我國冬小麥和水稻對大氣o

我國冬小麥和水稻對大氣o

隨著大量消耗巖石燃料，環(huán)境空氣中的o3前體物nox和vocs的排放，人類活動對該地區(qū)和世界各國的影響日益顯著。近年來的國內研究表明，由人類造成的污染主要發(fā)生在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)東部城市的聚集地區(qū)，如北京的唐、長江三角洲和珠江三角洲。此外，夏季和夏季對該地區(qū)的污染尤其嚴重。人為增加（o3）22011年5月7日至6月9日，將（o3）分為20.25nol1。嚴谷灘22011年5月7日至6月9日，對北京附近土地進行了連續(xù)觀察。結果表明，白天（o3）最高可超過100nlue4d4l，下午達到峰值，平均值可達到60nlue4l。嚴敏等3根據(jù)廣東省環(huán)境評估中心2007年至2010年監(jiān)測數(shù)據(jù)，（o3）年平均值不斷增加，最大時間平均值達到0.300mgue4d4m3（o3）（o3）（ob3）（o3）李杰等人4根據(jù)東亞春季邊界層（o3）的模擬研究，東亞（o3）的高度在55nlue4l以上。根據(jù)目前（o3）的上升趨勢，估計到到2025年，世界流量（o3）的傳輸量可以達到40%60%。當時，（o3）可以達到80納米魯茲。5。大氣中φ(O3)的不斷升高,嚴重威脅糧食生產(chǎn)安全.高濃度大氣O3可損傷植被內部結構和生理功能,影響植物正常生長,導致農(nóng)作物減產(chǎn)5%~15%,某些作物減產(chǎn)超過20%［6］.WANG等［7］在2004年利用CTM模型和美國NCLAN的劑量響應關系估算我國1990年和2020年的小麥、水稻、玉米和大豆的產(chǎn)量損失,結果顯示,1990年小麥、水稻、玉米的產(chǎn)量損失為1%~9%,大豆的產(chǎn)量損失為23%~27%;2020年的產(chǎn)量損失大幅增加,小麥、水稻和玉米的產(chǎn)量損失升至2%~16%,大豆的產(chǎn)量損失升至28%~35%.FENG等［8］估算1999年O3使長三角的冬小麥和水稻損失分別達到66.9×104和55.9×104t,經(jīng)濟損失分別為9.36×108和5.39×108元人民幣.大氣O3對植被損傷的研究方法主要有控制環(huán)境研究法、田間暴露系統(tǒng)法和自然條件下田間小區(qū)法3種.田間暴露系統(tǒng)包括FACE(free-airconcentrationenrichment,自由通風無氣室)和OTC(open-topchamber,田間開頂式氣室)2種系統(tǒng).目前,國內外使用比較廣泛的試驗裝置為OTC系統(tǒng).自1973年開頂式氣室使用以來,美國、歐洲及其他國家的學者利用該裝置分別就O3對糧食、疏菜、煙草和果樹等的潛在影響進行了廣泛研究［9-10］.我國學者采用OTC系統(tǒng)在長江三角洲地區(qū)陸續(xù)開展了O3和CO2對水稻、小麥和油菜等作物影響的研究［11-13］,旋轉布氣法使OTC系統(tǒng)性能有了很大改進［14-15］.我國地域遼闊,區(qū)域氣候特征和作物品種的差異很大,很難用統(tǒng)一的劑量響應關系評價O3對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響.該類研究的局限:1國內只在長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)和京津冀等地區(qū)對水稻［14，16-18］、小麥［19-20］、大豆［13，21］、油菜［22］等進行了研究,還有很多地方?jīng)]有開展類似研究;2在作物種類上,鮮見對玉米、花生、棉花、大麥等作物的研究;3已有研究普遍時間較短,缺乏多年的研究,存在很大的不確定性.