不同秧苗素質和移栽密度條件下臭氧脅迫對水稻光合作用、物質生產和產量的影響

彭 斌，李潘林，周 楠，賴上坤，朱建國，楊連新，*，王余龍

(1.揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，揚州 225009;2.中國科學院南京土壤研究所，南京 210008)

人類活動導致地球大氣環(huán)境的一個顯著的變化就是近地層臭氧(O3)濃度迅速上升。對流層大氣平均O3濃度從工業(yè)革命前的不足10 nl/L［1］，迅速上升到目前的50 nl/L左右(夏季每天8 h平均)［2］。若維持當前的排放速率，預計2015—2050年全球地表O3濃度將在現(xiàn)有基礎上增加20%—25%［3］。當前地表空氣中平均O3濃度已超過敏感作物的傷害閾值(40 nL/L)，已經對野生和栽培植物產生廣泛的肉眼可見的傷害，而未來這種傷害將會變得更加嚴重［4］。水稻是人類最重要的糧食來源之一，為全球半數(shù)以上人口提供營養(yǎng)［5］。因此，準確評估臭氧脅迫對水稻生長發(fā)育及產量的影響具有重要意義。

前人對臭氧脅迫下水稻生長、產量和品質的響應進行了廣泛的研究［6-8］。這些研究多為單因素試驗，而評估臭氧與栽培條件互作的多因子操作試驗甚少［6，9］。從熏蒸平臺來看，前人水稻臭氧試驗的研究多數(shù)是在氣室內進行［6］，氣室狹小的試驗空間和人為的隔離設施對植株周圍的小氣候會產生巨大的擾動，這些擾動加上氣室試驗的邊際效應，均有可能改變作物對臭氧脅迫的響應大小。與氣室相比，(FACE)試驗在完全開放的農田條件下運行，被認為是評估大氣組份變化對作物產量實際影響的最佳方法［10］。本項目依托先進的中國臭氧FACE平臺，模擬本世紀中葉地球近地層臭氧濃度，以敏感品種汕優(yōu)63為試驗材料［11-12］，首次研究了水稻在不同秧苗素質和移栽密度條件下對高濃度臭氧響應的差異及其可能原因，以期為近地層臭氧濃度升高情形下我國稻作生產的適應對策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地背景和臭氧FACE平臺

本試驗在中國O3-FACE研究技術平臺上進行。位于江蘇省江都市小紀鎮(zhèn)良種場試驗田(119°42'0″E，32°35'5″N)。試驗田所在區(qū)域年均降水量980 mm左右，年均蒸發(fā)量大于1100 mm，年平均溫度14.9℃，年日照時間大于2100 h，年平均無霜期220 d，耕作方式為水稻-冬小麥輪作。試驗田土壤類型為清泥土，土壤理化性質為:有機碳 18.8 g/kg，全 N 1.58 g/kg，全 P 0.67 g/kg，全 K 15.1 g/kg，速效 P 10.8 mg/kg，速效 K 72.1 mg/kg，容重1.23 g/cm3，pH 7.3［13］。試驗平臺共有4個正八角形的 FACE 實驗圈(直徑14 m)和4個對照圈，每圈有效面積約120 m2。FACE圈之間以及FACE圈與對照圈之間的間隔大于70 m，以減少O3釋放對其他圈的影響。FACE圈周圍管道(位于作物冠層上方50—60 cm處)上的小孔向圈中心噴射純O3氣體，計算機系統(tǒng)根據(jù)圈內濃度監(jiān)測系統(tǒng)檢測大氣中的O3濃度、風向和風速等因素自動調節(jié)O3釋放的速度及方向，使FACE圈中心點冠層位置O3濃度始終保持比大氣中O3濃度高50%。放氣從7月1日開始直至水稻成熟，每天放氣時間為9:00至16:00。當對照圈O3濃度低于20 nL/L、下雨和露水等造成葉片濕潤以及校正O3分析儀、檢修設備等的時候暫停放氣，因此水稻整個生長季FACE圈內實際平均O3濃度比對照圈O3濃度只增加約27%。對照田塊沒有安裝FACE管道，其余環(huán)境條件與自然狀態(tài)一致［14］。各關鍵生育階段和成熟期FACE圈的取樣均在有效區(qū)內進行，有效區(qū)為FACE圈噴氣管1.5 m以內區(qū)域，這一區(qū)域O3濃度較為穩(wěn)定。圖1為臭氧熏氣期間FACE圈和對照圈O3濃度的變化情況。

