我國(guó)冬小麥和水稻對(duì)大氣o

我國(guó)冬小麥和水稻對(duì)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(dòng)對(duì)該地區(qū)和世界各國(guó)的影響日益顯著。近年來(lái)的國(guó)內(nèi)研究表明，由人類造成的污染主要發(fā)生在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)東部城市的聚集地區(qū)，如北京的唐、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲。此外，夏季和夏季對(duì)該地區(qū)的污染尤其嚴(yán)重。人為增加（o3）22011年5月7日至6月9日，將（o3）分為20.25nol1。嚴(yán)谷灘22011年5月7日至6月9日，對(duì)北京附近土地進(jìn)行了連續(xù)觀察。結(jié)果表明，白天（o3）最高可超過(guò)100nlue4d4l，下午達(dá)到峰值，平均值可達(dá)到60nlue4l。嚴(yán)敏等3根據(jù)廣東省環(huán)境評(píng)估中心2007年至2010年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，（o3）年平均值不斷增加，最大時(shí)間平均值達(dá)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(shì)，估計(jì)到到2025年，世界流量（o3）的傳輸量可以達(dá)到40%60%。當(dāng)時(shí)，（o3）可以達(dá)到80納米魯茲。5。大氣中φ(O3)的不斷升高,嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)安全.高濃度大氣O3可損傷植被內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理功能,影響植物正常生長(zhǎng),導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)5%~15%,某些作物減產(chǎn)超過(guò)20%［6］.WANG等［7］在2004年利用CTM模型和美國(guó)NCLAN的劑量響應(yīng)關(guān)系估算我國(guó)1990年和2020年的小麥、水稻、玉米和大豆的產(chǎn)量損失,結(jié)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(zhǎng)三角的冬小麥和水稻損失分別達(dá)到66.9×104和55.9×104t,經(jīng)濟(jì)損失分別為9.36×108和5.39×108元人民幣.大氣O3對(duì)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(fēng)無(wú)氣室)和OTC(open-topchamber,田間開(kāi)頂式氣室)2種系統(tǒng).目前,國(guó)內(nèi)外使用比較廣泛的試驗(yàn)裝置為OTC系統(tǒng).自1973年開(kāi)頂式氣室使用以來(lái),美國(guó)、歐洲及其他國(guó)家的學(xué)者利用該裝置分別就O3對(duì)糧食、疏菜、煙草和果樹(shù)等的潛在影響進(jìn)行了廣泛研究［9-10］.我國(guó)學(xué)者采用OTC系統(tǒng)在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)陸續(xù)開(kāi)展了O3和CO2對(duì)水稻、小麥和油菜等作物影響的研究［11-13］,旋轉(zhuǎn)布?xì)夥ㄊ筄TC系統(tǒng)性能有了很大改進(jìn)［14-15］.我國(guó)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(yīng)關(guān)系評(píng)價(jià)O3對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響.該類研究的局限:1國(guó)內(nèi)只在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)和京津冀等地區(qū)對(duì)水稻［14，16-18］、小麥［19-20］、大豆［13，21］、油菜［22］等進(jìn)行了研究,還有很多地方?jīng)]有開(kāi)展類似研究;2在作物種類上,鮮見(jiàn)對(duì)玉米、花生、棉花、大麥等作物的研究;3已有研究普遍時(shí)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(guó)北方麥田區(qū)和華南水稻區(qū)分別開(kāi)展大氣O3對(duì)大田水稻和冬小麥的影響研究,建立OTC氣室,在作物整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行O3熏蒸,研究作物產(chǎn)量與O3暴露量的劑量響應(yīng)關(guān)系及臨界水平,綜合分析國(guó)內(nèi)外已有研究結(jié)果,探討農(nóng)作物品種、生長(zhǎng)區(qū)域等對(duì)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(xué)支撐.1試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)筆者建立的OTC系統(tǒng)由開(kāi)頂式氣室、布?xì)庋b置、O3發(fā)生及控制裝置等組成,詳見(jiàn)文獻(xiàn).大田試驗(yàn)中,O3處理為4組,分別為環(huán)境大氣φ(O3)組(CK)及在CK基礎(chǔ)上分別增加40、80、120nLue4d4L試驗(yàn)組.每組處理設(shè)3個(gè)平行.為避免高濃度O3的急性損傷,控制OTC氣室內(nèi)最高φ(O3)低于200nLue4d4L.熏蒸時(shí)間為每天09:00—17:00,陰雨天不熏蒸.水稻大田試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在廣東省東莞市種子研究所,水稻品種為粵晶絲苗2號(hào)(OryzasativaL.),整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)共熏蒸44d.冬小麥大田試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)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(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)共熏蒸50d.2作物生長(zhǎng)季內(nèi)不同暴露量對(duì)產(chǎn)量的響應(yīng)生長(zhǎng)期內(nèi)水稻和冬小麥2種作物所暴露的φ(O3)平均值及累計(jì)暴露量AOT40〔指>40nLue4d4L的小時(shí)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(biāo)有M7〔作物生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)7h(09:00—16:00)φ(O3)平均值,nLue4d4L〕、M12〔作物生長(zhǎng)期內(nèi)12h(08:00—20:00)φ(O3)平均值,nLue4d4L〕［23］、SUM06〔作物生長(zhǎng)季內(nèi)>60nLue4d4L的φ(O3)累計(jì)值,nLue4d4(L·h)〕［7］、AOT40和AFstX(氣孔O3吸收速率高于臨界值X時(shí)的累積O3吸收通量,mmolue4d4m2)［24-27］.