因此,筆者在我國北方麥田區(qū)和華南水稻區(qū)分別開展大氣O3對大田水稻和冬小麥的影響研究,建立OTC氣室,在作物整個生長期內進行O3熏蒸,研究作物產(chǎn)量與O3暴露量的劑量響應關系及臨界水平,綜合分析國內外已有研究結果,探討農(nóng)作物品種、生長區(qū)域等對作物抗氧化性的影響特征,以期為減少由于大氣污染所造成的農(nóng)作物減產(chǎn)、保障糧食生產(chǎn)安全提供科學支撐.1試驗時間、地點筆者建立的OTC系統(tǒng)由開頂式氣室、布氣裝置、O3發(fā)生及控制裝置等組成,詳見文獻.大田試驗中,O3處理為4組,分別為環(huán)境大氣φ(O3)組(CK)及在CK基礎上分別增加40、80、120nLue4d4L試驗組.每組處理設3個平行.為避免高濃度O3的急性損傷,控制OTC氣室內最高φ(O3)低于200nLue4d4L.熏蒸時間為每天09:00—17:00,陰雨天不熏蒸.水稻大田試驗地點設在廣東省東莞市種子研究所,水稻品種為粵晶絲苗2號(OryzasativaL.),整個生長期內共熏蒸44d.冬小麥大田試驗地點設在北京市昌平區(qū)種子管理站,冬小麥品種為北農(nóng)9549(TriticumaestivumL.),整個生長期內共熏蒸50d.2作物生長季內不同暴露量對產(chǎn)量的響應生長期內水稻和冬小麥2種作物所暴露的φ(O3)平均值及累計暴露量AOT40〔指>40nLue4d4L的小時平均φ(O3)與40nLue4d4L差值的累積值,μLue4d4(L·h)〕［6］)如表1所示.用于定量表征作物O3暴露量的指標有M7〔作物生長季節(jié)內7h(09:00—16:00)φ(O3)平均值,nLue4d4L〕、M12〔作物生長期內12h(08:00—20:00)φ(O3)平均值,nLue4d4L〕［23］、SUM06〔作物生長季內>60nLue4d4L的φ(O3)累計值,nLue4d4(L·h)〕［7］、AOT40和AFstX(氣孔O3吸收速率高于臨界值X時的累積O3吸收通量,mmolue4d4m2)［24-27］.以該研究中不同O3處理條件下水稻和冬小麥每m2的產(chǎn)量與對應的O3暴露指標進行線性和指數(shù)擬合,獲得基于不同暴露指標的暴露量-產(chǎn)量的響應關系,結果如表2所示.從表2可知,以指數(shù)擬合的暴露量-產(chǎn)量響應關系的相關系數(shù)普遍高于線性擬合,反映了作物產(chǎn)量對O3響應的非線性特點［28］.O3在水稻和冬小麥產(chǎn)量形成中的作用是有差別的,水稻的相對產(chǎn)量與暴露量之間的相關性為中度相關(0.500≤|R|<0.800),冬小麥為高度相關(|R|≥0.800)［29］.3北京平臺和中國糧食對o3的臨界水平臨界水平多是基于開頂式氣室試驗獲得的結果,計算在風險閾值下的O3暴露量.除作物種類因素外,區(qū)域氣候特征和作物品種的差異也會影響作物個體對O3的敏感性［32-33］.根據(jù)該研究試驗,得到水稻和冬小麥O3暴露量-產(chǎn)量響應關系計算臨界水平(以AOT40計),其中廣東東莞水稻為4.95μLue4d4(L·h),而北京昌平冬小麥為2.44μLue4d4(L·h).根據(jù)國內外已有農(nóng)作物產(chǎn)量與O3暴露量的響應關系,計算獲得農(nóng)作物的臨界水平,如表3所示.由表3可見,我國水稻和冬小麥的臨界水平分別為4.950~9.506和2.280~3.858μLue4d4(L·h),對O3敏感性存在明顯的地域和品種差異,其中水稻對O3的敏感性由我國北方到南方逐漸增加,但冬小麥并無明顯地域變化規(guī)律.表3中我國的暴露量-產(chǎn)量響應關系多為農(nóng)作物一個生長季所獲得的研究結果,若要完全了解O3暴露量與農(nóng)作物產(chǎn)量之間的量化關系,需要開展多年試驗研究以獲得更準確的定量關系.