地表臭氧濃度升高對(duì)冬小麥和大豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

曹嘉晨,鄭有飛，趙輝，徐靜馨

1. 南京信息工程大學(xué), 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 2100442. 南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 2100443. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044

地表臭氧濃度升高對(duì)冬小麥和大豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

曹嘉晨1,2,鄭有飛1,3,*，趙輝3，徐靜馨3

1. 南京信息工程大學(xué), 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 2100442. 南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 2100443. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044

我國(guó)近地層臭氧污染日趨嚴(yán)重，其不斷增加的濃度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)造成了嚴(yán)重威脅。以冬小麥和大豆為研究對(duì)象，基于大田開(kāi)頂式氣室(OTC)試驗(yàn)，分別設(shè)置對(duì)照(CK)、100 nL·L-1和150 nL·L-1這3個(gè)O3濃度處理組，對(duì)2種作物生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量等參數(shù)連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果表明：O3濃度增加對(duì)冬小麥和大豆的株高、葉面積和生物量產(chǎn)生影響，并且對(duì)大豆的影響更為明顯。與此同時(shí)，O3濃度增加使得冬小麥的穗重、穗粒數(shù)以及大豆的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重都呈現(xiàn)大幅度下降狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致其產(chǎn)量降低。在100 nL·L-1臭氧處理下，冬小麥產(chǎn)量較CK降低了12.89%，而大豆產(chǎn)量下降了23.76%。在150 nL·L-1的臭氧處理下，冬小麥產(chǎn)量較對(duì)照組降低了29.23%，大豆則比對(duì)照組下降了41.57%，與CK相比，大豆產(chǎn)量下降更為明顯。上述研究表明，臭氧污染對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有顯著影響，且大豆對(duì)O3的反應(yīng)比冬小麥敏感。

臭氧濃度；冬小麥；大豆；生長(zhǎng)；產(chǎn)量

臭氧(O3)是重要的溫室氣體之一，隨著各國(guó)化石燃料的大量使用，全球O3前體物質(zhì)(NOx、CH4、CO和VOCs等)的排放量日益增加，平均O3濃度不斷升高，其中北半球中緯度地區(qū)的O3濃度每年增加0.5%～2%[1]。在全球O3濃度不斷升高的背景下，我國(guó)近地層O3濃度增加趨勢(shì)也很明顯，并形成了長(zhǎng)三角、珠三角、黃河流域和四川盆地等幾大臭氧高值區(qū)[2-3]，由于大氣的長(zhǎng)距離輸送，臭氧濃度的最大值分布區(qū)通常在農(nóng)村和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，而不是出現(xiàn)在城市區(qū)域[4]。

有研究表明，全球每年由于臭氧濃度增加對(duì)作物影響帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)110～180億美元[5-6]，若不采取有效的措施，預(yù)計(jì)到2030年，小麥產(chǎn)量將下降10.6%～15.6%，玉米將下降4.5%～6.3%，大豆將下降12.1%～16.4%，每年的經(jīng)濟(jì)損失將高達(dá)120～350億美元[7]，將嚴(yán)重影響全球的糧食安全。李彩虹等[8]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度臭氧對(duì)大豆的單株干物質(zhì)量、有效結(jié)莢數(shù)、籽粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量都有所降低，其中產(chǎn)量降低了47%；耿春梅等[9]在北京和廣東東莞建立開(kāi)頂式氣室(OTC)系統(tǒng)，開(kāi)展大氣O3對(duì)大田冬小麥和水稻的影響研究。研究發(fā)現(xiàn)，東莞水稻相對(duì)產(chǎn)量損失為2.70%，北京冬小麥的相對(duì)產(chǎn)量損失為12.85%；佟磊等[10]對(duì)我國(guó)南北5個(gè)地區(qū)(北京、定興、江都、嘉興、東莞)水稻和冬小麥的O3敏感性進(jìn)行了比較分析。研究發(fā)現(xiàn)水稻和冬小麥的產(chǎn)量均隨O3劑量的增加而降低，而且冬小麥的減產(chǎn)程度高于水稻。本文以冬小麥和大豆為研究對(duì)象，基于大田OTC臭氧熏氣實(shí)驗(yàn)，從株高、葉面積、生物量和產(chǎn)量4個(gè)方面揭示臭氧脅迫對(duì)冬小麥和大豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，并探究其敏感性，這不僅可以為種植區(qū)大氣污染物的環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供參考，也可為制定防御臭氧對(duì)農(nóng)作物傷害的對(duì)策提供科學(xué)依據(jù)，以服務(wù)于我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和材料

