太陽(yáng)輻射降低(遮陰)對(duì)小麥產(chǎn)量及礦質(zhì)金屬元素含量的影響

張丹 羅小三 趙朕 胡正華 索晨 陳燕 孫雪 方笑堃

摘要：為揭示由于霧霾等氣溶膠污染導(dǎo)致的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低對(duì)小麥產(chǎn)量及籽粒礦質(zhì)金屬元素含量的影響，開展了不同程度的大田遮陰試驗(yàn)，分析小麥的產(chǎn)量以及小麥籽粒、穎殼和不同生育時(shí)期穗部的礦質(zhì)金屬元素濃度。結(jié)果表明：遮陰顯著降低了小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量主要構(gòu)成因素，導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降，在遮陰率為19%和45%的處理水平下，減產(chǎn)率分別達(dá)到40.6%和48.2%;遮陰使小麥成熟籽粒中Zn、Fe、Mg、Ca含量增加，穎殼中Ca、Mg、Mn、Cu、Fe含量也呈增加趨勢(shì)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低，顯著降低了小麥產(chǎn)量，雖然增加了小麥的大多數(shù)礦質(zhì)元素含量，但部分重金屬元素如Mn、Cu、Zn含量升高可能會(huì)危害食品安全，因此氣溶膠污染對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和品質(zhì)影響須要綜合考量。

關(guān)鍵詞：氣溶膠污染;農(nóng)作物;產(chǎn)量;礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng);重金屬;糧食品質(zhì)安全

中圖分類號(hào)： S512.101? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0075-04

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射受到云、氣溶膠、水汽等因素影響，其中氣溶膠能夠降低大氣透明度與能見度，進(jìn)而減少到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，并影響地表生態(tài)系統(tǒng)。近50年來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快，我國(guó)大氣氣溶膠污染日趨嚴(yán)重，霧霾事件頻發(fā)[1-3]。大氣氣溶膠光學(xué)厚度在空間分布上表明，華北平原、長(zhǎng)江三角洲、中東部和四川盆地受到的污染程度較高，導(dǎo)致其地表接收到的太陽(yáng)輻射減少，這些地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，且這種現(xiàn)象在時(shí)間上與主要作物生長(zhǎng)季并存，因此會(huì)對(duì)我國(guó)的糧食生產(chǎn)造成一定的影響[4-7]。

太陽(yáng)輻射是植物進(jìn)行光合作用的能量來(lái)源，長(zhǎng)期寡照天氣將會(huì)影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。通常認(rèn)為，植物接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低，會(huì)提高旗葉的葉綠素含量，降低植物的凈光合速率、電子傳輸速率和最大電子傳輸速率[8-9]，延緩葉片衰老，推遲葉片非順序和順序衰老現(xiàn)象，提高葉面積指數(shù)、植株高度[10-11]，從而使作物產(chǎn)量受到不良影響[12]。

Ca、Mg是植物必需大量元素，Zn、Fe、Mn、Cu是植物必需微量元素，這些元素不僅是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的礦質(zhì)元素，也是人類正常生理活動(dòng)必需的元素，但Mn、Cu、Zn同時(shí)也屬于有害重金屬元素，含量過高時(shí)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響。人體中的礦質(zhì)元素一般是由食物鏈被人體吸收，小麥作為我國(guó)主要的農(nóng)作物，是我國(guó)居民獲取礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的主要來(lái)源之一，因此小麥的礦質(zhì)金屬元素含量影響著作物品質(zhì)和人體健康，而在氣候變化背景下，作物吸收、積累礦質(zhì)元素情況較為復(fù)雜[13-15]，因此研究輻射強(qiáng)度降低對(duì)小麥礦質(zhì)金屬元素含量的影響、我國(guó)糧食品質(zhì)安全具有重要意義。

鑒于以往研究主要集中在輻射強(qiáng)度與農(nóng)作物形態(tài)、產(chǎn)量構(gòu)成、凈光合速率、蛋白質(zhì)含量、面筋含量及加工品質(zhì)[9，12]等因素研究，罕有關(guān)注輻射強(qiáng)度對(duì)作物礦質(zhì)元素含量的影響，且以往試驗(yàn)多在室內(nèi)盆栽中進(jìn)行，與大田生長(zhǎng)環(huán)境相差較大，故本研究通過田間控制試驗(yàn)，利用人工遮陰模擬不同強(qiáng)度太陽(yáng)輻射，探討氣溶膠污染導(dǎo)致的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低對(duì)小麥的產(chǎn)量及礦質(zhì)金屬元素含量的影響，為大氣污染背景下的小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和糧食安全提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2017年11月至2018年5月在南京信息工程大學(xué)校內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（118.70°E、32.2°N）進(jìn)行。該站位于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均降水量1 100 mm，年均氣溫 15.6 ℃。大田土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 作物品種及種植方式 種植小麥品種為蘇麥188，2017年11月8日種植于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站。

