開頂式同化室O3濃度升高對水稻土微量元素有效性的影響

譚云燕，張國友，邵亞軍，施秀珍，冷鵬，王麗燕，王建青*

（1.福建師范大學(xué)a.地理科學(xué)學(xué)院，b. 濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點實驗室，福州 350117；2. 南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044）

0 引言

近年來，由于人類活動向大氣排放大量氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)污染物，導(dǎo)致近地面大氣臭氧（O3）濃度增長速度不斷加快，預(yù)計到2050年將比現(xiàn)在高出20%～25%[1]。在長江三角洲地區(qū)，O3污染已成為最主要的大氣污染物之一，直接威脅糧食生產(chǎn)安全[1]。大量研究指出，大氣O3濃度升高對農(nóng)作物造成嚴(yán)重的減產(chǎn)威脅[2]。例如，大氣O3濃度上升（約31～50 ug·L-1），導(dǎo)致大麥、小麥和水稻分別減產(chǎn)8.9%、9.7%和17.5%[2]。Ainsworth 等[3]通過整合分析發(fā)現(xiàn)在水稻生育期進(jìn)行O3熏蒸，造成水稻的光合速率、氣孔導(dǎo)度降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降。另一方面，O3通過植物葉片氣孔進(jìn)入細(xì)胞，引起植物葉片細(xì)胞氧化，對水稻生理過程、產(chǎn)量以及養(yǎng)分吸收造成脅迫[4]。目前，大氣O3濃度升高對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響研究主要集中在地上部分如作物生長、產(chǎn)量等方面，而對地下部分尤其是土壤養(yǎng)分供應(yīng)方面的研究較少。

土壤微量元素對植物的生長發(fā)育起著不可替代的作用。微量元素缺乏可能會導(dǎo)致植物無法正常生長，加速植物衰老，影響植物體內(nèi)的物質(zhì)組成和生理代謝過程[5-6]。水稻作為中國最主要的糧食作物，養(yǎng)活了世界上一半以上人口，為人類提供了主要的礦物質(zhì)元素來源[7]。土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)的濃度直接影響作物體內(nèi)微量元素的轉(zhuǎn)運與吸收，進(jìn)而影響糧食品質(zhì)安全[7]。然而，土壤微量元素有效性對全球氣候變化的響應(yīng)非常敏感[8]。未來氣候變化可能通過影響植物生理過程，改變土壤微量元素有效態(tài)含量[9]。過去的研究報道大氣O3濃度升高通過改變農(nóng)田土壤環(huán)境和水稻生理狀況，提高土壤微量元素有效態(tài)含量[8]。尹微琴等[10]在開放式 O3濃度增加的 FACE平臺研究發(fā)現(xiàn)，大氣O3升高降低了麥田土壤微量元素Cu、Zn的有效態(tài)含量，從而影響植物成熟期地上部分微量元素的積累。土壤作為植物微量元素的直接來源，是影響糧食品質(zhì)的重要因素[5]，因此確保土壤微量元素有效性至關(guān)重要。在先前的大氣O3濃度升高試驗中，土壤微量元素的響應(yīng)存在不一致性，水稻品種可能是影響土壤微量元素有效性的重要因子。迄今為止，大氣O3濃度升高條件下，不同水稻品種土壤微量元素有效性的響應(yīng)機(jī)制還尚不清楚。

本研究利用模擬大氣O3濃度升高的OTC試驗，研究大氣O3濃度升高對土壤微量元素有效態(tài)含量的影響。選用汕優(yōu)63和武育粳3兩種水稻品種，分析水稻土Fe、Mn、Cu、Zn的有效態(tài)含量，對比研究不同水稻品種土壤微量元素對大氣O3濃度升高的響應(yīng)，試圖揭示大氣O3濃度升高的背景下不同水稻品種土壤微量元素有效性的動態(tài)變化，為未來氣候變化下的糧食生產(chǎn)安全提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江蘇省江都區(qū)揚(yáng)州綠色農(nóng)業(yè)研究與示范基地（119°43′E, 32°25′N）。該試驗區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫16.2℃，多年平均降水量1 131 mm。該區(qū)實行稻麥輪作體系，主要種植夏季水稻和冬小麥。土壤類型為潴育型水稻土，質(zhì)地為粘壤土[4]。試驗前土壤的基本性質(zhì)為：土壤pH值7.05，總碳（TC）6.94 g·kg-1，總氮（TN）1.05 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