本次實(shí)驗(yàn)于2014年11月—2015年11月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)地海拔約為22 m，年平均溫度為15.3 ℃，年均降水總量為1 106.5 mm。供試土壤類型為黃棕壤，土質(zhì)細(xì)膩均勻，肥力中等，pH為7.37，其中0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量為10.35 g·kg-1，TN(總氮)為0.55 g·kg-1，TP(總磷)為0.47 g·kg-1，TK(總鉀)為0.21 g·kg-1，速效磷含量為4.46 mg·kg-1，速效鉀含量為59.38 mg·kg-1。

供試作物為當(dāng)?shù)刂髟云贩N冬小麥(揚(yáng)麥13)和大豆(八月黃)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田長(zhǎng)約40 m，寬約20 m。冬小麥于2014年11月4日采用條播的播種方式，2015年3月22日開(kāi)始進(jìn)行臭氧熏氣處理，5月22日停止熏氣。大豆于2015年7月8日采用穴播的播種方式，7月30日開(kāi)始進(jìn)行臭氧熏氣處理，10月20日停止熏氣。日熏氣時(shí)間都為9:00—17:00，每天一共熏蒸8 h，雨天停止熏氣。

實(shí)驗(yàn)中所用的OTC是根據(jù)王春乙所設(shè)計(jì)的OTC-1[11]改進(jìn)而成的。整個(gè)臭氧熏氣系統(tǒng)主要由開(kāi)頂式氣室、通風(fēng)系統(tǒng)、臭氧發(fā)生和濃度控制系統(tǒng)組成。開(kāi)頂式氣室由圓形不銹鋼框架組裝而成，高1.9 m，底外切圓直徑為2 m，頂端為傾角45°的收縮口，收縮口高為0.26 m，氣室外部采用聚乙烯塑料薄膜包裹。氣室內(nèi)布?xì)庀到y(tǒng)用與垂直主供氣管相連接的8根水平布?xì)夤埽扛芟聜?cè)面氣孔平均分布，氣孔與水平面呈45°夾角，布?xì)庋b置的高度可以根據(jù)冬小麥高度來(lái)調(diào)節(jié)，以便曝氣更加均勻。臭氧發(fā)生器為南京盟博環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的MB-H-Y10型臭氧發(fā)生器，通過(guò)電解水產(chǎn)生臭氧，生成的臭氧借助軸流式風(fēng)機(jī)通過(guò)硅膠管和布?xì)獗P均勻的吹送到作物冠層，通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)對(duì)氣室內(nèi)臭氧濃度進(jìn)行控制。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)均在6個(gè)完全相同的開(kāi)頂式氣室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)水平處理組：CK(自然大氣，臭氧濃度約在50 nL·L-1左右)、T100(調(diào)節(jié)臭氧濃度在(100±8) nL·L-1左右)、T150(調(diào)節(jié)臭氧濃度在(150±11) nL·L-1左右)，每個(gè)水平設(shè)置2個(gè)重復(fù)。

1.3 生長(zhǎng)指標(biāo)和產(chǎn)量的測(cè)定

冬小麥和大豆生育期及生長(zhǎng)指標(biāo)的觀測(cè)方法均按照國(guó)家氣象局(1993)的《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》進(jìn)行。

