供养全世界的农作物竟有如此之美

在高倍显微镜下，常见的农作物也变得极具视觉冲击力。在气候变暖、极端天气的威胁下，科学家正在研发新技术，让农业变得更可持续。

撰文：ROBERT DASH

扫描电子显微镜图像：ROBERT DASH

爱吃匹萨的人无疑会喜欢阿尔贝吉纳橄榄树的花蕾，如图是放大80倍的图像。花蕾长成的甘美黑橄榄，在餐馆里备受青睐。橄榄树是一种多年生木本植物，可以长期固碳。国际橄榄理事会称，每生产1升橄榄油，橄榄就能吸收11千克二氧化碳。在世界上许多地方，橄榄都是一种主食，而气候混乱却会对橄榄树林造成严重破坏。

意大利种植着500个品种的橄榄。2017年，其橄榄油产业价值30亿欧元以上。然而，2018年，该产业崩溃。异常的寒冷、高温以及降雨削弱了树木，而一种入侵的热带细菌又让局面雪上加霜。为避开这场灾祸，人们移植了几千棵橄榄树，其中一些已有1400年历史。摩洛哥的一些种植者把橄榄树种在梯田上，减少水土流失，并用滴灌设施来浇灌树木。18世纪时，西班牙传教士在美国加利福尼亚州种下了橄榄树，这些树木日益繁盛，主要生产食用橄榄。升高的气温，不可预测的天气，以及日渐频发的山火共同促使种植者将几十个橄榄品种迁向北方的俄勒冈州。那里的精品橄榄油生产商暗示，北美的粮食产地可能会向北转移。

从头菜沙拉到餐后甜品，餐盘里的多数食物都可以追溯到精心种植的植物。即便是我们所吃的肉，很可能也来自于用作物饲养的动物。来自太阳的能量就这样传遍了全球的食物链。
但是，现代农业产生了巨大的环境代价。玉米、大豆等作物一般都种植在大型单一作物农场里，需要利用化石燃料制成的肥料和农药来维持。刀耕火种做法会大量破坏固碳的森林，并将额外的二氧化碳排放到空气中。重度耕作的土壤毁坏了附着在泥土上的真菌网络，浪费了本已面临干旱威胁的供水，还加剧了水土流失。这只是我们的粮食系统与气候变化紧密相关的几个方面。最近的估测显示，农业排放的温室气体占温室气体排放总量的30%以上。

为缓解这一问题，9月23日，联合国粮食系统首脑会议在虚拟会议期间强调了农业的可持续解决方案。会议的目标是“每个人、每个地方都必须采取行动，齐心协力转变全世界生产、消费和考虑粮食的方式。”

作为迈向更可持续农业的一步，越来越多的粮食生产者和投资者正在采用先进技术，以及一些在遥远过去所使用的、可概述为可再生农业的技术。提高植物的遗传多样性；种植“覆盖作物”，将大气中的氮固定下来并添加到土壤中；这些做法可以提升土壤健康度，让更多碳回归大地。（译者注：覆盖作物，是在目标作物之外人工种植的植物，用以减少杂草或覆盖裸露土地。）

作为一名教师、摄影师和终身自然爱好者，我正在探索我们依赖的粮食作物与它们面临的威胁或解决方案之间的迷人关系。通过扫描电镜放大图像，我发现了一些令人惊叹、着迷之处，希望能帮助人们更好地了解如今的生态破坏现象，或许可以鼓励人们去扭转局面。

向日葵

这是放大800倍的向日葵带刺的花粉。最近，对向日葵的优点感兴趣的研究人员组成了一个全球的团队，调查它的基因库。他们发现，向日葵的基因组比人类基因组大20%，基因数量约为人类的两倍。这就允许它产生非常繁多的基因组合，从而产生70个向日葵品种。绘制基因组图谱，是弄清这些植物如何在各种受压环境中茁壮成长的关键一步。向日葵极为耐旱、耐热、耐高盐且抗病，是全球仅次于玉米的杂交作物。种子收集者们正在保存野生向日葵品种，以防范未来的气候压力。农民种植向日葵作为覆盖作物的一部分，以改善土壤，节约用水，减少农药使用量。堪萨斯州萨莱纳市土地研究所的科学家正在尝试培育多年生向日葵品种，它所需的耕作、肥料和农药都更少。

蚕豆

在这张放大3400倍的图像中可以看到，一些花粉颗粒依附在蚕豆花朵的花药上。蚕豆是一种重要的覆盖作物，能减少合成肥料的使用。生长在根瘤上的细菌能完成固定氮的工作。丹麦的研究人员将蚕豆推广为当地的植物蛋白来源，因为它易于消化。斯堪的纳维亚地区多国气候较冷，也都得益于这种作物，当地用它来替代从遥远国家进口的大豆。一些宠物食品生产商也会在产品中添加蚕豆蛋白，帮助减少对海鱼的需求。蚕豆会导致蚕豆病，即在遗传性G6PD酶缺乏症的人群中导致严重贫血反应。为解决这一难题，科学家已经在致力于消除蚕豆中能诱发这一病症的化合物。

