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        大氣臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C、N、P和K濃度的影響

        2019-08-30 06:14:54王春雨謝志煌李彥生1于鎮(zhèn)華王光華范國(guó)權(quán)劉曉冰
        土壤與作物 2019年3期
        關(guān)鍵詞:臭氧濃度臭氧籽粒

        王春雨,謝志煌,李彥生1,,于鎮(zhèn)華,金 劍,王光華,范國(guó)權(quán),劉曉冰

        (1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150030;4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物脫毒苗木研究所農(nóng)業(yè)部脫毒馬鈴薯種薯質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心,黑龍江 哈爾濱 150086)

        0 引 言

        隨著人類社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的加快,來(lái)自工廠和汽車尾氣的污染物如氮氧化合物(NOX)、一氧化碳及非甲烷揮發(fā)性有機(jī)化合物(NMVOCs)的大量排放,對(duì)環(huán)境造成了污染,同時(shí)這些污染物還會(huì)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)增加地表大氣臭氧濃度[1-2]。臭氧濃度升高嚴(yán)重威脅到農(nóng)作物的生產(chǎn)。由于白天植物需要進(jìn)行蒸騰作用和光合作用,氣孔開閉完全與臭氧濃度高峰區(qū)間重疊,臭氧會(huì)經(jīng)過(guò)作物葉片的氣孔進(jìn)入植物體內(nèi),破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜,阻礙光合作用等關(guān)鍵化學(xué)過(guò)程,對(duì)作物光合系統(tǒng)造成損傷[3]。臭氧對(duì)作物生產(chǎn)能力的破壞作用,取決于所處環(huán)境的臭氧濃度和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。植物一般可以在低臭氧濃度下發(fā)揮自身的解毒功能,以避免臭氧所帶來(lái)的傷害。但是長(zhǎng)期研究表明,近地表大氣中臭氧濃度持續(xù)增加,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)植物本身的解毒能力。研究表明,歐洲地區(qū)近地表臭氧濃度從上個(gè)世紀(jì)五十年代開始穩(wěn)定增加,目前日均濃度已經(jīng)接近40 ppb。作物生產(chǎn)過(guò)程中特別是在干旱時(shí)期,臭氧濃度上升更為顯著,臭氧日均濃度會(huì)有幾天超過(guò)60 ppb[4]。例如,2006年7月,英國(guó)、比利時(shí)、荷蘭、法國(guó)、德國(guó)、瑞士和意大利等國(guó)家部分地區(qū)出現(xiàn)過(guò)連續(xù)10天近地表大氣臭氧濃度超過(guò)90 ppb的極端現(xiàn)象,其中意大利甚至記錄了臭氧濃度超過(guò)180 ppb達(dá)1小時(shí)以上[4]。

        據(jù)估計(jì),臭氧濃度升高已經(jīng)造成全球范圍內(nèi)主要作物產(chǎn)量下降,其中玉米產(chǎn)量平均降低了2.2%~5.5%,小麥產(chǎn)量平均降低了3.9%~15%,大豆產(chǎn)量平均降低了8.5%~14%[5]。而在未來(lái)臭氧濃度持續(xù)升高的情況下,作物的產(chǎn)量下降幅度還將進(jìn)一步擴(kuò)大[6]。此外,臭氧濃度升高還會(huì)影響植株體內(nèi)元素的吸收和利用,最終改變?cè)氐姆峙涓窬諿7]。如在高臭氧濃度下,水稻、小麥和油菜籽中的N、P和K濃度顯著降低[8-10]。但也有研究表明,在高臭氧濃度條件下大豆籽粒中的N濃度顯著升高了21%,水稻籽粒中的N濃度無(wú)明顯變化[7]。Zhang等[2]指出,大豆籽粒中的元素含量對(duì)臭氧濃度升高的響應(yīng)差異取決于作物品種。