株高：從冬小麥和大豆出苗開(kāi)始，每處理組采用對(duì)角線法定5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，定株連續(xù)觀測(cè)株高。

葉面積：用Li-3000C葉面積儀測(cè)定每株作物的葉面積。

干物質(zhì)累積：將作物分別按根、莖、葉、穗、莢等各個(gè)器官進(jìn)行分類，稱量其各自的鮮重，接著分別裝入樣本袋內(nèi)，放置于恒溫干燥箱中100～105 ℃下殺青1 h，并在75 ℃下干燥12 h后進(jìn)行第一次稱重，之后每小時(shí)稱重一次，當(dāng)樣本前后2次的重量差≤5‰時(shí)，不再烘烤，然后取出測(cè)定各器官干重。

產(chǎn)量：作物人工收獲前統(tǒng)計(jì)各氣室單位面積內(nèi)冬小麥和大豆的株數(shù)和穗(莢)數(shù)。人工收獲后，每個(gè)氣室選取50株，烘干，稱重。其中：

穗粒數(shù)=樣本穗粒數(shù)之和/樣本穗數(shù)

空秕率=秕谷粒數(shù)/穗粒數(shù)×100%

理論產(chǎn)量=穗粒數(shù)×千粒重×每平方米有效莖數(shù)/1000

1.4 AOT40的計(jì)算

AOT40反映的是高濃度O3在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)農(nóng)作物造成傷害的積累效應(yīng)，其定義的O3對(duì)作物產(chǎn)生的傷害的濃度閾值為40 nL·L-1。

AOT40的計(jì)算公式如下：

圖1、圖2分別為冬小麥和大豆生長(zhǎng)期間對(duì)照組的AOT40的日累計(jì)值(AOT40day)和連續(xù)累積值(AOT40)的變化情況。從圖中可以看出，AOT40day在冬小麥和大豆生長(zhǎng)期間波動(dòng)都較大，最小值都為0 nL·L-1·h，冬小麥AOT40day最大值為676.23 nL·L-1·h，大豆AOT40day最大值為825.73 nL·L-1·h。至冬小麥成熟時(shí)，AOT40為15.08 μL·L-1·h；大豆成熟時(shí)，AOT40為21.17 μL·L-1·h。

圖1 冬小麥生長(zhǎng)季期間AOT40day和AOT40的變化Fig. 1 Change of AOT40day and AOT40 during winter wheat growing season

圖2 大豆生長(zhǎng)季期間AOT40day和AOT40的變化Fig. 2 Change of AOT40day and AOT40 during soybean growing season

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 臭氧脅迫對(duì)冬小麥和大豆株高影響的對(duì)比

由圖3可知，冬小麥和大豆的株高在不同濃度的O3處理下，在整個(gè)生育期內(nèi)均呈現(xiàn)出單峰型變化趨勢(shì)，臭氧濃度增加對(duì)冬小麥和大豆的增長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，其中對(duì)大豆的影響更大。

冬小麥的OTC試驗(yàn)中，在O3通氣處理的前期，3個(gè)處理組間的差異并不十分明顯(P>0.05)，但到了中后期，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下冬小麥株高明顯低于CK(P<0.05)，3個(gè)處理組間的差異變得明顯(P<0.05)，到了成熟期，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下冬小麥株高分別比CK降低了4.09%和5.49%，整個(gè)生長(zhǎng)季的總平均降幅分別達(dá)到2.51%和4.95%，最大降幅出現(xiàn)在灌漿期，分別降低了5.41%和8.20%。大豆試驗(yàn)中，在分枝期，3個(gè)處理組間差異并不十分明顯(P>0.05)，但從開(kāi)花期開(kāi)始，O3對(duì)于大豆的影響差異明顯，O3處理的大豆株高明顯低于CK(P<0.05)，至成熟期時(shí)，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下大豆株高分別比CK降低了5.30%和9.53%，整個(gè)生長(zhǎng)季的總平均降幅分別達(dá)到了4.45%和8.90%，其中揚(yáng)花期降幅最大，分別降低了6.07%和13.02%。

