重大突破

　　CO₂是植物进行光合作用的底物，设施蔬菜生产中可以通过CO₂气肥的施用提高光合效率，进而提高蔬菜产量、影响蔬菜品质。在前期的研究中，中国科学院南京土壤研究所段增强研究员团队通过荟萃分析发现：CO₂施肥可使蔬菜产量增加了34%，高于其对粮食作物增产的效果（小麦：24~33%、水稻：13~23%、大豆：24~27%）。这主要是由于设施生产中CO₂施肥浓度一般高于粮食作物FACE试验的CO₂浓度，其次设施内生长环境更优于大田环境，而且蔬菜生长周期较大田作物更短，CO₂施肥对短期增产效果更好（Journal of Cleaner Production, 2020, 253: 119920）。另外，该研究团队对CO₂施肥下的蔬菜品质也进行了综述分析，发现CO₂施肥使得蔬菜蛋白质含量下降9.5%，硝酸盐含量下降18.0%，镁、铁、锌含量分别下降9.2%、16.0%和9.4%（Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 924）。

　　大气CO₂浓度升高时植株体内的矿质元素浓度变化被广泛提及的主要有三种机制：一是非结构性的碳水化合物累积带来的“稀释效应”；二是蒸腾减弱使得进入植株体内并向上运输的矿质养分减少；三是生理过程改变使植物对矿质养分的需求变化，而各种矿质元素主要受哪种机制影响尚不清楚。为此，该研究团队通过对黄瓜各部位矿质元素浓度与CO₂浓度和蒸腾速率之间的相关性分析发现：稀释效应是高CO₂浓度下氮、磷、钾、钙、镁在黄瓜植株内浓度降低的主要因素，蒸腾作用的减弱同时也是氮、钾、钙、镁浓度降低的主要因素，氮、钙、镁浓度的变化还受植株需求变化的影响（Agronomy, 2020, 10, 139.）。

　　此外，大多数针对CO₂浓度升高下植株矿质养分含量变化的研究是在封闭的水培条件下进行，所用的营养液是根据在常规CO₂浓度下植物对各矿质元素和水分的吸收比例得到的配方。而在CO₂浓度升高条件下植物对各矿质元素和水分的吸收比例将发生变化，且营养液更换间隔普遍在2-7天，在期间营养液中矿质元素浓度是否会大幅波动？是否会引起植株体内矿质养分变化？目前尚无人研究。对此，该研究团队通过对不同CO₂浓度和氮水平处理下黄瓜生长4-7天后更换的营养液剩余体积和氮、磷、钾浓度的分析，发现在低氮供给时，高CO₂浓度会使营养液中氮浓度进一步降低，加剧了高CO₂浓度导致的植株氮浓度的降低；在高氮供给时，高CO₂浓度会使营养液中钾浓度迅速降低，加剧了高CO₂浓度导致的植株钾浓度的降低。这些情况下可能导致我们高估了CO₂浓度升高本身对植株氮、钾浓度降低的作用。也启示我们亟需开发匹配CO₂浓度升高后植物生长所需的营养液配方和矿质养分管理策略（Plant and Soil, 2021）。

　　以上研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略先导专项及南京土壤研究所“一三五”及领域前沿项目的资助。

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不同CO₂浓度和氮水平条件下黄瓜氮、磷、钾与水分消耗量的相关性分析