我国冬小麦和水稻对大气o

我国冬小麦和水稻对大气o

随着大量消耗岩石燃料，环境空气中的o3前体物nox和vocs的排放，人类活动对该地区和世界各国的影响日益显著。近年来的国内研究表明，由人类造成的污染主要发生在经济发达地区东部城市的聚集地区，如北京的唐、长江三角洲和珠江三角洲。此外，夏季和夏季对该地区的污染尤其严重。人为增加（o3）22011年5月7日至6月9日，将（o3）分为20.25nol1。严谷滩22011年5月7日至6月9日，对北京附近土地进行了连续观察。结果表明，白天（o3）最高可超过100nlue4d4l，下午达到峰值，平均值可达到60nlue4l。严敏等3根据广东省环境评估中心2007年至2010年监测数据，（o3）年平均值不断增加，最大时间平均值达到0.300mgue4d4m3（o3）（o3）（ob3）（o3）李杰等人4根据东亚春季边界层（o3）的模拟研究，东亚（o3）的高度在55nlue4l以上。根据目前（o3）的上升趋势，估计到到2025年，世界流量（o3）的传输量可以达到40%60%。当时，（o3）可以达到80纳米鲁兹。5。大气中φ(O3)的不断升高,严重威胁粮食生产安全.高浓度大气O3可损伤植被内部结构和生理功能,影响植物正常生长,导致农作物减产5%~15%,某些作物减产超过20%［6］.WANG等［7］在2004年利用CTM模型和美国NCLAN的剂量响应关系估算我国1990年和2020年的小麦、水稻、玉米和大豆的产量损失,结果显示,1990年小麦、水稻、玉米的产量损失为1%~9%,大豆的产量损失为23%~27%;2020年的产量损失大幅增加,小麦、水稻和玉米的产量损失升至2%~16%,大豆的产量损失升至28%~35%.FENG等［8］估算1999年O3使长三角的冬小麦和水稻损失分别达到66.9×104和55.9×104t,经济损失分别为9.36×108和5.39×108元人民币.大气O3对植被损伤的研究方法主要有控制环境研究法、田间暴露系统法和自然条件下田间小区法3种.田间暴露系统包括FACE(free-airconcentrationenrichment,自由通风无气室)和OTC(open-topchamber,田间开顶式气室)2种系统.目前,国内外使用比较广泛的试验装置为OTC系统.自1973年开顶式气室使用以来,美国、欧洲及其他国家的学者利用该装置分别就O3对粮食、疏菜、烟草和果树等的潜在影响进行了广泛研究［9-10］.我国学者采用OTC系统在长江三角洲地区陆续开展了O3和CO2对水稻、小麦和油菜等作物影响的研究［11-13］,旋转布气法使OTC系统性能有了很大改进［14-15］.我国地域辽阔,区域气候特征和作物品种的差异很大,很难用统一的剂量响应关系评价O3对农作物产量的影响.该类研究的局限:1国内只在长江三角洲地区、珠江三角洲地区和京津冀等地区对水稻［14，16-18］、小麦［19-20］、大豆［13，21］、油菜［22］等进行了研究,还有很多地方没有开展类似研究;2在作物种类上,鲜见对玉米、花生、棉花、大麦等作物的研究;3已有研究普遍时间较短,缺乏多年的研究,存在很大的不确定性.因此,笔者在我国北方麦田区和华南水稻区分别开展大气O3对大田水稻和冬小麦的影响研究,建立OTC气室,在作物整个生长期内进行O3熏蒸,研究作物产量与O3暴露量的剂量响应关系及临界水平,综合分析国内外已有研究结果,探讨农作物品种、生长区域等对作物抗氧化性的影响特征,以期为减少由于大气污染所造成的农作物减产、保障粮食生产安全提供科学支撑.1试验时间、地点笔者建立的OTC系统由开顶式气室、布气装置、O3发生及控制装置等组成,详见文献.大田试验中,O3处理为4组,分别为环境大气φ(O3)组(CK)及在CK基础上分别增加40、80、120nLue4d4L试验组.每组处理设3个平行.为避免高浓度O3的急性损伤,控制OTC气室内最高φ(O3)低于200nLue4d4L.熏蒸时间为每天09:00—17:00,阴雨天不熏蒸.水稻大田试验地点设在广东省东莞市种子研究所,水稻品种为粤晶丝苗2号(OryzasativaL.),整个生长期内共熏蒸44d.冬小麦大田试验地点设在北京市昌平区种子管理站,冬小麦品种为北农9549(TriticumaestivumL.),整个生长期内共熏蒸50d.2作物生长季内不同暴露量对产量的响应生长期内水稻和冬小麦2种作物所暴露的φ(O3)平均值及累计暴露量AOT40〔指>40nLue4d4L的小时平均φ(O3)与40nLue4d4L差值的累积值,μLue4d4(L·h)〕［6］)如表1所示.用于定量表征作物O3暴露量的指标有M7〔作物生长季节内7h(09:00—16:00)φ(O3)平均值,nLue4d4L〕、M12〔作物生长期内12h(08:00—20:00)φ(O3)平均值,nLue4d4L〕［23］、SUM06〔作物生长季内>60nLue4d4L的φ(O3)累计值,nLue4d4(L·h)〕［7］、AOT40和AFstX(气孔O3吸收速率高于临界值X时的累积O3吸收通量,mmolue4d4m2)［24-27］.