以該研究中不同O3處理?xiàng)l件下水稻和冬小麥每m2的產(chǎn)量與對(duì)應(yīng)的O3暴露指標(biāo)進(jìn)行線性和指數(shù)擬合,獲得基于不同暴露指標(biāo)的暴露量-產(chǎn)量的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)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(yīng)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)普遍高于線性擬合,反映了作物產(chǎn)量對(duì)O3響應(yīng)的非線性特點(diǎn)［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(duì)產(chǎn)量與暴露量之間的相關(guān)性為中度相關(guān)(0.500≤|R|<0.800),冬小麥為高度相關(guān)(|R|≥0.800)［29］.3北京平臺(tái)和中國(guó)糧食對(duì)o3的臨界水平臨界水平多是基于開(kāi)頂式氣室試驗(yàn)獲得的結(jié)果,計(jì)算在風(fēng)險(xiǎn)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(huì)影響作物個(gè)體對(duì)O3的敏感性［32-33］.根據(jù)該研究試驗(yàn),得到水稻和冬小麥O3暴露量-產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系計(jì)算臨界水平(以AOT40計(jì)),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(guó)內(nèi)外已有農(nóng)作物產(chǎn)量與O3暴露量的響應(yīng)關(guān)系,計(jì)算獲得農(nóng)作物的臨界水平,如表3所示.由表3可見(jiàn),我國(guó)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(duì)O3敏感性存在明顯的地域和品種差異,其中水稻對(duì)O3的敏感性由我國(guó)北方到南方逐漸增加,但冬小麥并無(wú)明顯地域變化規(guī)律.表3中我國(guó)的暴露量-產(chǎn)量響應(yīng)關(guān)系多為農(nóng)作物一個(gè)生長(zhǎng)季所獲得的研究結(jié)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(guān)系,需要開(kāi)展多年試驗(yàn)研究以獲得更準(zhǔn)確的定量關(guān)系.與歐洲研究結(jié)果比較,我國(guó)水稻AOT40均低于歐洲水稻,即我國(guó)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(lái)的臨界水平的差異也表明了農(nóng)作物通過(guò)長(zhǎng)期適應(yīng),可能形成與各地氣候環(huán)境相適應(yīng)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(duì)O3具有較強(qiáng)抗性的品種對(duì)降低我國(guó)O3的農(nóng)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義.4水稻、小麥、大豆和檳榔的相對(duì)產(chǎn)量損失根據(jù)試驗(yàn)期間對(duì)試驗(yàn)大田環(huán)境大氣φ(O3)同步監(jiān)測(cè)結(jié)果,計(jì)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(jì)算出水稻相對(duì)產(chǎn)量損失(relativeyieldloss,RYL)為2.70%,冬小麥相對(duì)產(chǎn)量損失為12.85%.由此可見(jiàn),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(duì)冬小麥的產(chǎn)量影響更加明顯.歸納國(guó)內(nèi)外已有研究結(jié)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(duì)產(chǎn)量損失見(jiàn)表4.從表4可見(jiàn),O3污染會(huì)明顯造成我國(guó)農(nóng)作物減產(chǎn).對(duì)于水稻,不同品種和地區(qū)的研究結(jié)果有很大差別.當(dāng)白天8h(09:00—17:00)的φ(O3)在50nLue4d4L以下時(shí),水稻產(chǎn)量損失都在30.00%以下;當(dāng)φ(O3)在50~100nLue4d4L時(shí),水稻產(chǎn)量損失在10.10%~32.90%之間;當(dāng)φ(O3)>100nLue4d4L時(shí),水稻產(chǎn)量損失在50.00%以上.對(duì)于冬小麥,當(dāng)φ(O3)≤100nLue4d4L時(shí),減產(chǎn)13.00%~53.80%;當(dāng)φ(O3)>100nLue4d4L時(shí),減產(chǎn)在32.59%以上,該試驗(yàn)結(jié)果與鄭飛翔等［37］對(duì)全球小麥數(shù)據(jù)整合分析后所獲得的結(jié)果較一致.對(duì)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(yán)重的大豆減產(chǎn);而油菜的產(chǎn)量損失在3.70%~18.60%,會(huì)受到一定程度的影響.分別對(duì)表4中水稻和小麥的產(chǎn)量損失與O3平均暴露濃度進(jìn)行線性分析,結(jié)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(guān)系,說(shuō)明已有研究結(jié)果對(duì)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(yīng)關(guān)系是準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域產(chǎn)量損失所必須開(kāi)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(duì)濕度等)對(duì)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(zhǔn)確控制都是很難實(shí)現(xiàn)的;另一方面,農(nóng)作物生長(zhǎng)的復(fù)雜性必然導(dǎo)致研究結(jié)果的不確定性,包括種子的品質(zhì)、田間管理、特殊天氣(干旱、熱風(fēng)、連續(xù)陰雨等)及氣候的年紀(jì)變化等,單季的研究結(jié)果存在著一定的偶然性,因此開(kāi)展多季的持續(xù)研究是降低不確定性所必須開(kāi)展的工作.5大氣o3對(duì)我國(guó)水稻和冬小麥的影響a)利用OTC氣室,分別開(kāi)展不同濃度梯度大氣O3對(duì)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(yīng)關(guān)系,冬小麥的相對(duì)產(chǎn)量與O3暴露量之間存在