本站讯 近地面臭氧生成的主要途径为氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）在高温、强太阳辐射等气象条件下的光化学反应。臭氧具有强氧化性，不仅对人体健康具有重要影响，同时可进入植物叶孔损伤细胞，造成植物减产，威胁粮食安全。在全球气候变暖背景下，保持森林碳汇与满足粮食需求之间的土地竞争愈发激烈，同时加剧了应对气候变化的复杂性。因此，碳中和背景下，臭氧对我国未来粮食产量的影响及其与碳汇的关系亟待厘清。2024年12月27日，中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心（以下简称“深海前沿中心”）高会旺教授团队，在国际知名学术期刊One Earth（《一个地球》）在线发表研究论文“Mitigating climate change and ozone pollution will improve Chinese food security”（《减缓气候变化和臭氧污染将提高中国的粮食安全》）。该研究在改进动力降尺度方法的基础上，利用全球模式提供边界场驱动区域模式，开展多种气候变化情景下数值模拟，揭示了碳中和背景下我国臭氧浓度降低及其对改善粮食安全、碳汇增加的重要意义。
过去研究气候变化下臭氧对粮食的影响，主要基于臭氧浓度本身，忽略了农作物叶孔开合对气象因素的响应。农作物受臭氧的影响主要取决于叶孔对臭氧的吸收量，而叶孔开合受温度、湿度等环境因素调节，因此等浓度臭氧随气候变化对农作物产量的影响不同。基于此，该研究通过动力降尺度方法，结合全球模式和区域模式，综合考虑多种环境因素调节，明确了植物叶孔开合程度与臭氧浓度对作物吸收臭氧及由此引发的粮食减产的影响，揭示了减缓气候变化和臭氧污染对粮食安全的重要意义，阐明了其在减缓土地竞争和全球变暖方面的重要作用（图1）。
图1.本研究示意图
本研究综合考虑臭氧和气象条件，评估了历史时期（2015-2019）及未来（2056-2060）气候变化下臭氧对中国农作物产量的影响。结果表明，2015-2019年，臭氧导致中国冬小麦、玉米、大豆和水稻年损失总共达到39Tg（图2）。华北地区是粮食损失的主要区域，其中冬小麦受损最为严重，年损失量高达26Tg。这一损失主要来自该地区在冬小麦生长期（春季：3-5月）的高臭氧浓度，以及冬小麦相较于其他作物对臭氧的高敏感性。
图2.2015-2019年臭氧导致中国冬小麦、玉米、大豆和水稻（双季早稻、单季稻、双季晚稻）的年均损失量空间分布图
相较历史时期，近似碳中和情景下气候变化减缓和大气污染物排放减少，我国粮食损失量预计本世纪中叶显著降低（图3左）。基于联合国粮食及农业组织提供的粮食热值估算，这些粮食可为中国每人每年额外提供约87，000千卡热量，大幅提高粮食安全。考虑到中国已基本解决温饱问题，假设将粮食增产部分的农耕地还原为森林，预计新增森林面积将每年额外吸收2200万吨CO2（图3右），可助力中国碳中和目标的实现。
图3.未来SSP126、SSP370和SSP585情景下臭氧导致的中国主要农作物年均损失量变化（a）和对中国人均热量摄取以及森林碳汇的影响（b）
本研究聚焦臭氧污染及其对粮食产量的影响，通过考虑气候变化下植物叶孔臭氧吸收对气象条件的响应，揭示了碳中和情景下，温室气体和大气污染物的减排可大幅降低臭氧导致的粮食减产。研究进一步估算了部分退耕还林可能带来的碳汇增加，为我国大气污染缓解、粮食安全和碳汇增加提供了重要科学依据。
成果由深海前沿中心/海洋环境与生态教育部重点实验室在读博士研究生李守秀为第一作者，高阳教授为通讯作者，联合学校及国内外多位学者共同完成。这是科研团队在极端天气气候和大气污染研究领域的又一创新进展，该研究成果获得国家自然科学基金优青、面上等项目资助。
通讯员：高阳
编辑：刘莅
责任编辑：李华昌
