃度的上升,對於在白天進行光固定二氧化碳與合成醣類的植物而言,生長速率與地面上的產量都有增加的效果,與過去在非開放空間(箱)裡做的實驗結論相同。除此之外,FACE提供了更進一步的訊息:比起草本植物,樹木對於二氧化碳濃度上升較敏感,C4植物有少許的反應,而穀類所增加的產量,則遠少於過去研究裡所觀察到的3

2018年5月,一項刊登於 Science Advances 以稻米進行的FACE跨國研究(中國、日本、美國、澳洲),在二氧化碳濃度上升對於農作物的影響部分,採取了不同的切入觀點。研究發現,大氣裡二氧化碳濃度的增加,很可能會導致稻米的營養成分下降4

任職於美國農業部的植物生理學研究員、且同時是這項研究的資深共同作者Lewis H. Ziska表示:「當我們研究食物安全時,我們通常聚焦在氣候變遷對農作物『產量』的影響;然而,農作物的『品質』與其『營養成分』其實也是同樣重要的,但卻沒有受到應有的詳細檢視。」5

研究人員在中國與日本進行FACE研究。分析了共18種不同稻米的蛋白質、鐵、與鋅的含量。其中種植於中國的9種稻米,則用來分析維生素B1(thiamine)、B2(riboflavin)、B5(pantothenic acid)、與B9(folate)的含量4

研究結果指出,大氣二氧化碳濃度的增加(568-590 ppm)導致稻米的蛋白質、鐵、與鋅的含量減少,同時也讓維生素B1、B2、B5、與B9的含量減少;但卻使維生素E增加。根據維生素裡觀察到的氮分子碎片,可以得出「二氧化碳濃度上升」導致「營養成分減少」兩者之間具有很強的關聯性4

對孟加拉、柬埔寨、印尼、寮國、緬甸、越南、馬達加斯加等國家而言,約有六百萬人仰賴稻米作為每日能量與蛋白質的重要來源(50%以上)。對於大量仰賴稻米為主食、同時屬於低國內生產總額(GDP)的國家而言,這意味著人民很可能沒有辦法選擇其他主食來源;因此,稻米營養成分的減少,將可能使在這些國家區域裡原本就受營養不良所苦的人民,情況更為惡化6

所幸,並非每一種稻米都對二氧化碳濃度上升有相同的敏感度。因此,倘若地球大氣的二氧化碳濃度上升已為未來不可避免的發展,如何找出在此環境條件下、仍能保有足夠營養成分的稻米品種,將為未來對抗糧食危機的重點目標之一6

 

參考文獻:

  1. Leon Hartwell Allen Jr. (1992). Free‐air CO2 enrichment field experiments: An historical overview. Critical Reviews in Plant Sciences 11(2-3), 121-34.
  2. Taub D. (2010). Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants. Nature Education Knowledge 3(10), 21.
  3. Ainsworth EA, Long SP. (2005). What have we learned from 15 years of free-air CO2 enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy properties and plant production to rising CO2. New Phytol. 165(2), 351-71.
  4. Zhu C, Kobayashi K, Loladze I, Zhu J, Jiang Q, Xu X, Liu G,…Ziska LH. (2018). Carbon dioxide (CO2) levels this century will alter the protein, micronutrients, and vitamin content of rice grains with potential health consequences for the poorest rice-dependent countries. Science Advances 4(5), eaaq1012.
  5. Plumer B. (May 23, 2018). How More Carbon Dioxide Can Make Food Less Nutritious. New York Times.
  6. University of Tokyo (May 23, 2018). Rice becomes less nutritious as CO2 levels rise. Sciences News.

 

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作者:莊宇真,畢業於交通大學科技法律研究所,現任生物醫學倫理領域專任研究助理。人生最樂之事莫過於找到自己的志業,寫作之於我正是如此。為城邦部落格《健康知心》之格主,擔任國內《熟年誌》雜誌醫藥新知特約作者。知識是觸角,讓人掌握世界;健康是財富,讓人享受人生。

 

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