大氣臭氧濃度升高對大豆籽粒C、N、P和K濃度的影響

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

(1.中國農(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)測試中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

隨著人類社會工業(yè)化進(jìn)程的加快，來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，對環(huán)境造成了污染，同時(shí)這些污染物還會經(jīng)過復(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，臭氧會經(jīng)過作物葉片的氣孔進(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)過程，對作物光合系統(tǒng)造成損傷[3]。臭氧對作物生產(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，以避免臭氧所帶來的傷害。但是長期研究表明，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，臭氧日均濃度會有幾天超過60 ppb[4]。例如，2006年7月，英國、比利時(shí)、荷蘭、法國、德國、瑞士和意大利等國家部分地區(qū)出現(xiàn)過連續(xù)10天近地表大氣臭氧濃度超過90 ppb的極端現(xiàn)象，其中意大利甚至記錄了臭氧濃度超過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，臭氧濃度升高還會影響植株體內(nèi)元素的吸收和利用，最終改變元素的分配格局[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濃度無明顯變化[7]。Zhang等[2]指出，大豆籽粒中的元素含量對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元素對大氣臭氧濃度升高的響應(yīng)差異，解析品種與臭氧互作對大豆關(guān)鍵營養(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，對保證未來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，測試表明該材料透光率≥92%。通過自動臭氧檢測儀(Model 49i-Thermo，美國)對OTC內(nèi)部臭氧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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(亞有限型，生育期115 d左右)、綏農(nóng)4號(無限型，生育期為120 d左右)和綏農(nóng)8號(無限型，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株長勢情況基本一致的幼苗。對供試土壤的含水量進(jìn)行測試，通過土壤含水量監(jiān)測儀對盆栽含水量進(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 測定項(xiàng)目與方法

待大豆成熟后，對所有處理進(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)測定；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 臭氧濃度升高對大豆籽粒C含量的影響

臭氧濃度升高對大豆籽粒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，降幅為1.63%；其次為綏農(nóng)8號降幅為1.49%；下降幅度最小的品種是東生1號，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、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號，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、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號，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、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號，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，平均下降了5.08%(P<0.05，圖5A)。東生1號、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號大豆籽粒中C/N分別顯著降低了5.76%、5.27%和4.21%(P<0.05，圖5A)。臭氧濃度升高對東生1號和綏農(nóng)8號大豆籽粒中C/P影響不顯著，綏農(nóng)4號則顯著升高了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，東生1號、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號籽粒中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，東生1號、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號籽粒中N/P分別顯著上升了20.5%、15.6%和13.8%(P<0.05，圖6A)。臭氧濃度升高對東生1號和綏農(nóng)8號大豆籽粒中N/K影響不顯著，綏農(nóng)4號則顯著下降了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，東生1號、綏農(nóng)4號和綏農(nóng)8號籽粒中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)過程的變化趨勢，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，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。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N素的積累和利用可能受到P元素的制約。