番茄

这颗放大34倍的种子来自Solanum sitiens番茄植株。它生长在智利阿塔卡玛沙漠中，是现代番茄的野生亲属。每一种当代的粮食作物都起源于几百年甚至几千年前的、科学家称之为野生作物亲属的植物。在我们这个气候快速变化的时代，这些野生品种，与在更稳定环境中生长而基因多样性较少的现代作物相比，因能够克服后者的许多弱点而被新发现许多重要性。研究人员正在采集、保存野生作物亲属的种子，评估其基因，以应对干旱和盐分等压力因素。

种植者正在试验新的番茄品种，即面临洪水与干旱、生长季节变化、害虫和蜜蜂等传粉昆虫的挑战仍然能表现良好的品种。例如，肯尼亚的农民为应对气候威胁，调整了栽种和收获时节，栽种新品种，以及在一天中较冷的时候运输采摘的农产品。在美国，番茄专家Brad Gates从20世纪90年代起就一直在推广新品种。他说，更好的培育和更多的多样性将确保番茄能存活，并在未来取得成功。

胡萝卜

放大300倍后，区区胡萝卜叶片上的小分叉也能产生一种雄伟感。干旱和洪水的剧烈波动会影响胡萝卜，以及许多蔬菜作物。胡萝卜种子需要稳定的湿度，会因间歇性干旱而遭破坏。过热会导致这种植物的叶子生长更快，过早开花，使胡萝卜又苦又柴。美国加利福尼亚州的胡萝卜正在忍受几年干旱后形成的旱地。研究人员正在进行试验，期望能培育出能更好应对这类条件的胡萝卜品种。

澳大利亚的研究人员已经证实，高温下生长的胡萝卜的口味和纹理较差，提出胡萝卜最佳的生长范围将从南方迁移向更冷、更湿润的塔斯马尼亚州。随着温度和二氧化碳浓度升高，胡萝卜将很可能失去营养价值。作物野生亲属项目（Crop Wild Relatives Project）正在将现在的胡萝卜及其他作物，与其野生亲属杂交，以提高作物对干旱、高温和高盐的耐受性。利用野生植物引入更多样化的遗传物质，将有助于我们基本的粮食作物在充满挑战的未来保持健康和营养。

羽衣甘蓝

在放大240倍后，覆盖着花粉的羽衣甘蓝花药似乎在召唤饥饿的观察者。美国每年的有机食品销量高达500亿美元，而且仍在攀升，约占食品总销量的6%。市场对曾经不起眼的羽衣甘蓝的需求剧增，只是剧变的象征。营销者把羽衣甘蓝称作超级食物，将其地位提升为重视健康的人必吃的食物。但是，提到有机农业实践中产生的温室气体，情况就没那么美好了。越来越多的证据显示，大规模有机农场产生的温室气体可能比传统农场更多。许多有机农场依靠内燃机驱动的机械来抑制杂草和害虫。

有机农场里生长的作物还有可能严重依赖耕作。对土壤的深耕破坏了土壤健康和固碳所必需的微生物及菌丝网络。许多有机农场使用的肥料会增加温室气体甲烷。工业化种植通过使用重型机械、化肥、杀菌剂、杀虫剂、灌溉设施和自动化收获技术，能增加作物产量，而我们丧失的是诱导土壤的生物与生态健康性、土壤捕获碳的潜力的专门技术。如果在理想条件下生长，羽衣甘蓝将真的成为一种超级食物。

水稻

如图是覆盖着花粉的两个花药，放大倍数为340倍。全球有10亿多人依靠种植水稻来维持经济和文化发展。几百年来，美国上中西部地区的阿尼什纳比族（Anishinaabe）和梅诺米尼族（Menominee）原住民一直在采集野生水稻，它们将其称之为梅诺米（manoomin）。这种食物对他们的文化十分重要，以至于梅诺米尼族以它来命名自己的族群。水稻的重要性非常高，因此，营养物质降低及盐害等任何对其产量的威胁，都会成为人道主义问题。用于强化水稻的技术创新有望使其更富营养。孟加拉国和菲律宾已经批准生产转基因的“金稻米”，因为其中高含量的维生素A可能有助于拯救儿童的生命。

但是，转基因作物的反对者吹嘘红薯、胡萝卜和辣木的果实都能够解决维生素A缺乏问题。水稻作物的意义不仅仅是营养。水稻能从土壤中吸收二氧化硅，将其富集到稻壳里保护稻米免受害虫侵害。富含二氧化硅的废弃稻壳可在工业上回收利用，用于制造轮胎、硅片、牙膏、电池等。稻壳还可以用于生产生物炭，有助于将碳存储在土壤里。不过，据估计，水稻田占全球甲烷排放量的17%，因为其根部生长的细菌会释放甲烷。消除这种细菌的新种植方式正在研发中。