1.2 供試品種和材料培育

圖1 臭氧熏氣期間日7 h平均臭氧濃度的變化Fig.1 The change of day time 7 h mean ozone concentration during ozone fumigation

根據(jù)前期試驗選擇臭氧敏感品種汕優(yōu)63為供試材料［11-12］。大田旱育秧，5月22日播種，6月21日移栽，每穴1苗?？偸㎞量為15 g/m2，其中6月19日基肥占總施N量的50%，6月25日分蘗肥占總施N量的10%，8月6日穗肥占總施N量的40%。P、K肥作基肥施用，施用量均為7 g/m2。水分管理為6月21日至7月3日保持淺水層，7月4日至8月5日進行多次輕擱田，8月6日以后間隙灌溉(開花期保持淺水)，收獲前10日斷水。適時進行病蟲草害防治，保證水稻正常生長發(fā)育。

1.3 試驗處理

本試驗為裂區(qū)試驗，臭氧濃度為主區(qū)，秧苗素質和移栽密度為裂區(qū)，各小區(qū)重復4次。秧苗素質設壯苗和弱苗兩個水平。壯苗與弱苗選育過程:壯苗秧板區(qū)的播種量為弱苗區(qū)的一半，同時在壯苗秧板區(qū)育秧期間增施秧苗肥，移栽時選取兩個分蘗的為壯苗，不帶分蘗的為弱苗。移栽密度，弱苗設低密度(16穴/m2，株行距均為25 cm)、中密度(24 穴/m2，株行距為16.7 cm×25 cm)和高密度(32 穴/m2，株行距為 12.5 cm×25 cm)3 個水平，壯苗設中密度和高密度兩個水平。

1.4 測定內容和方法

葉片氣體交換參數(shù):采用LI-6400便攜式光合系統(tǒng)分析儀(LI-COR，USA)在抽穗期和抽穗后15 d測定水稻劍葉凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)和葉溫(Tl)。每個小區(qū)測定6張劍葉，在10:00至16:00內進行測定。由于環(huán)境條件對氣體交換參數(shù)有著較大的影響，在進行葉片氣體交換參數(shù)測定前先做好環(huán)境控制:流量控制為默認值500 μmol/s，通過功能鍵F4控制好溫度在環(huán)境溫度的±6℃內，通過功能鍵F5控制好光強為光合有效輻射強度為1200 μmol·m-2·s-1，通過F3鍵設置RFF CO2濃度在380 μmol/mol。

葉片SPAD值:在抽穗期和抽穗后20 d采用SPAD-502葉綠素儀(Minolta，Japan)測定水稻劍葉SPAD值(soil and plant analyzer develotrnent，表示葉綠素相對含量)，每個小區(qū)測定20張劍葉。

生物量:在拔節(jié)期、抽穗期、成熟期對各處理小區(qū)在普查100穴的基礎上取代表性植株6穴，分別測定地上部不同器官干物重(105℃殺青30 m，80℃烘干72 h)，據(jù)此計算植株地上部總干重。

