不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对水稻光合作用、物质生产和产量的影响

彭 斌，李潘林，周 楠，赖上坤，朱建国，杨连新，*，王余龙

(1.扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室，扬州 225009;2.中国科学院南京土壤研究所，南京 210008)

人类活动导致地球大气环境的一个显著的变化就是近地层臭氧(O3)浓度迅速上升。对流层大气平均O3浓度从工业革命前的不足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］。若维持当前的排放速率，预计2015—2050年全球地表O3浓度将在现有基础上增加20%—25%［3］。当前地表空气中平均O3浓度已超过敏感作物的伤害阈值(40 nL/L)，已经对野生和栽培植物产生广泛的肉眼可见的伤害，而未来这种伤害将会变得更加严重［4］。水稻是人类最重要的粮食来源之一，为全球半数以上人口提供营养［5］。因此，准确评估臭氧胁迫对水稻生长发育及产量的影响具有重要意义。

前人对臭氧胁迫下水稻生长、产量和品质的响应进行了广泛的研究［6-8］。这些研究多为单因素试验，而评估臭氧与栽培条件互作的多因子操作试验甚少［6，9］。从熏蒸平台来看，前人水稻臭氧试验的研究多数是在气室内进行［6］，气室狭小的试验空间和人为的隔离设施对植株周围的小气候会产生巨大的扰动，这些扰动加上气室试验的边际效应，均有可能改变作物对臭氧胁迫的响应大小。与气室相比，(FACE)试验在完全开放的农田条件下运行，被认为是评估大气组份变化对作物产量实际影响的最佳方法［10］。本项目依托先进的中国臭氧FACE平台，模拟本世纪中叶地球近地层臭氧浓度，以敏感品种汕优63为试验材料［11-12］，首次研究了水稻在不同秧苗素质和移栽密度条件下对高浓度臭氧响应的差异及其可能原因，以期为近地层臭氧浓度升高情形下我国稻作生产的适应对策提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地背景和臭氧FACE平台

本试验在中国O3-FACE研究技术平台上进行。位于江苏省江都市小纪镇良种场试验田(119°42'0″E，32°35'5″N)。试验田所在区域年均降水量980 mm左右，年均蒸发量大于1100 mm，年平均温度14.9℃，年日照时间大于2100 h，年平均无霜期220 d，耕作方式为水稻-冬小麦轮作。试验田土壤类型为清泥土，土壤理化性质为:有机碳 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］。试验平台共有4个正八角形的 FACE 实验圈(直径14 m)和4个对照圈，每圈有效面积约120 m2。FACE圈之间以及FACE圈与对照圈之间的间隔大于70 m，以减少O3释放对其他圈的影响。FACE圈周围管道(位于作物冠层上方50—60 cm处)上的小孔向圈中心喷射纯O3气体，计算机系统根据圈内浓度监测系统检测大气中的O3浓度、风向和风速等因素自动调节O3释放的速度及方向，使FACE圈中心点冠层位置O3浓度始终保持比大气中O3浓度高50%。放气从7月1日开始直至水稻成熟，每天放气时间为9:00至16:00。当对照圈O3浓度低于20 nL/L、下雨和露水等造成叶片湿润以及校正O3分析仪、检修设备等的时候暂停放气，因此水稻整个生长季FACE圈内实际平均O3浓度比对照圈O3浓度只增加约27%。对照田块没有安装FACE管道，其余环境条件与自然状态一致［14］。各关键生育阶段和成熟期FACE圈的取样均在有效区内进行，有效区为FACE圈喷气管1.5 m以内区域，这一区域O3浓度较为稳定。图1为臭氧熏气期间FACE圈和对照圈O3浓度的变化情况。

1.2 供试品种和材料培育

图1 臭氧熏气期间日7 h平均臭氧浓度的变化Fig.1 The change of day time 7 h mean ozone concentration during ozone fumigation

根据前期试验选择臭氧敏感品种汕优63为供试材料［11-12］。大田旱育秧，5月22日播种，6月21日移栽，每穴1苗。总施N量为15 g/m2，其中6月19日基肥占总施N量的50%，6月25日分蘖肥占总施N量的10%，8月6日穗肥占总施N量的40%。P、K肥作基肥施用，施用量均为7 g/m2。水分管理为6月21日至7月3日保持浅水层，7月4日至8月5日进行多次轻搁田，8月6日以后间隙灌溉(开花期保持浅水)，收获前10日断水。适时进行病虫草害防治，保证水稻正常生长发育。