2.2 臭氧脅迫對(duì)冬小麥和大豆葉面積影響的對(duì)比

葉面積作為作物產(chǎn)量的一個(gè)表現(xiàn)形式，其大小關(guān)系著葉片光合作用的效率。由圖4可知，冬小麥和大豆葉面積在整個(gè)生育期內(nèi)變化趨勢(shì)幾乎是一致的，都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。在冬小麥試驗(yàn)中，揚(yáng)花期葉面積達(dá)到最大，而在100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下冬小麥葉面積分別只有CK的93.16%和85.25%，3個(gè)處理組之間差異明顯(P<0.05)，灌漿期葉面積下降更多，分別只有CK的86.06%和77.67%，差異明顯(P<0.05)，同時(shí)通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，臭氧處理后的冬小麥除了出現(xiàn)葉面積減小之外，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下的冬小麥葉片在五月初就大部分發(fā)黃，而此時(shí)CK還大都為綠色。大豆試驗(yàn)中，在結(jié)莢期葉面積均達(dá)到最大，縱觀整個(gè)生育期，與CK相比，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理組的葉面積分別在結(jié)莢期和開(kāi)花期降低最大，只有CK的88.07%和76.17%，而在成熟期分別只有CK的84.80%和77.15%。通過(guò)觀測(cè)還發(fā)現(xiàn)，在高濃度臭氧處理下的大豆葉面積會(huì)縮小，葉片會(huì)提前衰老，黃葉率會(huì)增加，進(jìn)而嚴(yán)重影響了作物的生產(chǎn)和積累。

圖3 不同O3濃度處理對(duì)冬小麥和大豆株高的影響Fig. 3 Impact of different ozone concentration on plant height of winter wheat and soybean

圖4 不同O3濃度處理對(duì)冬小麥和大豆葉面積的影響Fig. 4 Impact of different ozone concentration on leaf area of winter wheat and soybean

2.3 臭氧脅迫對(duì)冬小麥和大豆生物量影響的對(duì)比

圖5展現(xiàn)了臭氧脅迫對(duì)冬小麥和大豆生物量的影響?？梢钥闯?，3個(gè)處理組下冬小麥生物量隨著生育期進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸增加，而大豆則呈現(xiàn)出單峰型變化過(guò)程，臭氧濃度增加對(duì)冬小麥和大豆生物量積累均有著明顯的影響。

冬小麥試驗(yàn)中，除了拔節(jié)期之外，100 nL·L-1處理組與CK均差異明顯(P<0.05)，而150 nL·L-1處理組在生育前期就與CK存在差異，從整個(gè)生育期來(lái)看，在孕穗期和揚(yáng)花期，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理組與CK相比差異較大，在成熟期，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下冬小麥生物量分別比CK降低了4.74%和9.67%。大豆試驗(yàn)中，臭氧對(duì)于大豆生物量的影響差異從分枝期開(kāi)始就很明顯，在各個(gè)生育期100 nL·L-1處理組分別比CK降低了19.24%、14.07%、14.45%、18.77%和16.98%，150 nL·L-1處理組大豆生物量分別比CK降低了33.57%、26.87%、35.05%、30.10%和26.14%，在分枝期和結(jié)莢期降幅達(dá)到最大值。

圖5 不同O3濃度處理對(duì)冬小麥和大豆生物量的影響Fig. 5 Impact of different ozone concentration on biomass of winter wheat and soybean

表1 不同O3濃度處理下冬小麥的產(chǎn)量Table 1 The yield of winter wheat under different O3 concentration

表2 不同O3濃度處理下大豆的產(chǎn)量Table 2 The yield of soybean under different O3 concentration