大田分為3種處理方式，每種處理3個(gè)重復(fù)，種植試驗(yàn)每小區(qū)長(zhǎng)、寬均為2 m，種植密度為25 g/m2。采取與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣一致的田間管理與水肥管理，并保持各小區(qū)一致的管理方式。

1.2.2 遮陰處理 從小麥拔節(jié)期開始，使用不同層數(shù)的黑色尼龍遮陰網(wǎng)為遮陰處理小區(qū)遮陰，遮陰處理至小麥?zhǔn)斋@。由LP-80測(cè)得其遮陰效果：Y1處理遮光率為19%（即透光率為81%）;Y2處理遮光率為45%（即透光率為55%）。每周根據(jù)小麥的株高調(diào)整遮陰網(wǎng)的水平高度，使遮陰網(wǎng)與小麥冠層始終保持在50 cm左右。

對(duì)照處理小區(qū)不采取任何遮陰處理，以自然光照作為對(duì)照。

1.3 采樣

當(dāng)小麥生長(zhǎng)至抽穗期、灌漿期時(shí)，按照處理和重復(fù)收獲小區(qū)內(nèi)部分小麥穗部樣品，樣品分別依次使用自來(lái)水、超純水清洗，在105 ℃條件下殺青1 h后在60～70 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，使用粉碎機(jī)將其粉碎，貯存?zhèn)溆梅治觥?/p>

在小麥成熟收獲時(shí)，按照處理和重復(fù)收取小區(qū)內(nèi)部分成熟期小麥穗，手工脫粒，獲取成熟期小麥籽粒與穎殼。將各小區(qū)籽粒與穎殼依次使用自來(lái)水、超純水清洗，在105 ℃條件下殺青1 h后在60～70 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量，使用粉碎機(jī)將其粉碎，貯存?zhèn)溆梅治觥?/p>

1.4 產(chǎn)量分析

在小麥成熟期收獲時(shí)，在每個(gè)小區(qū)收獲0.5 m×0.5 m范圍內(nèi)所有植株進(jìn)行室內(nèi)考種，分別測(cè)定每個(gè)小區(qū)收獲植株穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒質(zhì)量等指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際收獲計(jì)算每個(gè)小區(qū)小麥產(chǎn)量。

1.5 作物礦質(zhì)金屬元素含量測(cè)定

植株各部位樣品通過HNO3微波消解法處理，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES，美國(guó)PerkinElmer公司）測(cè)定Cu、Zn、Mn、Fe、Mg、Ca等元素含量，質(zhì)量控制采用空白、重復(fù)和標(biāo)準(zhǔn)樣品（大米GBW10043、芹菜GBW10048）。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析，并使用LSD法在0.05水平下進(jìn)行各個(gè)處理間的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮陰對(duì)小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表1可知，遮陰可以顯著降低小麥單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量。小麥單位面積有效穗數(shù)在Y1、Y2條件下相對(duì)于CK分別減少21.46%、24.56%;小麥穗粒數(shù)在Y1、Y2條件下相對(duì)于CK分別減少14.47%、21.32%;小麥千粒質(zhì)量在Y1、Y2條件下相對(duì)于CK分別降低11.27%、12.75%。遮陰顯著降低了小麥的各產(chǎn)量構(gòu)成要素，造成了小麥的減產(chǎn)，減產(chǎn)率分別達(dá)40.6%、48.2%。

2.2 遮陰對(duì)小麥礦質(zhì)金屬元素積累的影響

2.2.1 遮陰對(duì)小麥籽粒礦質(zhì)金屬元素積累的影響 由圖1可知，小麥籽粒中大量元素Ca、Mg含量在遮陰條件下呈增加趨勢(shì)。小麥籽粒中Ca含量在Y1、Y2遮陰水平下較CK分別增加12.1%、10.7%;小麥籽粒中Mg含量在Y1、Y2遮陰水平下較CK分別增加4.8%、10.5%。

小麥籽粒中微量元素Fe含量在Y1、Y2遮陰水平下分別較CK顯著增加14.6%、15.8%。在遮陰條件下，小麥籽粒中微量元素Zn含量呈增加趨勢(shì)，在Y1條件下，Zn含量較CK增加10.1%，在Y2條件下，Zn含量較CK顯著增加21.8%;小麥籽粒中微量元素Mn、Cu含量無(wú)明顯變化。