該試驗在開頂式氣室（OTC）中進(jìn)行。開頂式室（OTC）是一個頂部留有開口的正八面柱體裝置，整個裝置直徑4.8 m，高2.3 m。氣體從底部進(jìn)入，從頂部開口排出。在試驗中，OTC內(nèi)的空氣與O3發(fā)生器（HY003，濟(jì)南創(chuàng)成科技有限公司）提供的O3氣體混合均勻，并使用O3分析儀（美國 Thermo Scientific公司）實時監(jiān)測記錄氣室內(nèi)的空氣O3濃度[11]。

以往的劑量-響應(yīng)試驗發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量損失與O3濃度密切相關(guān)，植物損傷閾值為40 nmol·mol-1O3[12]。因此，本試驗設(shè)置2個O3處理：過濾空氣（charco filtered, CF）和高濃度O3空氣（自然環(huán)境空氣+40 nmol·mol-1O3, NF），每個處理設(shè)兩個水平，3個重復(fù)（n=3）。其中，過濾空氣中的O3累積劑量 AOT40（氣室內(nèi)每小時 O3濃度超過 40 nmol·mol-1的累計值）為0.49 μmol·mol-1·h-1；高濃度O3空氣的AOT40 值在水稻分蘗拔節(jié)期為（9.54±0.41）μmol·mol-1·h-1，抽穗灌漿期為（9.61±0.23）μmol·mol-1·h-1[11]。選用了兩種當(dāng)?shù)厮酒贩N，汕優(yōu)63和武育粳3，利用當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤進(jìn)行盆栽試驗。2020年5月20日進(jìn)行育苗，7月2日移至盆栽中（直徑22 cm、高31 cm），7月25日開始熏蒸，在整個作物生長期間，白天進(jìn)行O3熏蒸，通氣時長為每天10 h（8：00—18：00，雨天停止通氣）。水稻汕優(yōu)63于10月18號收獲，武育粳3于10月31號收獲。

1.3 土壤樣品的采集與分析

水稻收獲后，采集盆栽內(nèi)0～15 cm的表層土壤樣本，仔細(xì)清除所有根系和植物殘留物。將土壤樣品過2 mm篩網(wǎng)后，一部分留存4℃冰箱；一部分進(jìn)行風(fēng)干，以便進(jìn)一步分析和測定。

