引言

随着人们生活水平的提高、社会的发展、科学技术的不断进步, 生命科学越来越引起人们的关注。中量元素和微量元素与人体健康的关系也随之受到重视, 大量研究表明, 中量元素和微量元素对人的生命过程起着调控作用, 与人的健康、疾病、长寿、智力、美容等相关。中量元素和微量元素在生物体中尽管以不同形式存在, 但它们在代谢过程中既不能被分解也不能转化为其它元素。因此, 检测人体不同组织和体液中各种元素的含量, 就可以在一定程度上了解人体代谢规律, 进而掌握人的健康状况。中量元素和微量元素不像某些维生素那样能在人体内自行合成, 而必须通过膳食、服 (或注射) 药物、呼吸及皮肤渗透等从外界摄入, 在人体所需的营养中, 它们往往比维生素等更重要。

但关于环境条件对作物中量元素和微量元素含量的关系研究甚少, 尤其是关于CO₂浓度升高、温度升高、干旱胁迫对作物叶片和籽粒中这5种元素 (S、Zn、Fe、Mg、Ca) 含量的影响还未见报道。我们通过在人工气候室内控制CO₂浓度、温度、土壤湿度来研究不同CO₂浓度、温度和土壤湿度对我国主要作物之一的小麦叶片、茎和籽粒中5种元素含量的影响, 获得了十分有意义的结果。这些数据不仅对今后研究环境与生命、人体健康、食物和健康等有重要的参考意义, 而且对因作物中量元素和微量元素的变化而引起对粮食需求量的变化的研究以及21世纪食物安全供给也有重大意义, 同时, 作物品质的变化对今后粮食作物进入国际市场竞争也有一定的参考价值。

1 实验设置与方法

人体所需的中量元素和微量元素有很多种, 在这次试验中我们选择了人体必需的中量元素Ca、Mg、S和必需的微量元素Fe、Zn共5种^[1]。它们是生物体内维持正常生命活动所不可缺少的元素, 没有它们生物就不能生长, 生物生命过程中任一环节均需要这些元素参与, 缺少时将引起人体的某些生化和生理变化。所以选择了上述5种元素作为这次试验的研究对象。

本试验是在黑龙江省农业科学院作物耕作栽培所的人工气候室内进行的。人工气候室内的温度、湿度、日照均能自动控制^[2], 使其满足作物生长发育的需要, 每天早晚及阴雨天用生理日光灯进行补光。该人工气候室的结构和性能参见文献[2]。

供试作物冬小麦于11月10日采用盆栽方式播种。盆口直径36 cm, 高26 cm, 盆内土壤质地均匀一致, 土壤肥力适宜 (每盆一致), 管理方式和各处理相同, 播种后置于人工气候室内。

试验共设置4个处理, 第一个处理为对照, 即CO₂浓度为大气背景浓度 (350×10^-6左右), 温度为作物正常生长发育所需的温度, 土壤湿度为田间持水量的80%左右, 通过灌溉量控制土壤湿度; 第二个为干旱胁迫处理, 即CO₂浓度为大气背景浓度 (350×10^-6左右), 温度为作物正常生长发育所需的温度, 土壤湿度为田间持水量的30%~40%;第三个为高CO₂浓度 (700×10^-6, 并伴随高温 (温度变化见表 1)), 土壤湿度适宜; 第四个为高CO₂浓度和土壤干旱胁迫处理。每处理设3次重复。

试验过程中观测作物的主要发育期、环境温度、土壤湿度等, 5种元素的含量由农业部谷物品质监督检验测试中心测定 (第一次测定叶和茎中元素的含量, 第二次测定成熟籽粒中元素的含量)。

2 结果分析 2.1 气象条件对小麦5种元素含量的影响

(1) 对Zn含量的影响Zn是人体不可缺少的微量元素之一, 成人体内含锌约为2000~3000 mg^[3], 主要来源为面筋和小麦麸, 成人的日需量为11 mg^[3]。

试验结果表明, 高CO₂伴随高温对小麦叶片、茎的Zn含量积累不利, 与对照相比分别减少14.8%和22.9% (图 1)。对籽粒Zn含量积累为正效应, 但增幅很小, 仅为0.6%。

在正常CO₂浓度条件下, 土壤干旱胁迫对小麦叶片、茎、籽粒含Zn量的影响为正效应, 与对照相比叶、茎、籽粒分别增加19.5%、2.1%、25.6%, 籽粒增加最为明显。

在高CO₂和干旱胁迫条件下, 对Zn含量的影响也是正效应, 但增加幅度相对较小。

(2) 对Fe含量的影响Fe是人体必需且含量最多的微量元素, 成人体内含铁约为4~5 g^[3], 麦糠和小麦黄豆混合粉是Fe的主要来源之一, 成人日需量为12 mg^[3]。

高CO₂伴随高温对小麦叶片、茎Fe含量积累为正效应, 处理比对照分别增加64.8%和21.1% (图 2)。对籽粒的影响为负效应, 处理比对照减少8.5%。

在正常CO₂浓度条件下, 干旱胁迫对小麦Fe含量的影响为正效应, 叶、茎、籽粒分别比对照增加6.1%、3.1%和18.6%。

(3) 对Mg含量的影响Mg在植物中有类似人体血红素结构的物质———叶绿素, 叶绿素中的金属元素就是Mg, Mg不但是植物必需的元素, 也是人体必需的元素。一般认为成人日供应量为200~300 mg^[3]。

高CO₂、高温、土壤干旱胁迫对小麦叶片、茎和籽粒Mg含量的积累均为正效应 (图 3)。与对照相比, 叶片的增幅最大, 籽粒相对较小, 在高CO₂、高温条件下仅增加0.3%, 干旱胁迫时叶片的增幅为10.8%。