2.4 臭氧脅迫對(duì)冬小麥和大豆產(chǎn)量影響的對(duì)比

表1和表2分別為不同O3處理下對(duì)冬小麥和大豆產(chǎn)量的對(duì)比。在100 nL·L-1處理下，冬小麥產(chǎn)量較CK降低了12.89%，150 nL·L-1處理下，冬小麥產(chǎn)量較CK降低了29.23%。高濃度O3處理會(huì)對(duì)冬小麥穗重、穗粒數(shù)都產(chǎn)生了不利影響，都隨濃度的增加而程度增大。穗重和穗粒數(shù)在100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下比CK下降了10.77%、24.25%和7.19%、15.43%。而冬小麥千穗重沒(méi)有明顯呈現(xiàn)變化。相較于CK，100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下，大豆產(chǎn)量分別下降了23.76%(P<0.05)和41.57%(P<0.05)，差異顯著。100 nL·L-1和150 nL·L-1處理下，單株莢數(shù)和單株粒數(shù)分別下降了20.99%、36.11%和26.11%、38.38%。單株粒重下降了23.76%和41.57%。100 nL·L-1處理組下，大豆百粒重變化不明顯，而在150 nL·L-1的處理下下降了19.99%。由此可見(jiàn)，O3濃度的增加對(duì)冬小麥和大豆的產(chǎn)量都會(huì)造成影響，其中對(duì)大豆的影響更為明顯。

3 討論(Discussion)

國(guó)內(nèi)外研究表明，在長(zhǎng)時(shí)間高濃度O3暴露下，大多數(shù)農(nóng)作物葉片的光合作用都會(huì)受到嚴(yán)重的抑制，從而使生物量和產(chǎn)量降低[12-15]。在本文的研究中，地表O3濃度升高對(duì)冬小麥和大豆的株高、葉面積以及生物量都造成了不同程度的影響。與CK相比，在O3熏氣初期對(duì)2種作物的株高影響并不十分明顯，但是在熏氣的中后期，隨著O3熏氣時(shí)間的延長(zhǎng)，節(jié)間分化使得伸長(zhǎng)得到抑制，從而導(dǎo)致了植株變矮，這與國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者的研究結(jié)果一致[16-17]。O3濃度增加還會(huì)加速葉片老化，減少了光合作用的葉面積，降低了凈同化速率，從而影響了作物的生物量。葉片是作物進(jìn)行光合作用的主要器官，葉面積的下降不僅會(huì)影響作物的光合面積，還會(huì)使光合時(shí)間縮短。姚芳芳等[17]和劉宏舉等[18]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥在O3熏氣下，旗葉葉面積將會(huì)下降，分蘗數(shù)顯著降低，黃葉率增多。白月明等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冬小麥在100 nL·L-1處理下，雖然會(huì)使春生分蘗數(shù)量增加，但是，隨著熏氣時(shí)間的增加會(huì)使大部分新生分蘗死亡，進(jìn)而導(dǎo)致拔節(jié)之后的冬小麥葉片數(shù)下降；王春乙等[19]研究表明高濃度O3脅迫下的冬小麥春生蘗及嫩葉對(duì)O3反應(yīng)比較敏感，高濃度O3的熏蒸下，小麥的葉片會(huì)迅速褪綠、黃化、干枯，莖的死亡率也大幅上升，本文的研究結(jié)果與之類似。在本文的研究結(jié)果表明，相較于相同O3濃度處理下的冬小麥，大豆的綠葉數(shù)、綠葉面積對(duì)比CK下降的百分率要更高，這是因?yàn)橛土献魑锉燃Z食作物更為敏感。同時(shí)，冬小麥的葉面積在揚(yáng)花期達(dá)到最大，大豆則在結(jié)莢期達(dá)到最大，此時(shí)為作物光合能力最強(qiáng)的時(shí)期，縱觀整個(gè)生育期，大豆葉面積下降的幅度都比冬小麥大，可見(jiàn)大豆對(duì)O3更為敏感。