土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量采用DTPA-CaCl2-TEA浸提液浸提，DTPA-CaCl2-TEA浸提液中含有1.97 g二乙烯三胺五乙酸（DTPA）、1.47 g氯化鈣（CaCl2）和13.3 mL三乙醇胺（TEA），用6 mol·L-1的鹽酸（HCl）將溶液pH值調(diào)整至7.3[13]。稱取10.0 g過2 mm篩的風(fēng)干土樣放于100 mL三角瓶中，加入20.0 mL DTPA浸提劑，在25℃下放入振蕩機(jī)（180 r·min-1）振蕩2 h，溶液過濾，用原子吸收分光光度計（Thermo M 939QZ/989QZ）測定微量元素有效態(tài)濃度[13]。土壤pH值采用電位法，土水比按1∶2.5測定。土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）用氯仿熏蒸法測定，無醇氯仿（CHCL3）熏蒸24 h后，用0.5 mol·L-1K2SO4進(jìn)行浸提，浸提液分別用總有機(jī)碳分析儀（Jena TOC Analyzer, Germany）和連續(xù)流動分析儀（Skalar, The Netherlands）測定并進(jìn)行換算，計算系數(shù)分別為0.38和0.45[14]。土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）和可溶性有機(jī)氮（DON）用K2SO4進(jìn)行浸提，浸提液分別在總有機(jī)碳分析儀（Jena TOC Analyzer, Germany）和連續(xù)流動分析儀（Skalar, The Netherlands）上進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行整理，每種處理3個重復(fù)，所有結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）。使用SPSS 26.0進(jìn)行顯著性檢驗和方差分析。利用雙因素方差（two-way ANOVA ）分析大氣O3濃度升高和水稻品種及其交互作用對土壤微量元素有效態(tài)含量以及土壤生物化學(xué)性質(zhì)、水稻產(chǎn)量的影響。當(dāng)P<0.05時，處理之間的差異被認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)意義。采用Pearson相關(guān)分析探究土壤生物化學(xué)性質(zhì)與水稻土微量元素有效態(tài)含量之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣O3濃度升高對土壤微量元素有效態(tài)的影響

表 1 大氣O3濃度升高和水稻品種對水稻土微量元素有效性影響的雙因素方差分析 Table 1 A two-way ANOVA for the effects of elevated O3 and rice variety on microelement availability in paddy soil

圖 1 大氣O3濃度升高對水稻土微量元素有效態(tài)含量的影響Figure 1 Effects of elevated O3 on the availability of microelements in paddy soil

在大氣O3濃度升高處理中，土壤微量元素Fe、Cu有效態(tài)含量發(fā)生了顯著變化。與對照相比，大氣O3濃度升高條件下，兩個水稻品種土壤Fe有效態(tài)含量平均降低了35.0%（P=0.001），土壤Cu有效態(tài)含量平均降低了9.7%（P=0.002，表1）。水稻品種顯著地改變了土壤微量元素Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量。與汕優(yōu)63相比，武育粳3土壤Mn有效態(tài)含量降低了32.9%（P=0.003），土壤Cu有效態(tài)含量降低了7.2%（P=0.010），但Zn有效態(tài)含量卻提高了37.4%（P=0.012，表1）。

不同水稻品種土壤微量元素有效態(tài)濃度對大氣O3濃度升高的響應(yīng)存在明顯的差異（圖1）。與對照相比，大氣O3濃度升高條件下，水稻品種汕優(yōu)63土壤微量元素Fe有效態(tài)含量降低了35.2%（P=0.036），土壤微量元素Cu有效態(tài)含量下降了12.5%（P=0.005），土壤微量元素Zn有效態(tài)含量降低了37.2%（P=0.007）。大氣O3濃度升高條件下，水稻品種武育粳3土壤微量元素只有Fe有效態(tài)含量下降了34.7%（P=0.009），而對武育粳3土壤微量元素Mn、Cu、Zn有效態(tài)含量均沒有顯著的影響。對比兩種水稻品種發(fā)現(xiàn)水稻汕優(yōu)63土壤微量元素有效態(tài)含量受大氣O3濃度升高的影響幅度更大。

2.2 大氣O3濃度升高對土壤生物化學(xué)性質(zhì)及水稻產(chǎn)量的影響

與對照相比，大氣O3濃度升高處理下，兩個水稻品種土壤DOC和DON分別降低了21.3%和68.5%（表2）。大氣O3濃度升高和水稻品種對土壤MBN、水稻產(chǎn)量的影響存在明顯的交互作用（P=0.027、P=0.005）。大氣O3濃度升高造成汕優(yōu)63土壤MBN下降40.2%，而對武育粳3土壤MBN沒有明顯的影響。與對照相比，大氣O3濃度升高處理下，兩個水稻品種產(chǎn)量平均降低了37.9%（P<0.001）。與汕優(yōu)63相比，武育粳3土壤水稻產(chǎn)量降低了46.8%（P<0.001）。