與歐洲研究結果比較,我國水稻AOT40均低于歐洲水稻,即我國的水稻更易受到大氣污染的影響而減產(chǎn).小麥和油菜的臨界水平與歐洲范圍比較一致.同種作物在不同地區(qū)表現(xiàn)出來的臨界水平的差異也表明了農(nóng)作物通過長期適應,可能形成與各地氣候環(huán)境相適應的不同品種,其各自的抗氧化能力也存在明顯不同.因此,選育對O3具有較強抗性的品種對降低我國O3的農(nóng)業(yè)風險具有重要意義.4水稻、小麥、大豆和檳榔的相對產(chǎn)量損失根據(jù)試驗期間對試驗大田環(huán)境大氣φ(O3)同步監(jiān)測結果,計算在09:00—17:00期間大田作物所暴露的AOT40值可得,廣東東莞大田水稻的O3暴露量AOT40為2.69μLue4d4(L·h),北京冬小麥的O3暴露量AOT40為6.72μLue4d4(L·h),由此可以計算出水稻相對產(chǎn)量損失(relativeyieldloss,RYL)為2.70%,冬小麥相對產(chǎn)量損失為12.85%.由此可見,目前大田環(huán)境大氣φ(O3)已經(jīng)造成了水稻和冬小麥的產(chǎn)量損失,對冬小麥的產(chǎn)量影響更加明顯.歸納國內外已有研究結果,大氣O3污染所造成的農(nóng)作物(水稻、小麥、大豆和油菜等)相對產(chǎn)量損失見表4.從表4可見,O3污染會明顯造成我國農(nóng)作物減產(chǎn).對于水稻,不同品種和地區(qū)的研究結果有很大差別.當白天8h(09:00—17:00)的φ(O3)在50nLue4d4L以下時,水稻產(chǎn)量損失都在30.00%以下;當φ(O3)在50~100nLue4d4L時,水稻產(chǎn)量損失在10.10%~32.90%之間;當φ(O3)>100nLue4d4L時,水稻產(chǎn)量損失在50.00%以上.對于冬小麥,當φ(O3)≤100nLue4d4L時,減產(chǎn)13.00%~53.80%;當φ(O3)>100nLue4d4L時,減產(chǎn)在32.59%以上,該試驗結果與鄭飛翔等［37］對全球小麥數(shù)據(jù)整合分析后所獲得的結果較一致.對于大豆和油菜,φ(O3)在100nLue4d4L以上,大豆產(chǎn)量損失在50%以上,高濃度O3可造成嚴重的大豆減產(chǎn);而油菜的產(chǎn)量損失在3.70%~18.60%,會受到一定程度的影響.分別對表4中水稻和小麥的產(chǎn)量損失與O3平均暴露濃度進行線性分析,結果如圖1所示.水稻和冬小麥產(chǎn)量與O3暴露量均具有較好的線性關系,說明已有研究結果對于估算區(qū)域產(chǎn)量損失具有參考意義但也必須指出,作物產(chǎn)量受到多方面因素的影響,建立本地化暴露量-產(chǎn)量的響應關系是準確評估區(qū)域產(chǎn)量損失所必須開展的工作.目前已有研究所獲得的農(nóng)作物減產(chǎn)數(shù)據(jù)存在著很大的不確定性.究其原因:一方面,研究方法本身存在著一定的不確定性,不管是采用OTC方法,還是采用FACE方法,由于受到大氣環(huán)境φ(O3)日變化的影響及環(huán)境條件(溫度、相對濕度等)對O3發(fā)生及控制裝置工作效率的影響,O3熏蒸氣體濃度的準確控制都是很難實現(xiàn)的;另一方面,農(nóng)作物生長的復雜性必然導致研究結果的不確定性,包括種子的品質、田間管理、特殊天氣(干旱、熱風、連續(xù)陰雨等)及氣候的年紀變化等,單季的研究結果存在著一定的偶然性,因此開展多季的持續(xù)研究是降低不確定性所必須開展的工作.5大氣o3對我國水稻和冬小麥的影響a)利用OTC氣室,分別開展不同濃度梯度大氣O3對冬小麥和水稻的影響研究,獲得冬小麥和水稻O3暴露量-產(chǎn)量的響應關系,冬小麥的相對產(chǎn)量與O3暴露量之間存在