由此可以看出，在遮陰條件下小麥籽粒中Ca、Mg、Zn、Fe含量呈增加趨勢(shì)，Mn、Cu含量在遮陰條件下無(wú)明顯變化。

2.2.2 遮陰對(duì)小麥穎殼中礦質(zhì)金屬元素吸收的影響 由圖2可以看出，小麥穎殼中大量元素Ca、Mg含量在遮陰條件下呈增加趨勢(shì)。小麥穎殼中Ca含量在Y1條件下無(wú)明顯變化，在Y2條件下較CK顯著增加40%;小麥穎殼中Mg含量在Y1、Y2遮陰水平下較CK分別增加3.2%、21.0%。

在遮陰條件下，小麥穎殼中微量元素Fe含量呈增加趨勢(shì)，在Y1、Y2條件下，F(xiàn)e含量較CK分別增加23.5%、36.1%。

在遮陰條件下，小麥穎殼中微量元素Mn、Cu含量呈增加趨勢(shì)，在Y1條件下，Mn含量較CK增加14.4%，在Y2條件下，Mn含量較CK顯著增加50.3%;小麥穎殼中Cu含量呈增加趨勢(shì)，在Y1、Y2條件下較CK分別增加17.1%、23.2%。小麥穎殼中Zn含量無(wú)明顯變化。

由此可看出，在遮陰條件下，小麥穎殼中Ca、Mg、Fe、Mn、Cu含量有增加趨勢(shì)。

2.2.3 遮陰對(duì)小麥不同生育時(shí)期穗部礦質(zhì)金屬元素含量的影響 由圖3可以看出，在Y1、Y2遮陰條件下，小麥抽穗期穗中的Ca含量較CK分別增加16.7%、18.8%;Mg含量較CK分別顯著增加14.3%、14.7%。在遮陰條件下，小麥抽穗期穗中Zn、Fe、Mn含量呈增加趨勢(shì)，在Y1條件下，Zn、Fe、Mn含量較CK分別增加11.4%、19.2%、13.6%;在Y2條件下，Zn、Fe、Mn含量較CK分別顯著增加31.6%、42.0%、27.9%。

在遮陰條件下，小麥抽穗期穗中Cu含量呈增加趨勢(shì)，在Y1、Y2條件下較CK分別增加11.0%、9.9%。

小麥灌漿期穗部Ca、Mn、Fe含量在Y1和Y2條件下較CK分別增加15.0%、14.8%、6.6%和19.2%、12.8%、14.1%。小麥灌漿期穗部其他礦質(zhì)金屬元素含量在遮陰條件下變化不明顯。

整體上來(lái)說，小麥灌漿期的穗部礦質(zhì)金屬元素含量大于小麥抽穗期;受遮陰條件影響，小麥抽穗期穗部礦質(zhì)金屬元素含量在各處理間變化較為明顯，小麥灌漿期穗部礦質(zhì)金屬元素含量在各處理間變化較小。

3 討論與結(jié)論

植物生長(zhǎng)發(fā)育受到環(huán)境條件的顯著影響，其中輻射強(qiáng)度是重要的影響因素[13]。光照是植物生產(chǎn)的原動(dòng)力，是植物進(jìn)行光合作用的能量來(lái)源。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)光照度降低對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化、產(chǎn)量等方面做了大量研究[8-12]。有研究表明，植株旗葉的光合速率受到光照度的顯著影響，旗葉氣孔形態(tài)在弱光條件下發(fā)生變化，影響了植株蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，使光合作用產(chǎn)物合成受到抑制，從而導(dǎo)致灌漿速率顯著下降，產(chǎn)量顯著降低[14]，這與本研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，在Y1、Y2條件下，小麥接受到的光照不足，小麥的光合作用受損，導(dǎo)致小麥穗的形成受到影響，致使小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量主要構(gòu)成因素顯著下降，小麥產(chǎn)量明顯下降，減產(chǎn)率分別達(dá)到40.6%、48.2%。輻射強(qiáng)度降低能夠使小麥產(chǎn)量顯著下降，并且不同程度的輻射強(qiáng)度對(duì)小麥生長(zhǎng)的抑制程度也將不同。在2個(gè)不同程度的遮陰試驗(yàn)中，Y2產(chǎn)量較Y1有下降的趨勢(shì)，因此在輻射強(qiáng)度降低等不良環(huán)境條件下，應(yīng)多關(guān)注小麥的生長(zhǎng)發(fā)育及各產(chǎn)量構(gòu)成因素，這些影響因子對(duì)小麥產(chǎn)量的形成有著較大的影響。