        大豆是東北地區(qū)的主要作物,而有關(guān)臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C、N、P和K積累影響的研究較少。鑒于東北地區(qū)主推大豆品種都是氣孔導(dǎo)度較高的品種,更易受到臭氧濃度升高的危害[2,11],本研究旨在分析不同大豆品種籽粒C、N、P和K元素對(duì)大氣臭氧濃度升高的響應(yīng)差異,解析品種與臭氧互作對(duì)大豆關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素的影響,研究結(jié)果可為選育臭氧不敏感大豆品種提供理論參考,對(duì)保證未來(lái)全球氣候變化條件下的糧食安全有實(shí)際意義。

        1 材料方法

        1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本研究在中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所開頂式氣室(Open Top Chamber,OTC)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行(45°73′N,126°61′E,海拔128 m)。OTC為橫截面積10.6 m2的正八邊形柱體,柱體高度約2.0 m,為減少雨水對(duì)盆栽實(shí)驗(yàn)干擾以及維持氣室內(nèi)部臭氧濃度,在柱體上方增加1 m高的45°收縮口結(jié)構(gòu)。OTC外部用丙烯酸塑料包裹,測(cè)試表明該材料透光率≥92%。通過(guò)自動(dòng)臭氧檢測(cè)儀(Model 49i-Thermo,美國(guó))對(duì)OTC內(nèi)部臭氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),利用臭氧發(fā)生器向OTC內(nèi)部供給臭氧,在通向OTC內(nèi)部臭氧管道上加裝氣體流量計(jì)進(jìn)行調(diào)控,從而使OTC內(nèi)部臭氧濃度維持在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)。在OTC內(nèi)部布置通風(fēng)管道,利用PVC管與外部軸流鼓風(fēng)機(jī)(750 W)相連,從而使OTC內(nèi)部臭養(yǎng)和溫度等指標(biāo)與外部環(huán)境保持基本一致。

        試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理:自然空氣(aO3)和自然空氣添加40 nL·L-1臭氧(eO3),每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)OTC重復(fù)。2016年6月17日(大豆始花期)開始進(jìn)行臭氧處理,9月17日停止臭氧處理直到大豆成熟。臭氧處理控制在8小時(shí)(北京時(shí)間9:00-17:00),陰雨天不進(jìn)行臭氧處理。

        1.2 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)材料選取黑龍江省推廣面積較大的3個(gè)大豆品種,分別為東生1號(hào)(亞有限型,生育期115 d左右)、綏農(nóng)4號(hào)(無(wú)限型,生育期為120 d左右)和綏農(nóng)8號(hào)(無(wú)限型,生育期為115 d左右)。供試土壤為典型的黑土,土壤基礎(chǔ)肥力為全N:2.01 g·kg-1土、全P:0.74 g·kg-1土及全K:18.50 g·kg-1土。試驗(yàn)采取盆栽的方式,黑土與洗凈的河沙按2∶3比例均勻混合4 kg,裝入高40 cm、直徑11 cm的PVC桶,每盆施入基礎(chǔ)肥料:N 100 mg· kg-1、P 50 mg·kg-1、K 64 mg·kg-1、Ca 45 mg·kg-1、Mg 4.2 mg·kg-1、Fe 1.2 mg·kg-1、Mn 2.2 mg·kg-1、Cu 2.0 mg ·kg-1、Zn 2.4 mg·kg-1、B 0.12 mg·kg-1、Mo 0.09 mg·kg-1、Co 0.06 mg·kg-1。

        于2016年5月10日播種,每盆播種6粒,出苗7 d后進(jìn)行間苗,每盆保留2株長(zhǎng)勢(shì)情況基本一致的幼苗。對(duì)供試土壤的含水量進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)土壤含水量監(jiān)測(cè)儀對(duì)盆栽含水量進(jìn)行監(jiān)控。生育期內(nèi)人工除草,每周固定時(shí)間向OTC內(nèi)部噴施殺蟲劑控制蟲害。

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

        待大豆成熟后,對(duì)所有處理進(jìn)行取樣。大豆籽粒置于鼓風(fēng)干燥箱中105 ℃下30 min,再調(diào)至70 ℃下維持72~80 h。用千分之一天平對(duì)樣品進(jìn)行稱重,計(jì)算籽粒產(chǎn)量和單粒重等指標(biāo)。大豆籽粒樣品在測(cè)定C、N、P和K元素濃度前用球磨儀磨成均勻細(xì)粉。樣品C和N濃度使用元素分析儀Elementar Vario(Elementar Analysensysteme GmbH E-Ⅲ,德國(guó))測(cè)定;P濃度采用鉬銻抗比色法,K濃度采用火焰光度法。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        利用Excel 2010和統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,獲得平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)誤等描述性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。運(yùn)用二因素方差分析(Two-way ANOVA)計(jì)算P=0.05下不同處理差異顯著性。

