环境科学  2020, Vol. 41 Issue (8): 3797-3803   PDF    
引用本文
方笑堃, 罗小三, 张丹, 吴礼春, 邱丹, 陈志炜, 赵朕. 臭氧污染对水稻生长、产量及矿质金属元素含量的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3797-3803.
FANG Xiao-kun, LUO Xiao-san, ZHANG Dan, WU Li-chun, QIU Dan, CHEN Zhi-wei, ZHAO Zhen. Effects of Ozone Pollution on Growth, Yields, and Mineral Metallic Element Contents of Paddy Rice[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3797-3803.
臭氧污染对水稻生长、产量及矿质金属元素含量的影响
方笑堃1, 罗小三1, 张丹1, 吴礼春1, 邱丹2, 陈志炜1, 赵朕1     
1. 南京信息工程大学应用气象学院, 农业资源与环境系, 江苏省农业气象重点实验室, 南京 210044;
2. 江苏省耕地质量与农业环境保护站, 南京 210036
收稿日期: 2019-12-31; 修订日期: 2020-03-10
基金项目: 国家自然科学基金项目（41471418）；江苏省第五期"333工程"人才计划项目
作者简介: 方笑堃(1995~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为气候变化的粮食品质安全影响, E-mail:xiaokun9518@163.com
通信作者: 罗小三, E-mail:xsluo@nuist.edu.cn
摘要: 地表臭氧（O3）浓度升高造成的空气污染是日渐关注的重要环境问题，既直接危害人体健康，也影响农业生态系统，威胁农作物的生长发育和农产品品质，其中矿质金属元素含量由于同时涉及微量营养元素和有害重金属而尤为重要.本研究开展了O3浓度升高处理（维持100 nL·L-1）的开顶箱（OTC）田间试验，通过2个水稻品种的作物生长监测和采样分析比较，探讨了O3污染对水稻生长、产量及籽粒矿质金属元素含量的影响.结果表明，高浓度O3抑制了南粳5055和扬稻6号两种水稻叶片的光合作用并降低了叶绿素含量和叶面积指数，进而导致稻谷产量下降，与自然空气对照相比分别减产45.5%和28.6%；但收获籽粒的糙米和颖壳中大部分矿质金属元素含量升高，与对照相比增幅分别达3.6%~19.8%和3.9%~36.0%，因而由此导致的微量元素缺乏或重金属污染等相关粮食品质安全影响需要综合评价.
关键词: 大气污染      臭氧      农作物      重金属      营养元素      粮食品质安全     
Effects of Ozone Pollution on Growth, Yields, and Mineral Metallic Element Contents of Paddy Rice
FANG Xiao-kun1 , LUO Xiao-san1 , ZHANG Dan1 , WU Li-chun1 , QIU Dan2 , CHEN Zhi-wei1 , ZHAO Zhen1     
1. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Department of Agricultural Resources and Environment, School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. China Jiangsu Farmland Quality and Agricultural Environmental Protection Station, Nanjing 210036, China
Abstract: The increase in the surface ozone (O3) concentration causes air pollution, which has become a significant environmental issue that is of increasing concern. Ozone pollution not only directly harms human health, but also influences the agricultural ecosystem by impacting crop growth, which may then indirectly affect human health through food quality and the safety of agricultural products. The effects of O3 pollution on rice growth, yields, and mineral metal contents in grains were investigated through field experiments with increased O3 concentration treatment (remaining at 100 nL·L-1) in open top chambers (OTC). The crop growth and metal contents of two rice varieties were analyzed and compared. The results showed that the higher O3 concentration inhibited the photosynthesis of Nanjing 5055 and Yangdao 6 rice leaves, reduced the chlorophyll content and leaf area index, and subsequently led to a decline in the rice yield of 45.5% and 28.6%, respectively. However, compared with the natural control, the contents of most mineral metallic elements in the brown rice and glume of the harvested grains increased by 3.6%-19.8% and 3.9%-36.0%, respectively, thus resulting in a lack of essential trace elements or pollution of heavy metals; hence, the impact of O3 on rice food quality and safety requires a comprehensive evaluation.
Key words: air pollution      ozone      food crops      toxic heavy metals      essential trace elements      food quality and safety     