芡欧鼠尾草

芡欧鼠尾草（Chia）的种子又名奇亚籽，图为它放大800倍的图像。奇亚籽是一种假谷物，含有矿物质、抗氧化物、纤维、脂肪酸，以及人体必需的所有9种氨基酸。从3000多年前开始，它就是玛雅人的主食。如今，奇亚籽被吹嘘为不含谷物蛋白的超级食品，对气候友好，而且它能为贫困群体提供一种便宜的人体必需营养来源。需求剧增刺激了农业地区对奇亚籽的兴趣，特别是在乌干达和东非。当地的小农户和难民农民们从奇亚籽赚取的收入比传统的棉花高5倍。奇亚籽有凝胶状的包衣，有助于保持水分。研究人员分析了这一性状，期望将其移植到其他受干旱威胁的物种上。在埃及和中东地区，芡欧鼠尾草被当作一种珍贵的作物来推广，因为它所需的水比传统种植的小麦少得多。

啤酒花叶子

放大240倍后可以看到，啤酒花叶子表面覆盖着毛发一样的凸起物，即毛状体。啤酒花和大麦是酿造啤酒的关键原料，但一些用于热门精酿啤酒的啤酒花品种却面临着干旱、高温和极端天气的威胁。美国华盛顿州的雅基马谷（Yakima Valley）是全世界最大的啤酒花产地之一，但喀斯喀特山脉的积雪减少，冰山缩小，导致啤酒花农场的水量减少。啤酒花容易遭受害虫和霉菌的侵害，不可预料的天气还会使状况恶化。室内种植啤酒花是一种解决方案。与此同时，研究人员正在用一种经过基因编辑的发酵酵母来酿造啤酒，这种酵母用薄荷和罗勒榨汁来代替啤酒花。美国西南部的偏远地区有一种坚韧的野生啤酒花品种，能酿出美味的、对气候友好的啤酒，而佛罗里达州等州则成功在冬季种出了啤酒花。

猴头菇

在400倍显微镜下，猴头菇的卷须显得尤为复杂。在创造健康的土壤、植物生长的最佳条件，以及降雨方面，真菌网络的重要性再怎么强调都不为过。它交织的丝线，名为真菌菌丝体，就像是土壤里的互联网，能通过分叉的细丝运输微量营养物。作为交换，其真菌“垫子”可以获得植物光合作用产生的糖。这种“垫子”能凝结土壤，帮助分解死去的动植物，向空气中释放出万亿计的真菌孢子，成为雨水的“种子”，帮助形成云团。

地球16%的碳存储在北半球的森林中，而在捕获碳方面，蘑菇比树木更在行。此外，有几种蘑菇已证实能抗癌症和其他疾病，它们的提取物可以用来增强蜜蜂对病毒感染的免疫力，防止这些关键授粉者的蜂群崩溃。真菌网络还有工业用途。菌丝与废弃的玉米秸秆和木质纤维混合，制成的复合材料可用于包装材料、塑料和粘合剂。这些产品与软木、橡胶、塑料和皮革的性能类似。废弃之后，它们还能为土壤增加营养物质。

蓝莓

放大300倍后，小小的蓝莓种子上似乎盖满了鳞片。季节变迁会带来新的害虫、极端天气，使传粉者减少，这影响着全球的蓝莓。萌芽发育早期如果随机出现冰冻，则会毁掉蓝莓植株。19世纪50年代，Henry David Thoreau（亨利·大卫·梭罗）在马萨诸塞州瓦尔登湖附近居住，他记录下高丛蓝莓的平均开花时间在5月16日。2012年，波士顿大学的生物学家Richard Primack发现如今的平均开花时间是4月23日，最早的日期是4月1日。

与北半球众多作物一样，蓝莓的生长范围也正在向高纬度地区迁移，加拿大的魁北克省已成为野生蓝莓的产地，与美国缅因州呈竞争之势。蓝莓面临的其他威胁来自入侵的斑点翅果蝇。这种果蝇会伤害幼嫩的蓝莓，并能在温暖的天气中茁壮成长。精明的消费者会对食物的产地格外注意。但许多喜欢吃本地食物的人可能会惊讶地发现，对食物碳足迹影响更大的是运输方式而非运输距离。例如，当蓝莓收获时，运输方式的碳足迹差别很大。《气候智能型食物（Climate-Smart Food）》一书的作者David Reay发现，一盒产自英国本土的蓝莓，与一盒通过船只从他国运来的蓝莓的碳足迹很相似，都约等于一盒空运蓝莓的十分之一。这是支持“自助采摘”农场的一个好论据。

（译者：Mike Gao）