干物質(zhì)累積是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，O3熏氣下有較多的生物量分配到莖和葉，導(dǎo)致穗重、穗粒數(shù)和單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重的下降，這可能是因?yàn)樵诟晌镔|(zhì)形成的重要時(shí)期，即作物生育期中期(灌漿期-成熟期和結(jié)莢期-鼓粒期)，高濃度的O3加速了作物葉片的老化，導(dǎo)致光合產(chǎn)物不能及時(shí)輸出，從而抑制了新光合產(chǎn)物的形成[20]。本文在100 nL·L-1和150 nL·L-1臭氧熏氣下，冬小麥成熟期總干重相對(duì)于CK分別下降了4.74%和9.67%，大豆則下降了16.98%和26.14%，可以看出，高濃度O3脅迫下大豆生物量下降比冬小麥更為明顯。而馮兆忠等[21]研究則表明，高濃度臭氧并沒(méi)有引起小麥生物量發(fā)生明顯的變化。這可能是因?yàn)榇蠖固厥獾墓痰饔?。大豆根部有根瘤菌共生，根瘤菌可以將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為銨鹽來(lái)為大豆提供氮元素，促進(jìn)各器官的生長(zhǎng)。臭氧熏氣會(huì)導(dǎo)致大豆氮供應(yīng)不足，從而抑制大豆的生長(zhǎng)，加劇了3個(gè)處理組間生物量的差異[22]。本文研究結(jié)果與之類似，在高濃度O3脅迫下，冬小麥的穗重、穗粒數(shù)都隨著O3濃度的增高而下降，但是千粒重沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的變化。100 nL·L-1下O3對(duì)大豆的百粒重影響不顯著，150 nL·L-1下有明顯的下降，而單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重在100 nL·L-1和150 nL·L-1下下降明顯，與金東艷等[23]研究結(jié)果類似。而且相較于冬小麥，高濃度O3脅迫下大豆產(chǎn)量下降更為明顯，可見(jiàn)，大豆對(duì)高濃度臭氧的響應(yīng)更為敏感。

綜上：(1)O3濃度增加對(duì)冬小麥和大豆的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均具有明顯的抑制作用，而且隨著O3熏氣濃度的升高和熏氣時(shí)間的持續(xù)而加重，從而使得作物的株高、葉面積和生物量降低。這表明O3的強(qiáng)氧化性對(duì)冬小麥和大豆的物理傷害是迅速而且是可累積的。并且臭氧脅迫對(duì)大豆的傷害比對(duì)冬小麥的傷害更加嚴(yán)重。

(2)O3濃度增加使得冬小麥的穗重、穗粒數(shù)以及大豆的單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重都呈現(xiàn)出大幅度的下降狀態(tài)，從而導(dǎo)致其產(chǎn)量降低。100 nL·L-1臭氧熏氣下均會(huì)對(duì)冬小麥和大豆的產(chǎn)量造成影響，其中對(duì)大豆的影響比較大。而150 nL·L-1臭氧熏氣下，2種作物降幅更大，尤其是大豆的降幅更為顯著。

(3)綜合以上分析可知，大豆對(duì)臭氧的敏感性要高于冬小麥。

[1] Vingarzan R. A review of surface ozone background levels and trends [J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(21): 3431-3442

[2] Luo C, John J C S, Zhou X, et al. A nonurban ozone air pollution episode over Eastern China: Observations and model simulations [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2000, 105(D2): 1889-1908

[3] Elliot S, Blake D R, Duce R A, et al. Motorization of China implies changes in Pacific air chemistry and primary production [J]. Geophysical Research Letters, 1997, 24(21): 2671-2674

[4] Wang X K, Manning W, Feng Z W, et al. Ground-level ozone in China: Distribution and effects on crop yields [J]. Environmental Pollution (Barking, Essex: 1987), 2007, 147(2): 394-400

[5] Ashmore M, Toet S, Emberson L. Ozone—A significant threat to future world food production? [J]. New Phytologist, 2006, 170(2): 201-204