        2 結(jié)果分析

        2.1 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C含量的影響

        臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C含量產(chǎn)生顯著影響(圖1)。在高臭氧濃度條件下,3個(gè)大豆品種籽粒中C含量顯著下降(P<0.05),平均降低1.51%。降幅最大的品種是綏農(nóng)4號(hào),降幅為1.63%;其次為綏農(nóng)8號(hào)降幅為1.49%;下降幅度最小的品種是東生1號(hào),降幅為1.41%。雖然不同品種大豆C含量存在種間差異(P<0.05),但臭氧×品種的交互作用對(duì)大豆籽粒C含量影響不顯著(P>0.05,表1)。

        2.2 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒N含量的影響

        正常大氣條件下3個(gè)大豆品種籽粒中N濃度平均為63.9 mg·g-1(圖2),臭氧濃度升高明顯改變了大豆籽粒中N的含量。在高臭氧濃度條件下3個(gè)大豆品種籽粒中N濃度平均顯著升高了3.78%(P<0.05)。上升幅度由大到小為東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào),籽粒中N濃度分別顯著增加了4.62%、3.86%和2.85%。不同品種大豆籽粒中N含量存在種間差異(P<0.001),但臭氧×品種的交互作用對(duì)大豆籽粒N含量影響不顯著(P>0.05,表1)。

        2.3 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒P含量的影響

        正常大氣條件下3個(gè)大豆品種籽粒中P濃度平均為8.57 mg·g-1(圖3),臭氧濃度升高明顯改變了大豆籽粒中P的含量。在高臭氧濃度條件下3個(gè)大豆品種籽粒中P濃度平均顯著下降了10.7%(P<0.05)。下降幅度由大到小為東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào),籽粒中P濃度分別顯著下降了12.6%、10.0%和9.52%。3個(gè)大豆品種籽粒中P含量不存在種間差異(P>0.05),臭氧×品種的交互作用對(duì)大豆籽粒P含量影響也不顯著(P>0.05,表1)。

        2.4 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒K含量的影響

        正常大氣條件下3個(gè)大豆品種籽粒中K濃度平均為17.6 mg·g-1(圖4),臭氧濃度升高明顯改變了大豆籽粒中K的含量。在高臭氧濃度條件下3個(gè)大豆品種籽粒中K濃度平均顯著升高了11.0%(P<0.05)。上升幅度由大到小為東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào),籽粒中K濃度分別顯著增加了12.9%、11.0%和11.0%。3個(gè)大豆品種籽粒中K含量不存在種間差異(P>0.05),臭氧×品種的交互作用對(duì)大豆籽粒K含量影響也不顯著(P>0.05,表1)。

        注:*代表處理間差異在0.05水平上顯著。下同。

        Note: * indicates significant difference between treatments at 0.05 level.The same is as below.

        圖1 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C含量的影響
        Fig.1 The effect of eO3on soybean seed C concentration

        圖2 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒N含量的影響
        Fig.2 The effect of eO3on soybean seed N concentration

        圖3 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒P含量的影響Fig.3 The effect of eO3 on soybean seed P concentration

        圖4 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒K含量的影響Fig.4 The effect of eO3 on soybean seed K concentration

        C含量C concentrationN含量N concentrationP含量P concentrationK含量K concentration臭氧O3<0.001<0.001<0.001<0.001品種 Cultivar0.012<0.0010.0620.210互作 O3×Cultivar0.8360.2830.7660.622