實際產量:成熟期在每個實驗圈固定位置(移栽期確定)連續(xù)取樣80穴(約4 m2左右)，風干后機器脫粒，測定各小區(qū)水稻實際產量。

2 結果與分析

2.1 物質積累和生產

不同栽培條件下高濃度O3對汕優(yōu)63各期物質積累量的影響列于表1。由表可知，(1)壯苗拔節(jié)期、抽穗期和成熟期物質積累量平均分別比弱苗增加49%、23%和28%，差異均達顯著或極顯著水平。(2)水稻同期物質積累量隨移栽密度的增加而增加，差異達顯著或極顯著水平。(3)高濃度O3使拔節(jié)期、抽穗期和成熟期物質積累量平均分別降低3%、11%和22%，抽穗和成熟期達極顯著水平。從不同秧苗素質看，弱苗拔節(jié)、抽穗和成熟期分別降低4%、10%、26%，壯苗對應生育期分別降低0.2%、12%、17%;從不同密度看，低密度水稻對應生育期分別降低8%、10%、33%，中密度水稻對應生育期分別降低1%、13%、21%，高密度條件下水稻對應生育期分別降低2%、9%、19%，除低密度抽穗期外，抽穗期和成熟期均達顯著或極顯著水平。(4)方差分析表明，臭氧和密度的互作對成熟期物質積累量的影響達顯著水平。

表1 不同秧苗素質和移栽密度條件下臭氧脅迫對汕優(yōu)63不同生育時期物質積累量的影響Table 1 Effect of ozone stress on dry matter accumulation of Shanyou 63 under different seedling quality and plant density

臭氧脅迫對水稻不同生育階段物質生產量的影響列于表2。由表可知，(1)壯苗拔節(jié)至抽穗期、抽穗至成熟期的物質生產量平均分別比弱苗增加17%、13%，前者達顯著水平。(2)不同密度條件下水稻拔節(jié)至抽穗期物質生產量無顯著差異，但抽穗至成熟期物質生產量隨著密度的增加而顯著增加。(3)高濃度O3使拔節(jié)至抽穗期、抽穗至成熟期物質生產量分別降低13%、29%，達顯著和極顯著水平。從不同秧苗素質看，弱苗拔節(jié)至抽穗期、抽穗至成熟期物質生產量分別降低10%、35%，壯苗對應生育階段分別降低16%和22%，均達顯著或極顯著水平;從不同移栽密度看，低密度水稻對應生育階段分別降低10%和65%，中密度水稻對應生育階段分別降低14%和25%，高密度水稻對應生育階段分別降低12%和19%，抽穗至成熟期均達顯著或極顯著水平。(4)方差分析表明，臭氧和不同栽培措施間的互作均未達顯著水平。

表2 不同秧苗素質和移栽密度條件下臭氧脅迫對汕優(yōu)63不同生育階段干物質生產量的影響Table 2 Effect of ozone stress on dry matter production of Shanyou63 under different seedling quality and plant density

2.2 葉片氣體交換參數(shù)

高濃度O3對汕優(yōu)63結實期葉片氣體交換參數(shù)的影響列于表3。不同秧苗素質或不同移栽密度條件下水稻各氣體交換參數(shù)均無顯著差異，兩個測定時期一致。臭氧脅迫使抽穗期和抽穗后15 d葉片凈光合速率(Pn)平均分別降低了18%(P＜0.01)和32%(P＜0.01)，抽穗后15 d的降幅明顯大于抽穗期。臭氧脅迫使抽穗期和抽穗后15 d葉片氣孔導度(Gs)平均分別降低了38%(P＜0.01)和42%(P＜0.01)。臭氧脅迫對葉片胞間CO2濃度(Ci)無顯著影響，說明高濃度O3環(huán)境下葉片Pn下降并非CO2攝入量受限所致。高濃度O3使抽穗期和抽穗后15 d葉片蒸騰速率(Tr)分別降低了20%和23%，均達顯著水平，而對葉溫(Tl)無顯著影響。方差分析表明，不同處理間的互作對上述葉片氣體交換參數(shù)的影響均無顯著影響。

表3 不同秧苗素質和移栽密度條件下O3脅迫對汕優(yōu)63葉片氣體交換參數(shù)的影響Table 3 Effect of ozone stress on gas exchange parameters of Shanyou63 leaves under different seedling quality and plant density