[6] Avnery S, Mauzerall D L, Liu J, et al. Global crop yield reductions due to surface ozone exposure: 1. Year 2000 crop production losses and economic damage [J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(13): 2284-2296

[7] Avnery S, Mauzerall D L, Liu J, et al. Global crop yield reductions due to surface ozone exposure: 2. Year 2030 potential crop production losses and economic damage under two scenarios of O3pollution [J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(13): 2297-2309

[8] 李彩虹, 李勇, 烏云塔娜, 等. 高濃度臭氧對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(9): 2347-2352

Li C H, Li Y, Wuyun T N, et al. Effects of high concentration ozone on soybean growth and grain yield [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(9): 2347-2352 (in Chinese)

[9] 耿春梅, 王宗爽, 任麗紅, 等. 大氣臭氧濃度升高對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014, 27(3): 239-241

Geng C M, Wang Z S, Ren L H, et al. Study on the impact of elevated atmospheric ozone on crop yield [J]. Research of Environmental Sciences,2014, 27(3): 239-241 (in Chinese)

[10] 佟磊, 王效科, 肖航, 等. 我國(guó)近地層臭氧污染對(duì)水稻和冬小麥產(chǎn)量的影響概述[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2015, 10(3): 161-169

Tong L, Wang X K, Xiao H, et al. The effects of surface ozone on the yields of rice and winter wheat in China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(3): 161-169 (in Chinese)

[11] 王春乙. OTC—1型開(kāi)頂式氣室的結(jié)構(gòu)和性能與國(guó)內(nèi)外同類氣室的比較[J]. 環(huán)境科學(xué)進(jìn)展, 1996, 4(1): 50-57

Wang C Y. The structure and function comparison between OTC-1 open top chamber with the similar one in home and overseas[J]. Advances in Environmental Science, 1996, 4(1): 50-57 (in Chinese)

[12] Bender J, Weigel H J, Wegner U, et al. Response of cellular antioxidants to ozone in wheat flag leaves at different stages of plant development [J]. Environmental Pollution (Barking, Essex: 1987), 1994, 84(1): 15-21

[13] Fuhrer J, Sk?rby L, Ashmore M R. Critical levels for ozone effects on vegetation in Europe [J]. Environmental Pollution, 1997, 97(1-2): 91-106

[14] 白月明, 霍治國(guó), 王春乙, 等. 臭氧濃度增加對(duì)冬小麥葉片影響的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2001, 22(4): 22-27

Bai Y M, Huo Z G, Wang C Y, et al.The experimental study on influence of increasing O3concentration on winter wheat leaf [J]. Agricultural Meteorology, 2001, 22(4): 22-27 (in Chinese)

[15] 鄭有飛, 劉瑞娜, 吳榮軍, 等. 地表臭氧脅迫對(duì)大豆干物質(zhì)生產(chǎn)和分配的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2011, 32(1): 73-80

Zheng Y F, Liu R N,Wu R J, et al. Impacts of surface ozone exposure on dry matter production and distribution of soybean [J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2011, 32(1): 73-80 (in Chinese)

[16] 王春乙, 郭建平, 白月明, 等. O3濃度增加對(duì)冬小麥影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 氣象學(xué)報(bào), 2002, 60(2): 238-241

Wang C Y, Guo J P, Bai Y M, et al. Experimental study of impacts by increasing ozone concentration on winter wheat [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2002, 60(2): 238-241 (in Chinese)

[17] 姚芳芳, 王效科, 陳展, 等. 農(nóng)田冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量對(duì)臭氧動(dòng)態(tài)暴露的響應(yīng)[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 32(1): 212-219

Yao F F, Wang X K, Chen Z, et al. Response of photosynthesis, growth and yield of field-grown winter wheat to ozone exposure [J]. Journal of Plant Ecology, 2008, 32(1): 212-219 (in Chinese)

