臭氧污染协迫下对农作物生长及产量影响的研究进展

生态环境2003,12(4):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（40201050）作者简介：金明红（1974–），男，博士，研究方向为农业生态环境，现在中国标准研究中心工作。E-mail:[e-mail]*联系人，Email:[e-mail]收稿日期：2003-05-26臭氧污染胁迫对农作物生长与产量的影响金明红，黄益宗*中国科学院生态环境研究中心，北京100085摘要：对国内外近地层大气的臭氧污染现状进行讨论，综述臭氧对农作物生长的影响。作物受O3伤害最典型的症状为叶片上散布棕色或黄褐色的细密点状斑、坏死斑。在O3的胁迫下，作物呼吸作用增强，光合作用受抑制。O3对叶片膜保护系统、气孔开度、氮代谢、糖类、脂类和其它物质的代谢也有影响。O3对农作物产生危害的同时，也往往导致农作物产量下降。关键词：臭氧；农作物；生长；产量；影响中图分类号：X503.231文献标识码：A文章编号：1672-2175（2003）04-0482-05臭氧（O3）是由3个氧原子组成的高活性、无色气体。熔点为-193℃，沸点为-112℃，有特殊的刺鼻臭味，可溶于冷水和缄碱液，是强氧化剂。O3在大气的平流层和对流层扮演着十分重要而又截然不同的角色。在地表15~50km范围内的平流层，O3可以吸收太阳的高能紫外辐射，从而保护地球上的生命免受紫外线的危害，充当了地球的保护伞。可是近30年来，由于氟里昂（CFCs）所引起的平流层O3耗竭及O3空洞已成为全球性的环境问题。另一方面，在海平面至距离地面15km范围内的对流层，特别是距地面1~2km的近地层O3体积分数的增加，却是对地球上的生命包括人类、动物、植物和微生物等产生危害的气体污染物。上世纪中叶以来，由于人口的剧增，工业和能源的迅猛发展，人类活动产生的大气污染物增多，近地层O3体积分数日益增加，且污染范围越来越大。近地层O3作为最重要大气污染物之一，已成为当今世界研究者及公众密切关注的重要问题。本文对近年来国内外有关臭氧与作物的影响进行综述，为保护植物、提高农作物产量提供科学依据。1近地层大气中O3的污染现状对流层大气中的O3不是直接被排放入大气中，它是次级污染或传输污染物。其主要来源有两个：对流层上层O3主要来源于平流层O3的侵入，臭氧分子流量平均约为1.0×1011个/(cm2·s)，侵入总量约占对流层O3总量的20%[1]；对流层中下层的O3主要由光化学反应产生，在太阳光照射和氮氧化物（NOx）存在的情况下，有机挥发物（VOCs）和一氧化碳（CO）被光化学氧化而产生O3。近几十年来，由于大量使用化石燃料、含N化肥，大气中NOx、VOCs体积分数剧增，同时大气中O3体积分数也不断增加，导致O3污染事件的频度增加且持续时间延长。长期观测表明，北半球对流层O3体积分数每年上升1%~2%。全世界许多城市大气中O3体积分数可超过背景体积分数10倍以上，最大小时体积分数达200~400nl/L[2]。由于含N化合物、VOCs的长距离传输，地区性O3污染在夏日高压气候下，可扩散几千公里，导致区域性O3污染事件发生，广阔的农业区、森林及边远地区的O3体积分数可超过植物伤害阈值，对全球生态系统产生严重危害。McCurdy[3]对美国35个州的乡村和边远地区的86个点进行O3监测，发现日最大8h（8-hdailymax）O3体积分数平均大于80nl/L的天数为21.1d/a，最大3个月的日最大8h平均（max3-monthmeanofthe8-hdailymax）为54nl/L；对331个都市的观测结果表明，最大3个月的日最大8h平均为56nl/L，与非城市相比差异不大，但日小时体积分数极值比非城市地区大很多。Deleeuw[4]在荷兰（非城市地区）观测，发现植物生长季节（5~9月）内O3体积分数的日7h（10:00~17:00）平均为39~47nl/L-1，大多数年份的平均值为40nl/L左右。