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高二氧化碳濃度對植物的影響

大氣中二氧化碳的濃度,在過去半個世紀中增加了1/5以上,預測到21世紀結束時,將提升到目前的1.8倍以上。高濃度二氧化碳對植物生長會產生什麼影響呢?
 
 
 
最近有幾則消息,都與糧食生產有關。

第一、9 月 12 日,農作物專家波洛格(Norman Borlaug, 1914 − 2009)過世。波洛格是美國人,因為對綠色革命的貢獻,得到 1970 年諾貝爾和平獎。第二次世界大戰結束時,他到墨西哥研究小麥、玉米的增產技術,包括培育新品種,研究土壤、施肥,以及教導農民農耕技術。後來他到印度、巴基斯坦,奔走同樣的事。

第二次世界大戰後,世界人口急速增加(1950 年 25 億;1999 年 60 億),許多學者發出警報。1968 年,美國史丹福大學生物學教授艾立克(Paul Ralph Ehrlich, 1932 −)出版《人口炸彈》,宣稱印度、巴基斯坦將會出現大飢荒。結果,波洛格之類的人成功了,全球糧食產量因而大增。

現在世界人口已達 68 億,預測 2050 年會接近 90 億,到時候會不會發生糧食危機呢?特別是,全球暖化對農作物生長的影響,我們還不清楚。專家相信,上個世紀靠育種與耕作技術提高糧食產量,本世紀將靠生物技術提高糧食產量。

總之,20 世紀最重要的農業改良專家過世了,代表那個時代已落幕。21 世紀的農業生產問題,情勢更複雜。21 世紀為人類解決糧食問題的新領袖會是什麼樣的人呢?

第二個消息是,10 月中,聯合國世界糧農組織(FAO)在意大利羅馬召開專家高峰會。根據事先公布的一份研究報告,到了 2050 年,世界人口會比現在還多三分之一以上。但是,對農業部門的投資必須增加 70%,才足以餵飽所有的人,而開發中國家必須增加的資金,則是 100%,因為低熱量的高品質食物及肉類的需求會大幅提升。

關於糧食生產,最近倒有一個好消息。非洲薩哈拉以南地區去年糧食產量增加了 3.5%,超過 1∕30。非洲的糧食生產過去幾十年都沒什麼進步,而薩哈拉以南地區有 700 萬平方公里適合農耕(將近 20 個臺灣大)但尚未開發,這個消息令人振奮。不過,現在那個地區的糧食生產,8 成來自小農戶;專家估計到了 2050 年,那裡的人口會增長到接近 20 億(2005 年只有 7.7 億),農業生產體系的結構與組織勢必要調整,才足以應付那時的需求。

第三個消息涉及大氣 CO2 濃度上升對於植物的影響。

大氣中 CO2 的濃度,在過去半個世紀中增加了 1∕5 以上,預測到 21 世紀結束時,將提升到 700 ppm(體積),是目前的 1.8 倍以上。高濃度 CO2 對植物生長會產生什麼影響呢?

過去,學者推測,大氣中 CO2 濃度增加對植物可能是件好事,因為植物能利用陽光把 CO2 與水轉變為葡萄糖。20 年前,學者以模型預測,到了 2050 年,農作物如麥子、大豆的收成會因大氣 CO2 濃度增加而增加 3 成。但是 2006 年發表的一份研究報告,顯示收成只會增加一半。

去年,學者又發現,稻、麥、木薯等植物,葉片上的氣孔在高 CO2 環境中會收縮。而氣孔收縮,對植物不利。因為水由氣孔蒸散,產生虹吸力,利於根部吸收土壤中的水分與養分。要是氣孔收縮,蒸散作用產生的虹吸力就變小了,根部吸收的水分與養分就會減少。結果,這類植物在高 CO2 環境中生長,會缺乏鈣、鎂、磷等礦物質,高達 15%。更重要的是,蛋白質也會缺乏。

最近,澳洲植物生理學家蘿絲.葛理竇(Ros Gleadow),在高 CO2 環境中(700 ppm)種植了幾種植物,包括棉花、高粱、大豆,以及南美原生植物木薯,有出人意料之外的新發現,實驗報告在今年 8 月發表。

植物在高 CO2 環境中生長,會長得較高,木質部較多(枝條較多),葉片較小,全在意料之中。但是,蘿絲挖出木薯的地下塊根,卻發現塊根變小,重量減了 8 成,看來不像山藥了。在正常情況下,木薯的塊根與山藥很像。

分析之後,蘿絲發現木薯不只塊根變小了,還變得更毒,含氰配醣體含量增加了兩倍,總量成為原先的 3 倍,大部分出現在葉片中。蘿絲認為,那可能表示木薯中毒了,塊根才變得那麼小。蘿絲的實驗顯示,大氣中 CO2 增加後,植物的反應不可一概而論。也就是說,不同的植物,對大氣中逐漸增加的 CO2,有不同的反應。她推測,木薯利用更多的 CO2,生產更多的防禦化合物含氰配醣體。

現在蘿絲.葛理竇要到非洲莫三鼻克研究芋頭與山藥。

木薯

是熱帶地區人民碳水化合物的主要來源,消費量僅次於稻米、玉米。木薯有甜木薯及苦木薯兩個物種,兩者表皮色不同,淡青色的是甜木薯,褐色的是苦木薯,不難區別。木薯含有氰化物前驅物質含氰配醣體(cyanogenic glycosides),本身無毒,但是在咀嚼、消化過程中,含氰配醣體水解後會轉化為有毒的氰化物,如氫氰酸(hydrocyanic acid)。木薯表皮中含氰配醣體最多,因此要先刮去外皮,煮熟後才能食用。(中毒症狀:輕者噁心、嘔吐、下痢、昏眩,嚴重者呼吸衰竭而死,還會引起甲狀腺腫,並傷害視神經和運動神經。)
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