CO₂是植物進行光合作用的底物，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中可以通過CO₂氣肥的施用提高光合效率，進而提高蔬菜產(chǎn)量、影響蔬菜品質(zhì)。在前期研究中，中國科學院南京土壤研究所研究員段增強團隊通過分析發(fā)現(xiàn)，CO₂施肥可使蔬菜產(chǎn)量增加34%，高于其對糧食作物增產(chǎn)的效果（小麥：24~33%、水稻：13~23%、大豆：24~27%）。其原因是設(shè)施生產(chǎn)中CO₂施肥濃度一般高于糧食作物FACE試驗的CO₂濃度，設(shè)施內(nèi)生長環(huán)境優(yōu)于大田環(huán)境，且蔬菜生長周期較大田作物更短，CO₂施肥對短期增產(chǎn)效果更好（Journal of Cleaner Production, 2020, 253: 119920）。此外，科研人員對CO₂施肥下的蔬菜品質(zhì)綜述分析發(fā)現(xiàn)，CO₂施肥使蔬菜蛋白質(zhì)含量下降9.5%，硝酸鹽含量下降18.0%，鎂、鐵、鋅含量分別下降9.2%、16.0%和9.4%（Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 924）。

 

　　大氣CO₂濃度升高時，植株體內(nèi)的礦質(zhì)元素濃度變化被廣泛提及的主要有三種機制：一是非結(jié)構(gòu)性的碳水化合物累積帶來的“稀釋效應(yīng)”；二是蒸騰減弱使得進入植株體內(nèi)并向上運輸?shù)牡V質(zhì)養(yǎng)分減少；三是生理過程改變使植物對礦質(zhì)養(yǎng)分的需求變化，而各種礦質(zhì)元素主要受哪種機制影響尚不清楚。為此，科研人員通過對黃瓜各部位礦質(zhì)元素濃度與CO₂濃度和蒸騰速率之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，稀釋效應(yīng)是高CO₂濃度下氮、磷、鉀、鈣、鎂在黃瓜植株內(nèi)濃度降低的主要因素，蒸騰作用的減弱同時也是氮、鉀、鈣、鎂濃度降低的主要因素，氮、鈣、鎂濃度的變化還受植株需求變化的影響（Agronomy, 2020, 10, 139.）。

 

　　此外，多數(shù)針對CO₂濃度升高下植株礦質(zhì)養(yǎng)分含量變化的研究在封閉的水培條件下進行，所用營養(yǎng)液是根據(jù)在常規(guī)CO₂濃度下植物對各礦質(zhì)元素和水分的吸收比例得到的配方。在CO₂濃度升高條件下，植物對各礦質(zhì)元素和水分的吸收比例將發(fā)生變化，且營養(yǎng)液更換間隔普遍在2-7天，期間營養(yǎng)液中礦質(zhì)元素濃度是否大幅波動、是否會引起植株體內(nèi)礦質(zhì)養(yǎng)分變化尚無研究。對此，科研人員通過分析不同CO2濃度和氮水平處理下黃瓜生長4-7天后更換的營養(yǎng)液剩余體積和氮、磷、鉀濃度發(fā)現(xiàn)，在低氮供給時，高CO₂濃度使營養(yǎng)液中氮濃度進一步降低，加劇了高CO₂濃度導(dǎo)致的植株氮濃度的降低；在高氮供給時，高CO₂濃度會使營養(yǎng)液中鉀濃度迅速降低，加劇了高CO₂濃度導(dǎo)致的植株鉀濃度降低。這些情況可能導(dǎo)致高估CO₂濃度升高本身對植株氮、鉀濃度降低的作用，并提示亟需開發(fā)匹配CO₂濃度升高后植物生長所需營養(yǎng)液配方和礦質(zhì)養(yǎng)分管理策略（Plant and Soil, 2021）。

 

　　研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和中科院南京土壤所“一三五”及領(lǐng)域前沿項目的支持。

　　不同CO2濃度和氮水平條件下黃瓜氮、磷、鉀與水分消耗量的相關(guān)性分析