2.3 土壤微量元素有效性與土壤生物化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

如表3所示，土壤微量元素有效態(tài)含量與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)分析表明，土壤微量元素Fe有效態(tài)含量與土壤DOC含量間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P=0.033）；土壤微量元素Cu有效態(tài)含量與土壤DOC和DON含量間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P=0.023、P=0.046）。

表 2 大氣O3濃度升高對土壤生物化學(xué)性質(zhì)、水稻產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of elevated O3 on soil biochemistry properties and yields

表 3 土壤性質(zhì)與水稻土微量元素有效態(tài)含量間的Pearson相關(guān)分析 Table 3 Pearson’s correlation analysis among soil properties and availability of microelements in paddy soil

3 討論

本研究結(jié)果表明，大氣O3濃度升高在一定程度上降低了土壤微量元素的有效態(tài)含量。這可能主要是由于大氣O3濃度升高降低了植物地上部分向根系運輸?shù)奶纪?，造成土壤中的DOC含量下降[15]。大量研究表明大氣O3濃度升高降低了植物的光合作用，導(dǎo)致作物產(chǎn)量、生物量以及根系生物量降低，造成植物碳水化合物向地下分配明顯減少[1]。大氣O3濃度升高主要通過關(guān)閉植物氣孔導(dǎo)度和細(xì)胞氧化作用限制CO2進(jìn)入植物體內(nèi)，抑制植物葉片光合作用，限制植物生長，減少有機(jī)物質(zhì)向地下根系的分配，進(jìn)而影響土壤可溶性有機(jī)碳和養(yǎng)分循環(huán)[4]。另一方面，土壤可溶性有機(jī)質(zhì)對土壤微量元素具有高度親和力，且易分解、轉(zhuǎn)化速度快，是影響土壤微量元素有效性的重要因素[16]。先前的研究也發(fā)現(xiàn)DOC含量與土壤微量元素有效態(tài)含量之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系[17]。在本研究中，大氣O3濃度升高顯著降低了土壤DOC、DON含量，進(jìn)而抑制了土壤微量元素Fe、Cu有效性。

全球氣候變化通過影響土壤微生物群落生物量和活性，不可避免地影響了土壤微量元素有效性[18]。土壤微生物對微量元素具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)化能力，通過分泌物代謝過程改變土壤環(huán)境的還原氧化條件，直接參與土壤微量元素生態(tài)過程,如土壤Fe、Mn的氧化還原反應(yīng)[19]。土壤DOC、DON作為土壤微生物的底物來源，直接影響土壤微生物的生長繁殖。大量研究表明，由于大氣O3濃度升高而減少土壤碳源輸入，降低土壤微生物生物量和活性[1]。因此，在大氣O3濃度升高的條件下，土壤微生物生物量和活性降低，無法有效地釋放土壤微量元素[20]。顯然，本試驗中土壤微生物生物量在大氣O3濃度升高的條件下顯著降低，不利于提高土壤微量元素的有效性。

水稻品種顯著改變了土壤微量元素Cu、Mn、Zn有效態(tài)含量。在本試驗中，研究結(jié)果表明雜交稻汕優(yōu)63土壤Cu、Mn有效態(tài)濃度要高于武育粳3土壤（圖1）。這可能是由于兩個水稻品種生物量、產(chǎn)量和根系生物量存在顯著的差異，造成向土壤輸入的有機(jī)質(zhì)含量不一致。本試驗發(fā)現(xiàn)，雜交稻汕優(yōu)63地上生物量、產(chǎn)量要遠(yuǎn)高于武育粳3，為地下土壤提供了更多底物輸入。在微生物的作用下，有機(jī)質(zhì)中含有一定量的微量元素被釋放出來。有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)將其吸附的土壤微量元素轉(zhuǎn)化為植物可利用形式，提高了土壤微量元素的有效性[21]。