[18] 劉宏舉, 鄭有飛, 吳榮軍, 等. 地表臭氧濃度增加對(duì)南京地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2009, 30(2): 195-200

Liu H J, Zheng Y F, Wu R J, et al. Impacts of increasing surface ozone on growth and yield of winter wheat in Nanjing Area [J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2009, 30(2): 195-200 (in Chinese)

[19] 王春乙, 白月明. 臭氧和氣溶膠濃度變化對(duì)農(nóng)作物的影響研究[M]. 北京: 氣象出版社, 2007: 47

[20] Meyer U, Kollner B, Willenbrink J, et al. Effects of different ozone exposure regimes on photosynthesis, assimilates and thousand grain weight in spring wheat [J]. Agriculture, 2000, 78(1): 49-55

[21] 馮兆忠, 小林和彥, 王效科, 等. 小麥產(chǎn)量形成對(duì)大氣臭氧濃度升高響應(yīng)的整合分析[J]. 科學(xué)通報(bào), 2008, 52(24): 3080-3085

[22] 鄭有飛, 吳榮軍. 地表臭氧變化特征及其作物響應(yīng)[M]. 北京: 氣象出版社, 2012: 48

[23] 金東艷, 趙天宏, 付宇, 等. 臭氧濃度升高對(duì)大豆光合作用及產(chǎn)量的影響[J]. 大豆科學(xué), 2009, 28(4): 632-635

Jin D Y, Zhao T H, Fu Y, et al. Effects of elevated ozone concentration on soybean photosynthesis and yield [J]. Soybean Science, 2009, 28(4): 632-635 (in Chinese)

◆

Impact of Elevated Ozone Concentration on Growth and Yield of Winter Wheat and Soybean

Cao Jiachen1,2, Zheng Youfei1,3,*, Zhao Hui3, Xu Jingxin3

1. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China2. School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China3. School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

14 October 2016 accepted 30 December 2016

Surface ozone pollution has been rapidly increasing in China, and its increasing concentration could seriously affect the growth of crops. This paper regards winter wheat and soybean as the research object, based on the Open Top Chamber (OTC) systems. The winter wheat and soybean are exposed to unfiltered air (CK), increased O3concentration (100 nL·L-1O3) and increased O3concentration (150 nL·L-1O3). It is expected to obtain the data including crop growth index and yield by continuous observation. The results show that the increase of O3concentration had an effect on the plant height, leaf area and biomass of winter wheat and soybean, and the effect on soybean is more apparent. Meanwhile, the increase of O3concentration resulted in a significant decrease of panicle weight, grain number per spike of winter wheat, and the number of pods per plant, grain number per plant and grain weight per plant of soybean. The yield of winter wheat was 12.89% lower than that of CK and the yield of soybean decreased by 23.76% under 100 nL·L-1ozone treatment. Under 150 nL·L-1ozone treatment, the yield of winter wheat was 29.23% lower than that of the control, while that of soybean was 41.57% lower than that of the control. Compared with CK, the yield of soybean decreased more obviously. The above studies show that ozone pollution has a significant impact on the growth of crops, and the response of soybean to O3concentration is more sensitive than that of winter wheat.

ozone concentration; winter wheat; soybean; growth; yield

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41475108，41575110)

曹嘉晨(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境，E-mail: joyceatobe@qq.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: zhengyf@nuist.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20161014001

2016-10-14 錄用日期：2016-12-30

1673-5897(2017)2-129-08

X171.5

A

鄭有飛(1959-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事農(nóng)作物的逆境生理生態(tài)效應(yīng)與農(nóng)業(yè)氣象研究。

曹嘉晨, 鄭有飛, 趙輝, 等. 地表臭氧濃度升高對(duì)冬小麥和大豆生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2017, 12(2): 129-136

Cao J C, Zheng Y F, Zhao H, et al. Impact of elevated ozone concentration on growth and yield of winter wheat and soybean [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2017, 12(2): 129-136 (in Chinese)