在我国，由于经济快速发展，土地利用方式发生前所未有的变化，近年来NOx和VOCs的人为排放量显著增加，尤其是近11年来NOx和VOCs的人为排放量翻了一番，已和美国、欧洲同处一个数量级。我国NOx人为排放量（以N计算）约为0.3~1.1kg/(km2·d)，而欧洲为1.5~3.5kg/(km2·d)[5]。我国人为NOx排放主要集中在东部、东南部海岸[6,7]。考虑到以上因素，对我国中心城市的高O3体积分数也就不足为怪。同时，由于长距离传输，非城市地区O3污染也日益严重。2O3对农作物影响的研究方法O3对农作物的急性影响的研究，可利用作物的金明红等：臭氧污染胁迫对农作物生长与产量的影响483表现生物学指标来判断。慢性影响的研究方法主要有3种：控制环境研究法；田间暴露法；自然大气条件下田间小区法[8]。后者是一种在开放的田间里研究O3对农作物的生长和产量影响的理想方法，常利用天然体积分数梯度和化学防护剂等进行研究，如利用抗氧化剂亚乙基二脲（EDU）监测O3对作物的影响。环境和气室内O3体积分数利用自动监测仪观测。现在最常见的O3监测仪是使用化学发光（Chemiluminescence）或紫外测光（UV-Photometry）原理。O3一般由电弧型O3发生器或紫外O3发生器生成。发生器使用O2或干压缩空气生成O3。发生器在使用压缩空气时可能会产生少量的污染气体如N2O5、N2O气体。N2O5易迅速水解为HNO3水汽，沉降在受试作物叶面，从而对作物的生长产生影响，可能干扰O3对作物影响的实验[9]。因此，使用纯O2作为O3发生器的原料气体是理想选择。开顶式气室（OTCs）被广泛地应用于大气污染物对农作物的研究，在气室中利用盆载或直接播种各种农作物，进行熏气试验。OTCs一般为圆柱或正八边形，高2.4m，直径3m，铝合金或槽铁为框架，以环聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯、聚四氟乙烯塑料薄膜和透明玻璃瓦等为室壁。OTCs由框架、室壁、通风管道、风机、过滤器及发生监控系统组成，具体结构可参考文献[10]。1980年美国农业部和环境保护局创建了全国农作物损失评价网（TheNationalCropLossAs-sessmentNetwork，NCLAN），在全美范围利用农田OTCs，使用标准的试验方案研究O3对农作物（大麦、棉花、马铃薯、小麦、玉米、莴苣、花生、菜豆、大豆、芜箐、高粱、烟草）生长和产量的影响[11]。每天通气7h或12h，O3体积分数处理为5~6个，分别为过滤空气（控制）、环境空气、环境空气+O3（加入的O3量随环境空气中O3体积分数变化而变化）。通气持续时间随作物不同而不同，典型的是从起身期（standestablishment）到成熟收获（21~126d，平均78d）。用7h（9：00~16：00）季节平均O3体积分数和作物产量来建立暴露-响应关系。随后，欧洲和其他国家如日本、巴基斯坦等也按照NCLAN的基本方法和试验设计研究O3对农作物的损失影响[12~14]。中国气象科学院于1992年设计并建造了一套农田开顶式气室。王春乙等[15]已利用此气室进行CO2体积分数增加对农作物影响的研究。3O3对作物的影响O3从作物生化、微观结构到生理功能、生长发育以及生态系统的层次上对农作物产生一系列有害的影响。3.1O3对农作物的伤害症状作物受到O3急性伤害后出现的初始典型症状为叶片上散布细密点状斑，几乎是均匀地分布在整个叶片上，并且其形状、大小也较规则、一致。颜色呈棕色或黄褐色，可分为“点斑”和“雀斑”，前者是当细胞崩溃时伴随产生暗色色素，后者则无暗色色素产生。一般认为O3对于作物叶片形态解剖的影响首先是危害栅栏组织，使细胞质壁分离，细胞内含物受到破坏且分散。如果继续暴露在O3环境中，叶片上表皮的坏死斑点变大，互相融合，最后伤害到海绵组织，形成两面坏死斑。