以该研究中不同O3处理条件下水稻和冬小麦每m2的产量与对应的O3暴露指标进行线性和指数拟合,获得基于不同暴露指标的暴露量-产量的响应关系,结果如表2所示.从表2可知,以指数拟合的暴露量-产量响应关系的相关系数普遍高于线性拟合,反映了作物产量对O3响应的非线性特点［28］.O3在水稻和冬小麦产量形成中的作用是有差别的,水稻的相对产量与暴露量之间的相关性为中度相关(0.500≤|R|<0.800),冬小麦为高度相关(|R|≥0.800)［29］.3北京平台和中国粮食对o3的临界水平临界水平多是基于开顶式气室试验获得的结果,计算在风险阈值下的O3暴露量.除作物种类因素外,区域气候特征和作物品种的差异也会影响作物个体对O3的敏感性［32-33］.根据该研究试验,得到水稻和冬小麦O3暴露量-产量响应关系计算临界水平(以AOT40计),其中广东东莞水稻为4.95μLue4d4(L·h),而北京昌平冬小麦为2.44μLue4d4(L·h).根据国内外已有农作物产量与O3暴露量的响应关系,计算获得农作物的临界水平,如表3所示.由表3可见,我国水稻和冬小麦的临界水平分别为4.950~9.506和2.280~3.858μLue4d4(L·h),对O3敏感性存在明显的地域和品种差异,其中水稻对O3的敏感性由我国北方到南方逐渐增加,但冬小麦并无明显地域变化规律.表3中我国的暴露量-产量响应关系多为农作物一个生长季所获得的研究结果,若要完全了解O3暴露量与农作物产量之间的量化关系,需要开展多年试验研究以获得更准确的定量关系.与欧洲研究结果比较,我国水稻AOT40均低于欧洲水稻,即我国的水稻更易受到大气污染的影响而减产.小麦和油菜的临界水平与欧洲范围比较一致.同种作物在不同地区表现出来的临界水平的差异也表明了农作物通过长期适应,可能形成与各地气候环境相适应的不同品种,其各自的抗氧化能力也存在明显不同.因此,选育对O3具有较强抗性的品种对降低我国O3的农业风险具有重要意义.4水稻、小麦、大豆和槟榔的相对产量损失根据试验期间对试验大田环境大气φ(O3)同步监测结果,计算在09:00—17:00期间大田作物所暴露的AOT40值可得,广东东莞大田水稻的O3暴露量AOT40为2.69μLue4d4(L·h),北京冬小麦的O3暴露量AOT40为6.72μLue4d4(L·h),由此可以计算出水稻相对产量损失(relativeyieldloss,RYL)为2.70%,冬小麦相对产量损失为12.85%.由此可见,目前大田环境大气φ(O3)已经造成了水稻和冬小麦的产量损失,对冬小麦的产量影响更加明显.归纳国内外已有研究结果,大气O3污染所造成的农作物(水稻、小麦、大豆和油菜等)相对产量损失见表4.从表4可见,O3污染会明显造成我国农作物减产.对于水稻,不同品种和地区的研究结果有很大差别.当白天8h(09:00—17:00)的φ(O3)在50nLue4d4L以下时,水稻产量损失都在30.00%以下;当φ(O3)在50~100nLue4d4L时,水稻产量损失在10.10%~32.90%之间;当φ(O3)>100nLue4d4L时,水稻产量损失在50.00%以上.对于冬小麦,当φ(O3)≤100nLue4d4L时,减产13.00%~53.80%;当φ(O3)>100nLue4d4L时,减产在32.59%以上,该试验结果与郑飞翔等［37］对全球小麦数据整合分析后所获得的结果较一致.对于大豆和油菜,φ(O3)在100nLue4d4L以上,大豆产量损失在50%以上,高浓度O3可造成严重的大豆减产;而油菜的产量损失在3.70%~18.60%,会受到一定程度的影响.分别对表4中水稻和小麦的产量损失与O3平均暴露浓度进行线性分析,结果如图1所示.水稻和冬小麦产量与O3暴露量均具有较好的线性关系,说明已有研究结果对于估算区域产量损失具有参考意义但也必须指出,作物产量受到多方面因素的影响,建立本地化暴露量-产量的响应关系是准确评估区域产量损失所必须开展的工作.目前已有研究所获得的农作物减产数据存在着很大的不确定性.究其原因:一方面,研究方法本身存在着一定的不确定性,不管是采用OTC方法,还是采用FACE方法,由于受到大气环境φ(O3)日变化的影响及环境条件(温度、相对湿度等)对O3发生及控制装置工作效率的影响,O3熏蒸气体浓度的准确控制都是很难实现的;另一方面,农作物生长的复杂性必然导致研究结果的不确定性,包括种子的品质、田间管理、特殊天气(干旱、热风、连续阴雨等)及气候的年纪变化等,单季的研究结果存在着一定的偶然性,因此开展多季的持续研究是降低不确定性所必须开展的工作.5大气o3对我国水稻和冬小麦的影响a)利用OTC气室,分别开展不同浓度梯度大气O3对冬小麦和水稻的影响研究,获得冬小麦和水稻O3暴露量-产量的响应关系,冬小麦的相对产量与O3暴露量之间存在