大气中O3的环境效应因其所处的垂直高度不同而异, 平流层的O3(臭氧层)能够吸收太阳辐射的短波紫外线而保护地表生物, 但在地表对流层中却是重要的空气污染物, 且因其较强的氧化作用危害生物健康.环境空气中的O3主要是由人为排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等在合适的气象条件下经一系列光化学反应生成的二次污染物[1~3], 在大气环境污染问题中作用日渐突出[4, 5].近年来, O3浓度在对流层中呈增加的趋势, 年增长速率达0.5%, 近地层中增速为0.3%~2.0%[6], 按此预计到2050年地表O3平均浓度将比现在高20%~25%, 到本世纪末将增加40%~60%[7].我国O3污染也较为突出[8], 长三角地区对流层日最高O3浓度达160 nL·L-1[9], 2015年全国1 497个空气质量监测站点的监测数据表明我国地表O3浓度在4~9月生长季12 h (08:00~20:00)年均值已远超O3危害阈值(40 nL·L-1), 最高可达70 nL·L-1[10].因此, O3污染的生态环境风险成为亟待重视的问题.

近地层O3浓度升高危害农作物的生长发育[11].O3作为一种强氧化剂, 对不同植物的器官、组织和细胞具有选择性氧化作用, 当到达细胞的O3浓度增加至一定浓度时, 可导致作物叶片出现明显可见伤, 加快叶片衰老, 对细胞壁和细胞膜造成损伤, 破坏作物光合系统并降低光合作用[12], 最终导致作物生长期内养分积累不足[13], 使其生长发育迟缓, 生物量降低[14], 最终导致减产[15, 16], 作物的品质也会受到影响[17].据估算, 地表O3污染对南京市水稻和冬小麦减产率高达24.3%和32.8%, 每年造成的经济损失分别高达6.8亿元和2.8亿元[18].按照目前O3浓度上升的速度, 预计到2030年前后全球主要农作物因O3导致减产而带来的经济损失将达到120~350亿美元[19].可见, 开展O3污染对农作物的影响研究对农业生产、环境保护和经济发展具有重大意义.

Ca、Mg、Zn、Fe、Mn和Cu等矿质金属元素是影响农作物品质的重要指标之一[20], 这些元素不仅是植物生长发育必须的矿质元素, 也是维持人类正常生命和新陈代谢活动的必须元素.目前全球约有20%的人口缺乏一种或多种微量营养素[21], 其中Fe和Zn两种矿质金属元素是人类最容易缺乏的两种元素, 据估计全球40%的人口缺Fe, 40%的人口缺Zn[22].同时, Zn、Cu和Mn虽然是人体正常生理过程必不可少的微量元素, 但当其含量过高时, 就属于有害的重金属污染物, 危害人体健康, 甚至会引发中毒危及生命[23].水稻是中国南方、东亚乃至世界上重要的粮食作物, 是上述地区人口摄取矿质营养元素的重要食物来源之一, 因此稻米的矿质金属元素含量对人体健康有着重要影响.

鉴于以往研究都主要侧重于O3污染与农作物伤害特征、光合指数、水分关系、物质生产与分配、产量构成以及蛋白质含量、加工品质等因素, 鲜有关于O3污染对作物矿质营养元素或污染物含量影响的研究, 故本研究通过O3浓度升高处理(体积分数100 nL·L-1)的开顶箱(OTC)田间水稻试验, 研究了O3污染对水稻的生长、产量及收获籽粒矿质金属元素含量的影响, 以期为O3污染加剧背景下我国水稻等农作物的优质高产乃至粮食安全提供科学依据和理论基础.

1 材料与方法 1.1 试验地点

本试验于2018年5月到2018年10月, 在江苏省南京信息工程大学农业气象试验站内(118.70°E, 32.2°N)进行.该站地处亚热带季风性湿润气候区, 常年平均气温15.6℃, 水稻季平均气温23.5℃; 常年平均降水量1 040 mm, 水稻季平均降水量720 mm.土壤类型为潴育型水稻土, 灰马肝土属, 全氮及有机碳含量为1.19 g·kg-1和11.95 g·kg-1, 土壤pH (H2O)值为6.3.

1.2 研究设计 1.2.1 供试作物品种及种植方式

两种供试水稻品种为南粳5055和杂交稻扬稻6号, 均是当地常见的水稻品种.2018年5月10日育秧, 6月10日移栽至大田, 株行距20 cm×20 cm, 10月22日收获.