2.3 葉片SPAD值

臭氧脅迫對水稻結實期葉片SPAD值的影響示于圖2。由圖可知，不同秧苗素質或移栽密度條件下水稻葉片SPAD值均無顯著差異，兩個測定時期一致。臭氧脅迫使抽穗期和抽穗后20 d葉片SPAD值平均分別降低了12%(P＜0.05)和23%(P＜0.01)，抽穗后20 d的降幅明顯大于抽穗期，不同秧苗素質或移栽密度條件下趨勢基本一致。

2.4 籽粒產量

汕優(yōu)63收獲期割方測定實際產量(圖3)。結果表明，壯苗和弱苗籽粒產量平均分別為669 g/m2和582 g/m2，差異達顯著水平。低、中和高密度條件下水稻產量分別為558、616和647 g/m2，無顯著差異。高濃度O3使水稻平均減產16.2%，達極顯著水平，其中弱苗和壯苗分別減產14.9%、17.9%;低、中、高密度條件下分別減產17.2%、15.7%和15.9%，均達0.05顯著水平。方差分析表明，臭氧和密度互作對籽粒產量的影響達顯著水平(P=0.04)，但臭氧×秧苗、臭氧×秧苗×密度間的互作均未達顯著水平。

圖2 不同秧苗素質和移栽密度條件下臭氧脅迫對汕優(yōu)63葉片葉綠素相對含量(SPAD)值的影響Fig.2 Effect of ozone stress on SPAD values of Shanyou 63 leaves under different seedling quality and plant density

圖3 不同秧苗素質和移栽密度條件下臭氧脅迫對汕優(yōu)63籽粒產量的影響Fig.3 Effect of ozone stress on grain yield of Shanyou 63 under different seedling quality and plant density

3 討論

葉片是大氣臭氧脅迫的最初感應器。本研究表明，臭氧脅迫使汕優(yōu)63結實期葉片SPAD值明顯下降，抽穗后20 d降幅明顯大于抽穗期(圖2)，這與Olszyk［15］等氣室試驗的結果一致。稻葉是光合作用的重要器官，臭氧脅迫在破壞葉片光合色素的同時，也使其光合速率降低，降幅因試驗設施、供試材料、處理濃度以及測定時期而異［6］。本研究表明，比環(huán)境臭氧濃度高27%的處理使汕優(yōu)63抽穗期和抽穗后15 d劍葉凈光合速率分別降低了18%和32%(表3)，隨時間推移降幅明顯增大，這種趨勢與前期FACE研究對汕優(yōu)63［9，13］和其它品種［16］的報道一致。葉片光合速率下降原因一般可分為氣孔限制和非氣孔限制。本研究發(fā)現(xiàn)，高濃度臭氧使葉片氣孔導度極顯著下降的同時，胞間CO2濃度無顯著變化(表3)。說明臭氧脅迫下水稻凈光合速率下降可能主要歸因于葉肉細胞同化能力，即內部Rubisco酶活性和光合組分等非氣孔因素的影響，而非氣孔限制的結果。本研究還發(fā)現(xiàn)，臭氧脅迫環(huán)境下，伴隨氣孔導度大幅下降，葉片蒸騰速率也明顯下降。因此，臭氧脅迫環(huán)境有利于提高水稻的水分利用效率和抵御干旱脅迫［17］。從本研究栽培條件與臭氧的互作效應看，秧苗素質和移栽密度對臭氧脅迫下汕優(yōu)63光合參數(shù)的響應均無明顯調節(jié)效應(表3)。

