一个更温暖的星球，更少营养的植物和……更少的蚱蜢？

在堪萨斯大草原上，一只饥饿的蚱蜢很难生存。哦，有很多草可以吃，但是这个世纪的草不是以前的样子。它营养较少，缺乏铁、钾和钙等矿物质。

根据 2020 年的一项研究，部分由于营养不足的饮食，最近蝗虫数量大幅下降，在二十年内下降了约三分之一。诺曼俄克拉荷马大学的生态学家、研究作者迈克尔·卡斯帕里 (Michael Kaspari) 说，大草原不像以前那样跳跃——主要的罪魁祸首是二氧化碳。

大气中的二氧化碳含量处于人类历史上的最高水平。这可能对像跳跃者咀嚼的草这样的植物很好。他们可以将大气中的碳转化为碳水化合物并培育出更多的植物——事实上，植物生物学家曾经认为所有额外的二氧化碳只会意味着更高的作物产量。但对暴露于高二氧化碳浓度的作物进行的实验表明，与过去在二氧化碳浓度下相比，许多食用植物所含的其他营养物质更少。例如，一些研究发现植物的氮含量已经下降，表明植物蛋白质含量较低。一些研究表明，植物也可能​​缺乏磷和其他微量元素。

在当今富含二氧化碳的时代种植的植物将含有较少的某些其他元素——卡斯帕里将这一概念归类为营养素稀释——这一想法已经在农作物中得到了充分研究。自然生态系统中的养分稀释研究较少，但科学家观察到它发生在几个地方，从欧洲的森林到南加州的海带森林。现在，像卡斯帕里这样的研究人员开始研究连锁反应——看看以这些植物为食的食草动物，如蚱蜢和食草哺乳动物，是否会受到影响。

现有的少量数据表明，营养稀释可能会导致广泛的问题。 “我认为我们处于煤矿领域的金丝雀地带，”卡斯帕里说。

劣质食品？

很明显，二氧化碳含量的上升会以多种方式改变植物的构成。科学家们进行了长达数年的研究，他们将二氧化碳泵入农作物以人为地增加它们对气体的暴露，然后测试植物的营养成分。一项大型分析发现，将二氧化碳提高约百万分之 200会使植物质量增加约 18%，但通常会降低氮、蛋白质、锌和铁的含量。

像生菜和西红柿这样的蔬菜由于添加了富含碳的糖分，可能会更甜、更美味，但它们在低碳条件下会损失大约 10% 到 20% 的蛋白质、硝酸盐、镁、铁和 锌。另一项大型研究。平均而言，在二氧化碳升高的条件下，植物可能会损失大约 8% 的矿物质含量。卡斯帕里将这种效果比作用营养丰富的羽衣甘蓝沙拉换取一碗低营养的卷心生菜。

科学家们还不清楚额外的二氧化碳是如何导致所有这些其他营养素发生变化的。卡斯帕里 (Kaspari) 在 2021 年生态学、进化和系统学年度回顾中讨论了钙和铁等微量营养素在生态系统中的重要性，他认为这是一个简单的比率问题：碳增加，但其他一切保持不变。

纽约市哥伦比亚大学梅尔曼公共卫生学院的植物生理学家 Lewis Ziska 认为，这比单纯的比率更复杂。例如，在蔬菜研究中，升高的二氧化碳增加了某些营养素（如钙）的浓度，即使它限制了其他营养素的水平。

一个促成因素可能是植物的小开口，称为气孔，它们通过这些开口吸收用来制造糖和其他结构的二氧化碳。如果周围有大量的二氧化碳，它们就不需要经常或长时间打开气孔。这意味着植物从这些开口蒸发掉的水分更少。结果可能是更少的液体从根部向上移动到茎上，并且由于该液体携带土壤中的金属等元素，因此到达茎和叶的微量元素更少。

科学家们还假设，当二氧化碳含量较高时，植物吸收矿物质和其他元素的效率较低，因为通常吸收这些元素的根分子的作用能力较低。 Ziska 说，可能有多个过程在起作用。 “这不是一种放之四海而皆准的机制。”

Kaspari 说，无论这些经过充分研究的作物发生了什么，树木、杂草和其他非农业物种也可能发生同样的事情。 “如果它发生在人类食物供应上，那么它也会发生在其他所有人身上。”

几项研究表明卡斯帕里是对的。例如，尽管农民向农田施氮肥，然后氮肥被冲刷到附近的水道或荒地，但各种非农业生态系统中的氮素可用性正在下降。在一项分析中，研究人员检查了 1980 年至 2017 年间在各种研究中收集的 43,000 多个叶子样本中的氮含量。在此期间，大气中的二氧化碳含量上升了近 20%，而叶子中的氮浓度下降了 9% 。矿物质浓度也受到影响：在 1992 年至 2009 年期间研究欧洲树木的科学家观察到，至少在一些叶子样本中，包括钙、镁和钾在内的几种物质有所下降。

科学家还可以检查博物馆和植物标本室的样本，以研究植物养分含量如何随着行星二氧化碳水平的上升而发生变化。 Ziska 及其同事为蜜蜂的主要食物来源一枝黄花这样做了。他们利用华盛顿特区史密森学会自然历史博物馆的藏品，分析了早在 1842 年美国工业革命之前的花粉。当时，二氧化碳含量为百万分之 280，而今天刚刚超过 420。

科学家们发现，随着时间的推移，花粉的蛋白质含量以及营养水平下降了大约三分之一。 Ziska 对在高达百万分之 500 的二氧化碳水平下生长的黄花进行的现代实验证实，更多的二氧化碳会产生缺乏蛋白质的花粉。 Ziska 说，虽然目前还不清楚这对蜜蜂意味着什么，但可能并不好。

研究结果令人震惊，特别是与不利用大型历史数据集的作物研究相比，塞缪尔迈尔斯说，他是哈佛大学公共卫生学院的首席研究科学家，他研究了传粉者健康与人类营养之间的联系.