1.2.2 试验处理

本试验在开顶箱(OTC)中进行, OTC直径约3 m, 高约2.5 m, 顶部留有直径约2 m的开口.6个OTC气室分为2种处理, 分别是高浓度O3处理(体积分数100 nL·L-1)和自然空气对照组, 分别以O3和CK来表示, 每种处理各3个重复, 每个OTC气室对半分别种植2个品种水稻.通过电击式臭氧发生器(WH-H-Y60, 南京沃环公司)产生O3, 通过管道输送入OTC内, 最终使OTC内O3均匀分布：OTC内装有O3浓度传感器, 当O3浓度未达到设定值(100 nL·L-1)时会持续输入, 当浓度超过设定值时传感器发出报警使臭氧发生器停止工作, 待浓度降至设定值以下时发生器重启, 使OTC内O3浓度维持在设定值, 从而实现OTC内O3浓度的自动调控.供气时间从水稻移栽后一个月开始至收获结束, 每日臭氧通气时段为09:00~17:00, 降水天气关闭臭氧发生器.

1.3 作物生理指标监测

叶绿素含量(SPAD值)：在水稻生长的关键时期(拔节期、抽穗期和灌浆期, 下同), 每个OTC内两个品种的水稻各选取5株具有代表性且生长一致的植株, 采用便携式SPAD测量, 每株测量3次取平均值.

叶面积指数(LAI值)：在水稻生长的关键时期, 每个OTC内两个品种的水稻各选取3个点使用LAI-2000叶面积测量小区内叶面积指数后取平均值.

光合参数：用LI-6400便携式光合作用测定系统(LI-COR)测定水稻关键生育时期的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs).选择红蓝光源叶室, 将光合有效辐射(光量子强度)设为1 200 μmol·(m2·s)-1, 每个OTC内两个品种的水稻选取生长一致的功能叶测定, 进行3次以上重复.

产量及产量构成：在水稻收获期, 每个OTC内两个品种的水稻各收获0.5 m×0.5 m范围内所有植株进行考种, 分别测定收获植株有效穗数和千粒重等指标.千粒重采用随机选取每个小区的水稻籽粒500粒, 称其重量, 其中每个小区重复3次.根据公式：理论产量=穗粒数×千粒重×0.25 m2有效穗数计算0.25 m2内产量, 再换算成亩产.

1.4 植株采样和金属元素含量分析

在水稻收获时采集部分生长一致的稻穗, 依次使用自来水和超纯水洗净后在70~80℃干燥箱内烘干至恒重, 脱粒后剥壳获取糙米与颖壳, 分别粉碎后贮存备用分析.

植株样品经过浓硝酸和高氯酸电热消解后使用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-OES, 美国PerkinElmer)测定Ca、Mg、Zn、Fe、Mn和Cu等矿质金属元素浓度, 采用空白、重复和标准样品(大米GBW10043)进行质量控制.

1.5 数据处理

本试验数据使用Excel2016处理和作图, 使用SPSS 21.0进行单因素方差分析, 并使用LSD法在P < 0.05水平下对各处理间的差异进行显著性分析.

2 结果与分析 2.1 O3浓度增高对水稻产量的影响

由表 1可见, 高浓度O3处理下, 两种供试水稻的穗粒数、有效穗数和千粒重分别较对照处理均减少, 南粳5055各指标降幅达到20.0%、20.0%和15.1%;扬稻6号各指标降幅达到6.0%、15.6%和10.1%.南粳5055的穗粒数和千粒重以及扬稻6号的千粒重和产量在高浓度O3处理与对照间差异达显著水平(P＜0.05).最终O3污染导致两个品种的水稻产量较对照组明显下降, 降幅分别达到45.5%和28.6%.

表 1 不同O3浓度对2种水稻产量的影响1) Table 1 Effects of different ozone concentrations on yields of two rice varieties

2.2 O3浓度增高对水稻叶片叶绿素相对含量(SPAD)的影响

由图 1可见, 高浓度O3使两种供试水稻在拔节期、抽穗期和灌浆期的SPAD值较对照均下降, 南粳5055在3个生育期降幅分别达到2.3%、14.2%和14.2%, 扬稻6号在3个生育期降幅分别达到3.5%、10.7%和10.8%.生长后期的降幅较后期显著, 各生育时期内的叶绿素含量在处理间差异性均达到显著水平(P＜0.05).