在较高体积分数的O3暴露下，冬小麦、水稻、油菜和菠菜的叶片出现典型的可见伤害症状，如褪绿、棕或黄褐色斑点（块）、坏死斑、失水萎缩等。冬小麦叶片可见伤害症状分为褪绿型、褐斑型和坏死型3种，水稻叶片的可见伤害症状可分为褪绿型、褐斑型和水锈型。受害作物脱离O3污染环境后，小麦黄化叶片可以恢复，水稻锈斑叶片也能有所恢复。O3不仅伤害叶片，对穗和茎也有伤害，表现出麦芒间断性干枯，穗下部暴露茎秆部分变枯穿透[16,17]。Nouchi[18]的研究结果表明，在100nl/L、50nl/L体积分数的O3下暴露4d和12d，水稻叶片就出现典型的伤害症状，最老叶叶脉边出现红褐色小斑点，35d后受伤害叶的百分比可达72%和48%。100nl/LO3处理导致水稻的总叶片数减少，而50nl/L无明显影响。O3对不同作物的伤害差异很大。当空气中O3体积分数达到50~120nl/L时，就可使敏感植物受害。O3的多次短期间断暴露比在总时间相等、O3体积分数也相同的连续暴露对作物更有害。3.2O3对作物光合作用和呼吸作用的影响高体积分数、短时间熏气试验发现O3对作物光合作用产生抑制效应的体积分数阈值，从100nl/L（MedicagoSativa）到500nl/L（Pinusstrobus）。但是较长时间熏气（21d，共147~180h的间歇熏气）结果表明，当O3体积分数仅为35~45nl/L时，农作物光合作用反应就受到抑制[19]。相对于草本植物，树木光合作用只有在更高体积分数或更长熏气时间下才产生抑制作用，如Pinuselliotii需50nl/LO3熏气126d；Pinusstrobus需150nlL19d。O3对新展开叶子的光合作用抑制作用大于成熟叶[20]。O3通过多种途径影响作物的光合作用。首先，气孔反应对光合作用有着重要的作用，大量研究表明，气孔关闭是O3引起光合作用下降的原因[21]。O3对气孔开度的影响，必然会引起气体交换速率发484生态环境第12卷第4期（2003年11月）生改变，尤其是O3引起气孔关闭，限制了CO2进入作物叶内，减少了光合作用对CO2的吸收，使光合速率受到影响。其次，O3可破坏光合组织，减少光合色素。作物经O3处理后叶片中的叶绿素a、b含量和α、β胡萝卜素含量下降；叶绿素a、b之间的比例以及叶绿素与胡萝卜素之间的比例均有变化；叶肉组织收缩；叶绿体数目减少且模糊变形，叶绿体显微结构发生变化，基质暗色化；类囊体膜膨胀，直至被破坏[22]。在电子传递水平上，O3使光合系统II反应中心D-1蛋白的合成和分解作用均加快。叶绿素荧光测定表明，光合系统II的电子传递受到抑制，光合作用的电子传递速率降低[23]。O3降低光合作用的另一途径是抑制己糖磷酸还原过程，使RuBPCO酶蛋白含量及活性都降低，降低RuBP羧化[24]。在分子水平上光合基因表达受到抑制、蛋白分解速率加快以及酶蛋白巯基受破坏是RuBPCO酶蛋白含量及活性下降的重要原因[25]。呼吸作用消耗作物体内的同化产物。从总体上说，在O3的胁迫下，作物呼吸作用增强。这种变化可能与作物对伤害的修复行为有关[25]。3.3O3对作物叶片膜保护系统的影响O3进入作物体内后将产生自由基，影响作物体内活性氧代谢系统的平衡，即增加作物体内的活性氧，如超氧自由基（O2-）、氢氧自由基（•OH）、单态氧（1O2）、过氧化氢（H2O2）等[26]。这些自由基十分活跃，能对生物体膜系统产生危害。作物体内的抗氧化系统是决定作物细胞对氧化胁迫的关键因素，它能清除体内的活性氧和膜脂过氧化所产生的有毒物，以利于农作物在逆境中生存。SOD（超氧化物歧化酶）、CAT（过氧化氢酶）、POD（过氧化物酶）是抗氧化系统中酶促子系统中的3种重要保护酶；SOD清除O2-形成H2O2，CAT、POD催化H2O2形成H2O，这种对活性氧的清除有利于作物维持体内活性氧产生和淬灭的动态平衡，从而阻抑膜脂过氧化的进程[27]。O3体积分数增加可导致冬小麦、