郁郁葱葱的草原，空卡路里

蜜蜂等动物需要的不仅仅是饮食中的蛋白质；他们还需要微量营养素。卡斯帕里指出，某些矿物质，如钠，对动物比对植物更重要。许多植物根本不含钠就可以，但动物需要钠才能让大脑和肌肉正常工作。 （这就是为什么鹿会舔盐，而运动员会喝佳得乐。）许多植物似乎在没有碘的情况下也能生存，但动物却依赖碘来维持甲状腺功能。

因此，营养稀释可能会以各种方式影响食草动物，并可能导致报告的昆虫数量下降，尽管有争议，这有时被称为“昆虫末日”，安德鲁埃尔莫尔说，他是英国大学的生态学家。 Frostburg 的马里兰环境科学中心。 “当昆虫受到营养压力时，它们的生长速度不会那么快，因此它们不会很快成熟，它们的繁殖速度也不会那么快，因此种群规模会下降，”Elmore 说。

卡斯帕里 (Kaspari) 于 2020 年发表的关于堪萨斯蚱蜢的研究首次将植物中的养分稀释与昆虫数量的显着减少联系起来。它专注于堪萨斯州东北部的一个自然区域 Konza Prairie，该区域已被预留用于研究高草草原生态系统。孔扎以灌木和树木以及草丛为特色，是啮齿动物、鸟类、蜥蜴和鹿的家园。

Kaspari 及其同事访问了超过 30 年的关于草原植物生命和蚱蜢种群的数据——对 93,000 多只昆虫进行了采样。从 20 世纪 80 年代中期到 2016 年，植物生物量增加了，主要是由于草类生物量增加了一倍。研究人员发现，这听起来像是蚱蜢的一顿丰盛自助餐，但它们的数量每年下降超过 2%。 Kaspari 和他的同事认为原因在于草：在草中，蚱蜢需要的几种元素——氮、磷、钾和钠——在同一时期逐渐减少。

虽然气候和天气的其他方面无疑对蝗虫数量产生了影响，但研究人员估计，养分稀释约占蝗虫数量下降的四分之一。

有迹象表明，食物链上游的生物——蚱蜢捕食者——也可能受到影响。曼哈顿堪萨斯州立大学的鸟类生态学家爱丽丝博伊尔说，她尚未发表的来自孔扎草原的数据表明，当研究人员随着时间的推移计算特定地区的领地雄性蝗虫麻雀时，鸟类数量从 2008 年的 65 只左右下降到1980 年减少到 2021 年的不到 20 个。她说，该物种可能会在 100 年内从草原上消失。

蚱蜢是 Konza 等草原上的主要食草动物，但在草原上吃草的大型动物也是如此。关于营养稀释对鹿等大型食草动物的影响知之甚少，但为了证明可能发生的情况，卡斯帕里指出了它们的“城市表亲”——牛。

为了研究牛饮食中可能的营养稀释，Elmore 及其同事利用了 Temple Texas A&M Agrilife Research 的牛粪长期数据集。在那里，现在供职于美国农业部的牧场生态学家杰伊·安格勒 (Jay Angerer) 通过分析牛排来帮助牧场主关注动物的营养——这种做法在 22 年多的时间里为他提供了超过 36,000 次测量结果。研究人员发现，自 1994 年以来，当二氧化碳水平约为百万分之 360 时，牛皮样本中的粗蛋白浓度下降了近 10% 。

这些研究描绘了一幅美国草原已经变成绿色沙漠的图景，上面堆满了提供空热量的茂盛植物。高二氧化碳、植物和以植物为食的动物的交织效应将如何在其他生态系统中发挥作用还有待观察。旨在阐明正在发生的事情的研究正在进行中：例如，一个名为营养网络的大型合作组织正忙于分析世界各地的草地营养预算和食草动物种群，以便更好地了解植物生产与多样性之间的联系以及食草动物的影响.四十多年来，明尼苏达大学的雪松溪生态系统科学保护区一直在分析生态系统如何应对环境变化，包括高二氧化碳。

气候变化对自然生态系统的不同影响让人很难知道该关注到什么程度。一些生物可能会获得优势，而另一些则可能会失败。例如，Kaspari 研究的蝗虫似乎正在遭受重创，而其他蝗虫——特别是破坏农作物的蝗虫——似乎从营养较少的饮食中受益。

“这就是让我夜不能寐的原因，我们现在正在生态系统上进行的全球实验的复杂性，”迈尔斯说，他是行星健康联盟的主任，该联盟是一个调查环境退化对人类健康影响的联盟. “我们不知道这意味着什么。”

科普作家 Amber Dance 喜欢在她的沙拉中加一点盐。在www.AmberLDance.com上阅读她的作品。这篇文章最初出现在Knowable 杂志上，这是一份来自 Annual Reviews 的独立新闻报道。注册时事通讯。