大氣CO2濃度不斷升高是全球氣候變化的重要環境因子，根據計算大氣CO2濃度已從工業革命前的270ppm升高到目前的412ppm（http://scrippsco2.ucsd.edu/#），預測到本世紀中葉大氣CO2濃度將升高到550ppm，本世紀末達到700ppm。研究發現大氣CO2濃度升高促進C3作物生物量提高，即肥料效應（CO2fertilization effect），但會導致植株氮（N）濃度降低，進而抑制產量的持續增加。大豆是對CO2濃度升高響應最敏感的作物之一，由于其本身具有共生生物固氮能力，理論上大氣CO2濃度升高可能顯著改變N吸收模式，進而影響CO2肥料效應。
黑龍江省是我國大豆的主產區，大豆種植面積占全國種植面積40%左右，品種資源豐富。針對氣候變化引起的不確定性，研究大氣CO2濃度升高對大豆產量及N吸收機制的影響，對預警未來氣候條件下大豆N利用效率、提高大豆產量穩定性具有重要理論意義和實際應用價值。同時對進一步認識全球C、N循環也有重要的科學意義。
中國科學院東北地理與農業生態研究所農田分子生態學科組助理研究員李彥生和研究員金劍等利用開頂式氣室（Open Top Chamber, OTC）模擬大氣CO2濃度升高到550ppm，采用穩定同位素15N標記方法，選取黑龍江省主栽品種，量化分析了大氣CO2濃度升高條件下共生固氮、土壤氮和肥料氮對大豆產量形成的貢獻。研究發現，高濃度的CO2顯著增加了大豆植株中N吸收量，這主要與大豆共生生物固氮貢獻提高有關（圖1）。大氣CO2濃度升高條件下，大豆根瘤數量和質量均顯著提高。揭示高CO2濃度條件下大豆R5期（鼓粒期）至R8期（成熟期）共生生物固氮的增加與產量提高顯著相關（P<0.05）。從植株C、N和磷（P）的化學計量學角度進一步證實大氣CO2濃度升高顯著增加大豆不同組織的C:N比，但降低N:P比，提出N是限制黑土區大豆對大氣CO2濃度升高響應重要元素，而不是P，大豆固氮能力可能是決定未來大豆產量穩定性的重要因素（圖2）。
解析大氣CO2濃度升高影響大豆營養品質對保障未來糧食品質安全具有重要意義。研究發現，雖然大氣CO2濃度升高一定程度上增加大豆R8期脂肪含量（P<0.05），但顯著降低大豆籽粒中蛋白質和游離氨基酸含量（P<0.05）（圖3）。在營養元素方面，鋅（Zn）和鐵（Fe）濃度在高CO2條件下也呈降低趨勢。在未來CO2濃度升高環境條件下，大豆蛋白和微量元素等品質特征可能降低。
該研究成果分別發表在環境和植物領域國際期刊Science of the Total Environment 和Frontiers in Plant Science上。此系列研究工作得到中科院百人計劃、國家重點研發計劃（2017YFD0300300）和國家自然科學基金（41201247、31501259、41271261）的資助。
圖1 大氣CO2濃度升高對大豆氮吸收、轉運模式的影響
圖2 大氣CO2濃度升高對大豆植株C:N:P比例的影響
圖3 大氣CO2濃度升高對大豆鼓粒期和成熟期籽粒品質的影響