O3处理与对照之间差异显著标记为b,否则标记为a,下同 图 1 不同O3浓度对2种水稻叶绿素含量的影响 Fig. 1 Effects of different ozone concentrations on the SPAD of two rice varieties

2.3 O3浓度增高对水稻叶面积指数(LAI值)的影响

由图 2可见, 高浓度O3使两种供试水稻的LAI值在各生育期内均下降, 南粳5055在拔节期、抽穗期和灌浆期较对照分别下降21.8%、15.3%和15.4%, 扬稻6号3个生育期内降幅分别达到21.8%、14.3%和14.3%.生长前期的降幅较后期显著, 各生育时期内的叶绿素含量在处理间差异性均达到显著水平(P＜0.05).

图 2 不同O3浓度对2种水稻叶面积指数的影响 Fig. 2 Effects of different ozone concentrations on the LAI of two rice varieties

2.4 O3浓度增高对水稻光合作用的影响

由图 3可见, 在高浓度O3的条件下, 南粳5055在拔节期、抽穗期和灌浆期的净光合速率(Pn)较CK分别下降了24.1%、23.1%和46.4%, 气孔导度(Gs)较CK分别减少了24.6%、16.9%和25.6%, 各生育时期内处理间差异达到显著水平(P＜0.05).

图 3 不同O3浓度对南粳5055光合作用的影响 Fig. 3 Effects of different ozone concentrations on the photosynthesis of rice Nanjing 5055

由图 4可见, 扬稻6号在拔节期、抽穗期和灌浆期的净光合速率较CK分别下降了44.1%、54.1%和50.9%;气孔导度较CK分别减少了16.3%、12.9%和34.7%, 各生育时期内处理间差异均达到显著水平(P＜0.05).由此可见, O3污染显著降低了两种水稻的光合作用水平.

图 4 不同O3浓度对扬稻6号光合作用的影响 Fig. 4 Effects of different ozone concentrations on the photosynthesis of rice Yangdao 6

2.5 O3浓度增高对收获水稻籽粒矿质金属元素含量的影响 2.5.1 O3浓度增高对糙米金属元素含量的影响

由图 5可见, 在O3浓度增加条件下, 两种水稻收获糙米中的大量元素Ca含量无明显变化, 而Mg含量较CK分别增加10.2%和6.3%.对于微量营养元素, 南粳5055和扬稻6号糙米中Zn含量分别增加了3.6%和7.6%;但南粳5055的Fe含量降低了10.0%, 而扬稻6号则增加了11.5%.重金属元素方面, 两种糙米中Mn含量分别增加9.0%和7.7%; Cu分别增加了19.8%和14.1%, 其中南粳5055处理间差异达到显著水平(P＜0.05).结果表明, O3污染使稻米中大部分金属元素含量略有增加趋势.

图 5 不同O3浓度对2种水稻糙米吸收大量和微量矿质金属元素的影响 Fig. 5 Effects of different ozone concentrations on the major and trace metal contents in two varieties of harvested brown rice

2.5.2 O3浓度增高对收获稻谷颖壳金属元素含量的影响

由图 6可见, 在O3浓度增加条件下, 南粳5055颖壳中的Ca含量较CK增加9.8%, 而扬稻6号则降低10.6%;两种水稻颖壳中的Mg含量分别增加了36.0%和10.8%.南粳5055颖壳中Zn含量无明显变化, 扬稻6号Zn含量则增加12.3%;两种颖壳中Fe含量分别降低15.3%和增加22.6%; Mn含量分别增加27.0%和3.9%;南粳5055颖壳Cu含量增加26.4%, 而扬稻6号则降低4.3%, 以上处理间差异均未达到显著水平(P＜0.05).结果表明, O3污染也使水稻颖壳中大部分金属元素含量略有增加趋势.

图 6 不同O3浓度对2种水稻颖壳吸收大量和微量矿质金属元素的影响 Fig. 6 Effects of different ozone concentrations on the major and trace metal contents in two varieties of rice husk

3 讨论

本研究结果表明, 经过高浓度O3处理的水稻叶片叶绿素含量随着熏气时间的增加较自然对照急剧下降.叶绿素是植物光合作用的关键物质[24], 其含量降低与叶绿体膜系统膜脂过氧化有密切关系, 高浓度的O3加剧了膜脂过氧化作用, 对水稻的膜系统产生了不可逆的伤害, 使叶片中叶绿素降解从而导致叶绿素含量下降, 影响光合产物的降解与合成.与此同时, O3可以通过气孔作用影响水稻的光合作用, 气孔作为O3进入水稻植株体内的主要通道, 高浓度的O3降低了植株的气孔导度, 必然导致进入植株的CO2含量明显减少, 减少了植物光合作用必需的CO2, 最终使其光合速率下降[25].在本研究中两种水稻在高浓度的臭氧污染下气孔导度和净光合速率均显著下降, 符合预期.叶片是作物的主要敏感器官之一, 高浓度O3熏气下, 作物旗叶叶面积指数显著下降, 分孽数显著降低, 黄叶率显著增加[26~28].本研究印证了这些结果, 而且O3浓度增加使水稻在各生育期内的叶面积指数较对照处理均不同程度下降, 且生育期后期的降幅较前期显著.