水稻品種改變了土壤微量元素對大氣O3濃度升高的響應(yīng)。這可能是由于不同作物品種對大氣O3濃度升高的抗氧化能力差異較大[22]。過去大量的研究指出大氣O3濃度升高對水稻產(chǎn)量的減產(chǎn)幅度可能因水稻品種不同而存在較大的差異[23]。例如，大氣O3濃度升高造成汕優(yōu)63水稻的光飽和速率、葉綠素含量顯著下降，而對武育粳3沒有明顯的影響，導(dǎo)致汕優(yōu)63產(chǎn)量損失遠(yuǎn)高于武育粳3[24]。同一試驗研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，與汕優(yōu)63相比，武育粳3的葉片氮含量更高，葉片抗氧化能力更強(qiáng)[11]。有研究認(rèn)為耐受型品種可能通過調(diào)節(jié)植物氣孔對O3的適應(yīng)，提高抗氧化產(chǎn)物和相關(guān)酶的活力，最終減弱大氣O3濃度升高對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物生產(chǎn)以及養(yǎng)分循環(huán)的不利影響[23,25]。汕優(yōu)63的葉片氣孔導(dǎo)度要高于武育粳3，從而增加汕優(yōu)63葉片對O3吸收量，導(dǎo)致水稻葉片損傷、光合作用減弱、生產(chǎn)力下降[24]。因此，在大氣O3濃度升高的條件下，武育粳3可能比汕優(yōu)63具有更好的耐受性。在本試驗中，相比汕優(yōu)63，武育粳3或許緩解了大氣O3濃度升高對土壤微量元素有效性造成的不利影響。全球氣候變化背景下的糧食安全問題是人類生存必須面臨的一項重大挑戰(zhàn)。在大氣O3濃度升高的條件下，土壤微量有效態(tài)含量的變化直接關(guān)系到水稻籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)，最終威脅糧食生產(chǎn)安全和人體健康[9]。然而，大量研究多傾向于探討大氣O3濃度升高對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)過程的影響，而對于如何緩解O3脅迫的相關(guān)研究較少。綜上所述，大氣O3濃度升高明顯降低了土壤微量元素的有效態(tài)含量，但是影響幅度因水稻品種產(chǎn)生明顯的差異，育種可能是應(yīng)對和緩解大氣O3濃度升高造成不利影響的重要途徑之一[3]。例如，邵在勝等[25]的研究指出O3耐受水稻品種吸收土壤微量元素受大氣O3濃度升高的負(fù)面影響較小，甚至有所增加，這表明水稻品種在緩解大氣O3濃度升高對土壤微量元素循環(huán)的不利影響方面具有重要作用。因此，未來的研究或許可以基于水稻耐受基因序列，識別水稻O3耐受基因數(shù)量和性狀點位，采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，表達(dá)水稻的耐受基因，提高水稻對O3脅迫的適應(yīng)能力，從而緩解大氣O3濃度升高對土壤微量元素有效性的不利影響。

4 結(jié)論

在本試驗中，大氣O3濃度升高降低了土壤微量元素的有效態(tài)含量，但不同水稻品種土壤微量元素的響應(yīng)存在較大差異。大氣O3濃度升高的條件下，土壤可溶性有機(jī)物和微生物生物量是土壤微量元素有效態(tài)的重要調(diào)控因子。值得注意的是土壤微量元素有效態(tài)對大氣O3濃度升高的響應(yīng)因武育粳3和汕優(yōu)63品種的不同而存在一定的差異，尤其是武育粳3可能適當(dāng)?shù)鼐徑饬舜髿釵3濃度升高對土壤微量元素有效態(tài)含量的不利影響。因此，未來研究或許可以通過水稻品種選育，適當(dāng)?shù)鼐徑獾乇鞳3濃度升高對水稻土微量養(yǎng)分循環(huán)以及籽粒品質(zhì)安全的不利影響。