(4) 对Ca含量的影响Ca是人体必需的常量元素之一, 人体骨骼和牙齿的主要成分就是Ca, 占人体总Ca量的99%。小麦、大豆粉含有丰富的Ca, 我国成年男女日供应量为600 mg。

高CO₂、高温对小麦叶片、茎Ca的积累有利, 尤其是叶片比对照增加67.8% (图 4), 茎增加11.1%, 但对籽粒为负效应, 减幅为10.5%。

无论在正常CO₂浓度条件下, 还是在高CO₂条件下, 土壤干旱胁迫对小麦Ca的积累都有利, 叶片增幅为15.8%, 籽粒增幅为22.4%。

(5) 对S含量的影响S是人体必需的常量元素11种中的一种, 在人体内的含量为0.25% (约175 g), 其功能十分重要, 是组成蛋白质的重要元素之一 (Fe-S蛋白质)^[4]。

高CO₂、高温、土壤干旱胁迫都有利于小麦S含量的积累, 除茎在高CO₂、高温条件下呈减少趋势外, 均为增加趋势 (图 5)。高CO₂、高温使籽粒含S量比对照增加45.3%, 干旱胁迫增幅为27.0%。

2.2 气象条件变化对小麦供应量的影响

(1) 气象条件对小麦产量的影响大气中CO₂浓度升高对小麦籽粒产量的形成有利, CO₂浓度升高1倍 (即700×10^-6) 时小麦产量可增加30%左右^[5], 当CO₂浓度增高1倍并伴随温度升高时, 使小麦生育期缩短, 在本次试验中, 处理比对照生育期缩短25天。因干物重积累时间减少, 最终造成籽粒产量下降3.15%。高温的出现不仅抵消了CO₂浓度增加1倍时的30%增产, 反而使产量下降了3.15%, 所以, 高温减产的负效应超过33%。干旱胁迫对小麦产量的影响比高温更大, 在正常CO₂浓度下, 干旱胁迫使小麦减产44.47%, 在高CO₂浓度下, 干旱胁迫使小麦减产38.08%。高CO₂浓度在温度、水分适宜时是起增产作用, 干旱胁迫抑制了CO₂浓度的增产作用, 减产幅度虽小于正常CO₂浓度时的产量, 但减产幅度仍较大。说明水分条件对小麦籽粒形成的作用是十分关键的。

(2) 5种元素含量变化对小麦供应量的影响前面已分析了气象条件的变化使小麦叶、茎、籽粒中5种元素含量都发生了不同程度的变化, 总的来看正效应大于负效应, 尤其对籽粒5种元素的含量正效应更为明显, 因单位重量小麦中元素含量增加, 要从小麦中获得正常条件下 (对照条件) 等量的元素所消耗的小麦就可以减少 (表 2)。由表可见, 因元素含量的变化, 每天全国所消耗小麦量的日变化还是很大的, 如要得到等量的S, 在高CO₂、高温条件下, 全国每天可少消耗37440吨小麦, 可是要获得等量的Fe、Ca就要多消耗11040和14040吨小麦。由此可见, 气象条件的变化对小麦5种元素含量的影响不仅仅是对人类健康的影响, 对21世纪食物安全供给也有直接关系, 这是一个还未被人们关注的十分重要的问题。

由上表的5种元素可见, 高CO₂、高温和干旱胁迫对小麦是利大于弊, 尤其是对籽粒 (人类食用部分) 5种元素含量的影响基本是有利的。但是我们也看到了高CO₂、高温和干旱胁迫最终使单位面积上获得的籽粒产量都有所下降, 尤其干旱胁迫造成的减产幅度更大, 由于产量的下降, 远远抵消了因元素含量增加减少消耗的部分。表 3给出了在不同气象条件下粮食 (小麦) 短缺情况。综合气象条件对小麦元素含量积累的有利一面和对产量的不利一面, 最终对小麦的供应状况进行了评估, 在正常CO₂条件下发生水分胁迫, 小麦将短缺34.77%;在高CO₂、高温条件下, 小麦短缺最少为14.85%;高CO₂、水分胁迫将短缺34.70%。上面3个数字说明水分胁迫对小麦安全供应构成的威胁最大。

为了保障21世纪我国16亿人口的粮食安全, 不仅要解决粮食高产, 而且要关注粮食的品质。因为粮食品质的好坏与粮食数量有十分密切的关系, 随着生活水平的提高, 人们对食物营养结构和营养价值将有更强烈的需求, 也就是对高品质食品的需求。

提高粮食的品质在某种程度上也是缓解粮食供给的一种有利的途径。高CO₂和干旱胁迫对小麦中量元素和微量元素含量积累有利, 但不是所有作物都是这样, 如对大豆的影响就十分不利, 这样就加重了粮食的短缺状况, 培育高产、优质、抗逆性强的品种将是今后科技工作者的重要任务。

3 结论和讨论

气象条件与小麦中量元素和微量元素含量有密切的关系, 高CO₂、高温、水分胁迫对小麦籽粒5种元素 (Zn、Fe、Mg、Ca、S) 含量积累基本为正效应 (高CO₂、高温对Fe、Ca除外); 高CO₂、高温、水分胁迫对小麦籽粒产量的影响为负效应, 综合两种效应, 因元素的增加虽然可以减少小麦的需求, 但因产量下降幅度大, 最终小麦还是处于短缺状态。由此进一步指出, 在农业生产中应特别重视干旱缺水和高温对小麦的危害, 这对日趋严重的北方干旱更具现实意义。