        2.5 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K的影響

        臭氧濃度升高顯著影響了大豆籽粒中C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K(圖5和圖6)。不同大豆品種籽粒中C/N存在種間差異(表2),高臭氧濃度條件下,3個(gè)大豆品種籽粒中C/N均表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(shì),平均下降了5.08%(P<0.05,圖5A)。東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào)大豆籽粒中C/N分別顯著降低了5.76%、5.27%和4.21%(P<0.05,圖5A)。臭氧濃度升高對(duì)東生1號(hào)和綏農(nóng)8號(hào)大豆籽粒中C/P影響不顯著,綏農(nóng)4號(hào)則顯著升高了9.47%(P<0.05,圖5B)。3個(gè)大豆品種籽粒中C/K在高臭氧濃度條件下均呈下降趨勢(shì),東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào)籽粒中C/K分別顯著下降了9.63%、12.8%和11.2%(P<0.05,圖5C)。3個(gè)大豆品種籽粒中N/P在高臭氧濃度條件下均呈上升趨勢(shì),東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào)籽粒中N/P分別顯著上升了20.5%、15.6%和13.8%(P<0.05,圖6A)。臭氧濃度升高對(duì)東生1號(hào)和綏農(nóng)8號(hào)大豆籽粒中N/K影響不顯著,綏農(nóng)4號(hào)則顯著下降了7.94%(P<0.05,圖6B)。3個(gè)大豆品種籽粒中P/K在高臭氧濃度條件下均呈下降趨勢(shì),東生1號(hào)、綏農(nóng)4號(hào)和綏農(nóng)8號(hào)籽粒中P/K分別顯著下降了4.10%、7.95%和7.33%(P<0.05,圖6C)。

        注:ns代表處理間差異在0.05水平上不顯著。

        Note:ns indicates no significant difference between treatments at 0.05 level.

        圖5 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒C/N、C/P和
        C/K的影響
        Fig.5 The effects of eO3on soybean seed C/N,
        C/P and C/K

        圖6 臭氧濃度升高對(duì)大豆籽粒N/P、N/K和
        P/K的影響
        Fig.6 The effects of eO3on soybean seed N/P,
        N/K and P/K

        表2 臭氧濃度升高和品種對(duì)大豆籽粒C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K影響雙因素方差分析Table 2 Significant levels of main effects and interactions of eO3 and cultivars on soybean seed C/N,C/P,C/K,N/P,N/K and P/K

        3 討 論

        生態(tài)計(jì)量化學(xué)比C/N、C/P和N/P等被認(rèn)為是植物對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的重要指標(biāo),可以指示環(huán)境變化條件下不同生態(tài)過(guò)程的變化趨勢(shì),例如生產(chǎn)力[30]、殘?bào)w降解[6]以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素代謝[31]。本研究中大豆籽粒中C/N和C/K在臭氧濃度升高條件下表現(xiàn)出下降的趨勢(shì),這表明臭氧濃度升高導(dǎo)致大豆N和K元素利用效率的下降,即每單位的N和K元素所固定的C元素能力下降[32]。相反,大豆籽粒中C/P在高臭氧濃度下的升高表明P元素利用效率的提高(圖5),所以籽粒中的P元素濃度表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。另一方面,臭氧濃度升高降低了植物光合同化能力,新合成物質(zhì)總量下降,導(dǎo)致植物體內(nèi)rRNA總量降低從而使植株對(duì)P的需求下降[33]。由于P和K都涉及到蛋白質(zhì)的合成,大豆籽粒中N/P上升而N/K則基本穩(wěn)定(圖6),表明在臭氧濃度升高條件下大豆對(duì)N的吸收利用更多受到P元素的制約[34-35]。這可能是因?yàn)榇蠖顾哂械墓采锕痰饔眯枨蟠罅縋元素所引起的[33],而臭氧濃度升高條件下大豆籽粒中的P/K顯著降低則進(jìn)一步證明了臭氧濃度升高后P元素抑制N元素的利用。

        4 結(jié) 論

        大氣臭氧濃度升高影響大豆籽粒中C、N、P和K元素濃度和計(jì)量化學(xué)比,表現(xiàn)為C和P元素濃度降低,而N和K元素濃度升高;N和K元素利用效率降低表現(xiàn)出C/N和C/K下降;在高臭氧濃度條件下大豆對(duì)N素的積累和利用可能受到P元素的制約。

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