近年来国内外已开展了一些O3污染对农作物产量影响的研究, 在O3胁迫条件下作物产量大都呈下降趋势, 但因浓度不同, 减产幅度不同.例如, 江苏江都FACE平台的试验结果发现, O3污染使水稻籽粒产量平均下降16%, 其中, 低、中和高种植密度下分别下降24%、14%和10%[29]; 邵在胜等[30]利用气体熏蒸平台分析了23种不同敏感类型水稻产量及其构成因子对O3胁迫的响应, 表明O3污染使水稻产量构成因子一致下降(特别是饱实率), 导致的产量损失平均降幅达到30%.以往研究发现, O3污染主要通过改变穗部的形态特征以及穗粒数、结实率、千粒重等产量构成要素从而对水稻产量造成损失[31], 在本试验中, 两种供试水稻的穗粒数、有效穗数、千粒重较对照处理均减少.本质上, 作物的产量通常与光合作用水平和营养器官生长发育水平直接相关[32, 33].因而在本研究中, 高浓度O3下两种水稻叶绿素含量降低, 导致其吸收光的能力减弱, 同时气孔导度降低也进一步降低了光合速率, 使光合作用对CO2利用率降低, 减少了水稻的干物质积累, 最终使两种水稻分别减产45.5%和28.6%.

矿质元素在植株体内物质组成和代谢过程中都发挥着重要的作用, 因此O3污染也可影响作物吸收矿质元素的能力, 进而影响作物正常的生长发育和产量形成[34].水稻是中国南方、东亚乃至世界上重要的粮食作物, 是上述地区人口摄取矿质营养元素的重要食物来源之一, 因此水稻的矿质金属元素含量对人体健康有着重要影响, 但O3浓度对农作物矿质元素吸收的影响鲜见报道.王春雨等[35]利用OTC在大气环境O3浓度增加40 nL·L-1的条件下, 大豆籽粒中K和N元素平均含量分别升高了11.0%和37.8%.张庆等[23]的研究表明, O3浓度升高(100 nL·L-1), 使冬小麦收获籽粒各组分的Zn含量较对照增加15%~41%.在本试验中, O3污染使水稻籽粒中大部分矿质金属元素含量增加.有研究表明, 矿质营养元素对叶片光合作用、碳水化合物的代谢、蛋白质和淀粉的合成等生理过程都有直接影响, 因此O3污染导致的水稻籽粒金属元素含量升高可能是水稻自身对不利环境的一种调节和适应, 如Ca元素可以通过调整并控制基因表达从而提高植物的抗逆境的能力, 也可以通过蛋白或酶的活性调节从而引发有利于植物适应逆境的生理生化反应[28].另一方面, 高浓度的O3改变了土壤中微量元素的生物有效性, 从而影响了植株对其的吸收作用[36].O3污染导致水稻叶片受损, 降低了其光合作用生产效率, 导致光合产物的积累减少, 同时植株的干物质积累也减少, 而水稻营养元素吸收速率的下降速度可能大于物质积累速率下降速度, 致使水稻籽粒中矿质金属元素含量与质量的比例发生变化, 导致其中大部分矿质金属元素含量增加.

4 结论

大气O3污染使水稻的有效穗数、穗粒数和千粒重等要素降低, 最终造成水稻减产, 对粮食生产造成了负面效应.对于作物矿质元素吸收方面, 在O3浓度增加的情况下, 水稻大部分金属元素含量略呈现增加趋势, 可能是作物抗逆响应.然而, 由于金属元素含量也是农产品的重要品质指标, 相对于通过食物链导致的人体健康效应, Fe、Zn等微量必须营养元素缺乏和Cu、Mn等有害重金属过量则是一对矛盾体, 因此关于O3对粮食品质的综合影响尚需进一步研究和探索.大气污染关联农业环境, 应当综合看待地表O3浓度升高对水稻等农作物产量和品质的影响, 以期在O3污染背景下找出应对方案, 确保粮食的高产、优质和安全.

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