CO2是植物进行光合作用的底物，设施蔬菜生产中可以通过CO2气肥的施用提高光合效率，进而提高蔬菜产量、影响蔬菜品质。在前期研究中，中国科学院南京土壤研究所研究员段增强团队通过分析发现，CO2施肥可使蔬菜产量增加34%，高于其对粮食作物增产的效果（小麦：24~33%、水稻：13~23%、大豆：24~27%）。其原因是设施生产中CO2施肥浓度一般高于粮食作物FACE试验的CO2浓度，设施内生长环境优于大田环境，且蔬菜生长周期较大田作物更短，CO2施肥对短期增产效果更好（Journal of Cleaner Production, 2020, 253: 119920）。此外，科研人员对CO2施肥下的蔬菜品质综述分析发现，CO2施肥使蔬菜蛋白质含量下降9.5%，硝酸盐含量下降18.0%，镁、铁、锌含量分别下降9.2%、16.0%和9.4%（Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 924）。
大气CO2浓度升高时，植株体内的矿质元素浓度变化被广泛提及的主要有三种机制：一是非结构性的碳水化合物累积带来的“稀释效应”；二是蒸腾减弱使得进入植株体内并向上运输的矿质养分减少；三是生理过程改变使植物对矿质养分的需求变化，而各种矿质元素主要受哪种机制影响尚不清楚。为此，科研人员通过对黄瓜各部位矿质元素浓度与CO2浓度和蒸腾速率之间的相关性分析发现，稀释效应是高CO2浓度下氮、磷、钾、钙、镁在黄瓜植株内浓度降低的主要因素，蒸腾作用的减弱同时也是氮、钾、钙、镁浓度降低的主要因素，氮、钙、镁浓度的变化还受植株需求变化的影响（Agronomy, 2020, 10, 139.）。
此外，多数针对CO2浓度升高下植株矿质养分含量变化的研究在封闭的水培条件下进行，所用营养液是根据在常规CO2浓度下植物对各矿质元素和水分的吸收比例得到的配方。在CO2浓度升高条件下，植物对各矿质元素和水分的吸收比例将发生变化，且营养液更换间隔普遍在2-7天，期间营养液中矿质元素浓度是否大幅波动、是否会引起植株体内矿质养分变化尚无研究。对此，科研人员通过分析不同CO2浓度和氮水平处理下黄瓜生长4-7天后更换的营养液剩余体积和氮、磷、钾浓度发现，在低氮供给时，高CO2浓度使营养液中氮浓度进一步降低，加剧了高CO2浓度导致的植株氮浓度的降低；在高氮供给时，高CO2浓度会使营养液中钾浓度迅速降低，加剧了高CO2浓度导致的植株钾浓度降低。这些情况可能导致高估CO2浓度升高本身对植株氮、钾浓度降低的作用，并提示亟需开发匹配CO2浓度升高后植物生长所需营养液配方和矿质养分管理策略（Plant and Soil, 2021）。
研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项和中科院南京土壤所“一三五”及领域前沿项目的支持。
不同CO2浓度和氮水平条件下黄瓜氮、磷、钾与水分消耗量的相关性分析
研究团队单位：南京土壤研究所