臭氧脅迫下水稻光合受阻必然影響物質生產［6］。Ainsworth［7］對前人氣室研究的整合分析表明，相比過濾空氣(經活性炭過濾后的背景大氣，)，84 nl/L臭氧處理使水稻地上部干物重平均下降16%(n=68)。Pang等［13］FACE研究發(fā)現(xiàn)，56 nl/L高濃度臭氧處理使汕優(yōu)63成熟期地上部總干重比對照(環(huán)境臭氧濃度為45 nl/L)平均降低18%。本試驗在同一FACE平臺上進行，結果表明，水稻大田期平均46 nl/L臭氧濃度使汕優(yōu)63最終地上部總干重比對照(環(huán)境臭氧濃度為36 nl/L)下降了22%，這一響應明顯大于氣室研究的結果［7］，但與同一品種的大田FACE結果相近［13］。從積累動態(tài)看，高濃度臭氧使汕優(yōu)63拔節(jié)期、抽穗期、成熟期干物質積累量分別降低了2%、11%和22%(表1)，隨著生育進程的推移降幅直線增加，這與Kobayashi等［18］大田氣室的試驗結果基本一致。本研究進一步分析了水稻生育中期(即拔節(jié)至抽穗期)和后期(即抽穗至成熟期)的干物質生產量(表2)，結果發(fā)現(xiàn)高濃度臭氧使這兩個生育階段的物質生產量均大幅下降，生育后期的降幅(-29%)明顯大于生育中期(-13%)。說明，臭氧脅迫下水稻最終生產力明顯下降主要與生育中期特別是后期的生長受抑有關。結合光合參數(shù)變化，臭氧脅迫對水稻生長的影響具有明顯的積累作用，這種累積傷害現(xiàn)象在水稻［6］和其它作物如大豆［19］中均有報道。本試驗還設置了兩種秧苗素質和3個栽插密度處理，結果表明，不同栽培條件下水稻物質生產對臭氧脅迫的響應差異總體較小，但臭氧與密度的互作對最終生物量的影響達顯著水平，高濃度臭氧對總生物量的影響程度隨著密度的提高而降低(表2)。物質生產與光合效率和光合勢有關，臭氧與密度對前者沒有互作效應(表3)，因此適當提高栽插密度減少臭氧脅迫下水稻最終生產力的損失可能主要是通過減緩生育中、后期光合勢的衰退而實現(xiàn)的。本試驗表明臭氧脅迫下水稻抽穗后葉面積的衰減程度隨密度提高而降低(數(shù)據(jù)未列出)。

大量研究表明臭氧脅迫使水稻產量下降，降幅與實驗平臺、供試材料、臭氧處理的濃度和時期等因素有關［6］。本研究表明，F(xiàn)ACE情形下，46 nl/L臭氧處理使汕優(yōu)63產量較環(huán)境臭氧濃度(36 nl/L)平均降低16.2%(P＜0.01，圖3)，這一結果大于 Ainsworth［7］對氣室試驗整合分析的結果(與過濾空氣相比，61 nL/L O3處理使水稻產量平均降低了14%)，但小于或接近同一平臺同一品種的FACE試驗結果［11-12］。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同秧苗素質條件下高濃度臭氧對水稻產量的影響無明顯差異，但臭氧與密度的互作對產量的影響達顯著水平，高濃度臭氧對產量的影響程度隨著密度的提高而降低(圖3)。籽粒產量可分解為生物產量和經濟系數(shù)兩個因子。相關分析表明，不同處理條件下水稻籽粒產量與生物產量的關系比較密切(r=0.90＊＊)，而與經濟系數(shù)無顯著相關。說明臭氧脅迫下汕優(yōu)63最終籽粒產量的損失主要與物質生產能力明顯下降有關，而與物質分配到籽粒中的效率相關不密切?？梢姡m當提高栽插密度減少臭氧脅迫下水稻產量的損失主要與減少水稻生物產量的損失有關。

本試驗數(shù)據(jù)進一步證明了未來高濃度臭氧環(huán)境下水稻生長后期光合作用和生長發(fā)育受阻，進而使產量明顯下降;本研究還發(fā)現(xiàn)，臭氧與秧苗素質間沒有互作效應，但適當增加移栽密度可能會減少臭氧脅迫下水稻產量的損失，這一結果是否因不同水稻品種或不同氣象條件而異還需更多的試驗研究來回答。

致謝:感謝中國科學院南京土壤研究所劉鋼、唐昊冶和朱國興老師對臭氧FACE系統(tǒng)的日常維護，為本試驗的實施提供了硬件保障。

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