外界環(huán)境條件的變化也將影響著植物中礦質(zhì)金屬元素含量的變化[15-17]，從而威脅著食品安全和人類健康。Ca、Mg是人體必需的大量元素，F(xiàn)e、Zn、Cu、Mn是人體必需微量元素，這些元素在人類正常的新陳代謝中發(fā)揮著重要的作用，是人類預(yù)防疾病、維持身體健康必不可少的物質(zhì)。在全世界約有15億人缺乏1種或多種微量營(yíng)養(yǎng)素[18]，其中鐵缺乏是當(dāng)今世界上最常見的微量營(yíng)養(yǎng)素缺乏，據(jù)估計(jì)約有50%的貧血是由缺鐵引起的，我國(guó)6歲及以上居民的貧血率為9.7%，其中 6～11 歲兒童和孕婦貧血率分別為5.0%和17.2%[19]。在全球有25%以上的人口受到缺鋅的影響，鋅元素缺乏是影響發(fā)展中國(guó)家居民健康的第五大重要危險(xiǎn)因素[20]。雖然Cu、Mn、Zn是人類正常生理活動(dòng)所必需的微量元素，但當(dāng)其含量過高時(shí)會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生一定的傷害[21]。小麥作為我國(guó)主要糧食作物之一，是我國(guó)居民補(bǔ)充礦質(zhì)元素的一個(gè)重要途徑。因此，糧食作物中礦質(zhì)元素含量將會(huì)影響我國(guó)居民的礦質(zhì)元素的吸收。

有研究表明，小麥和水稻籽粒中大量元素和微量元素的平均含量隨大氣CO2濃度升高而有下降趨勢(shì)[22-23]。有學(xué)者認(rèn)為，高CO2濃度能夠顯著增加水稻穗分化期植株的K、Ca、Mg和Se的吸收量;在成熟期Se吸收量增加顯著[24]。另有研究表明，在溫度升高3 ℃的情況下，痕量元素在土壤中溶解性將會(huì)發(fā)生變化，3個(gè)品種春小麥的籽粒中Cd含量相比對(duì)照分別下降43.4%、11.1%和13.4%，Cu含量相比對(duì)照處理分別下降30.4%、25.1%和10.8%[25]。眾多試驗(yàn)結(jié)果預(yù)示著環(huán)境變化將會(huì)導(dǎo)致糧食作物中礦質(zhì)金屬元素含量的變化，威脅著人類的糧食安全問題。本研究發(fā)現(xiàn)，在輻射強(qiáng)度降低的條件下，小麥的產(chǎn)量顯著下降，但其部分礦質(zhì)金屬元素含量呈增加趨勢(shì)。在小麥籽粒中Zn、Fe、Mg含量在遮陰條件下顯著增加，Ca含量也呈增加趨勢(shì);在小麥穎殼中Ca、Mn含量在遮陰條件下顯著增加，Mg、Zn、Fe、Cu含量也呈增加趨勢(shì)?？紤]到可能是由于在輻射強(qiáng)度降低條件下，光照度處于光飽和點(diǎn)之下，使小麥光合作用生產(chǎn)效率降低，光合作用產(chǎn)物的化學(xué)成分積累發(fā)生變化，致使小麥籽粒中礦質(zhì)金屬元素含量與質(zhì)量的比例發(fā)生變化，導(dǎo)致小麥籽粒中大部分礦質(zhì)金屬元素含量增加，最終提高了小麥籽粒的品質(zhì)。在2個(gè)不同程度遮陰試驗(yàn)中，Y2條件下小麥籽粒的礦質(zhì)金屬元素含量較Y1條件有增加的趨勢(shì)，可能是由于上述動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致其礦質(zhì)金屬元素含量增加幅度大于Y1條件。小麥抽穗期穗部礦質(zhì)金屬元素含量變化與小麥灌漿期相比，小麥抽穗期穗部礦質(zhì)金屬元素含量變化較為明顯。在小麥抽穗期穗部，Mg、Zn、Fe、Mn在2種遮陰條件下與對(duì)照水平相比較，元素含量顯著增加，Ca、Cu在2種遮陰條件下元素濃度也有明顯的增加趨勢(shì)，而在小麥灌漿期，只有Fe、Mn、Ca含量在2種遮陰條件下較CK有增加趨勢(shì)?？梢娫谛←湷樗肫?，穗部礦質(zhì)金屬元素含量對(duì)太陽(yáng)輻射的變化更加敏感。

綜上，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低的情況下，小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量主要構(gòu)成因素顯著降低，最終造成小麥產(chǎn)量顯著下降，對(duì)我國(guó)的糧食生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。而小麥的礦質(zhì)金屬元素含量是小麥重要的品質(zhì)因素，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低的情況下，小麥部分礦質(zhì)金屬元素含量呈增加趨勢(shì)，小麥的品質(zhì)得以提高。但是，在犧牲作物產(chǎn)量的情況下提高作物品質(zhì)能否真正改善作物品質(zhì)有待進(jìn)一步研究。應(yīng)當(dāng)全面看待輻射降低對(duì)小麥生產(chǎn)的影響，為大氣污染背景下小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和糧食安全提供理論基礎(chǔ)，從而達(dá)到解決環(huán)境、人口、糧食安全問題。

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