1.3 试验处理

本试验为裂区试验，臭氧浓度为主区，秧苗素质和移栽密度为裂区，各小区重复4次。秧苗素质设壮苗和弱苗两个水平。壮苗与弱苗选育过程:壮苗秧板区的播种量为弱苗区的一半，同时在壮苗秧板区育秧期间增施秧苗肥，移栽时选取两个分蘖的为壮苗，不带分蘖的为弱苗。移栽密度，弱苗设低密度(16穴/m2，株行距均为25 cm)、中密度(24 穴/m2，株行距为16.7 cm×25 cm)和高密度(32 穴/m2，株行距为 12.5 cm×25 cm)3 个水平，壮苗设中密度和高密度两个水平。

1.4 测定内容和方法

叶片气体交换参数:采用LI-6400便携式光合系统分析仪(LI-COR，USA)在抽穗期和抽穗后15 d测定水稻剑叶净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和叶温(Tl)。每个小区测定6张剑叶，在10:00至16:00内进行测定。由于环境条件对气体交换参数有着较大的影响，在进行叶片气体交换参数测定前先做好环境控制:流量控制为默认值500 μmol/s，通过功能键F4控制好温度在环境温度的±6℃内，通过功能键F5控制好光强为光合有效辐射强度为1200 μmol·m-2·s-1，通过F3键设置RFF CO2浓度在380 μmol/mol。

叶片SPAD值:在抽穗期和抽穗后20 d采用SPAD-502叶绿素仪(Minolta，Japan)测定水稻剑叶SPAD值(soil and plant analyzer develotrnent，表示叶绿素相对含量)，每个小区测定20张剑叶。

生物量:在拔节期、抽穗期、成熟期对各处理小区在普查100穴的基础上取代表性植株6穴，分别测定地上部不同器官干物重(105℃杀青30 m，80℃烘干72 h)，据此计算植株地上部总干重。

实际产量:成熟期在每个实验圈固定位置(移栽期确定)连续取样80穴(约4 m2左右)，风干后机器脱粒，测定各小区水稻实际产量。

2 结果与分析

2.1 物质积累和生产

不同栽培条件下高浓度O3对汕优63各期物质积累量的影响列于表1。由表可知，(1)壮苗拔节期、抽穗期和成熟期物质积累量平均分别比弱苗增加49%、23%和28%，差异均达显著或极显著水平。(2)水稻同期物质积累量随移栽密度的增加而增加，差异达显著或极显著水平。(3)高浓度O3使拔节期、抽穗期和成熟期物质积累量平均分别降低3%、11%和22%，抽穗和成熟期达极显著水平。从不同秧苗素质看，弱苗拔节、抽穗和成熟期分别降低4%、10%、26%，壮苗对应生育期分别降低0.2%、12%、17%;从不同密度看，低密度水稻对应生育期分别降低8%、10%、33%，中密度水稻对应生育期分别降低1%、13%、21%，高密度条件下水稻对应生育期分别降低2%、9%、19%，除低密度抽穗期外，抽穗期和成熟期均达显著或极显著水平。(4)方差分析表明，臭氧和密度的互作对成熟期物质积累量的影响达显著水平。

表1 不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对汕优63不同生育时期物质积累量的影响Table 1 Effect of ozone stress on dry matter accumulation of Shanyou 63 under different seedling quality and plant density

臭氧胁迫对水稻不同生育阶段物质生产量的影响列于表2。由表可知，(1)壮苗拔节至抽穗期、抽穗至成熟期的物质生产量平均分别比弱苗增加17%、13%，前者达显著水平。(2)不同密度条件下水稻拔节至抽穗期物质生产量无显著差异，但抽穗至成熟期物质生产量随着密度的增加而显著增加。(3)高浓度O3使拔节至抽穗期、抽穗至成熟期物质生产量分别降低13%、29%，达显著和极显著水平。从不同秧苗素质看，弱苗拔节至抽穗期、抽穗至成熟期物质生产量分别降低10%、35%，壮苗对应生育阶段分别降低16%和22%，均达显著或极显著水平;从不同移栽密度看，低密度水稻对应生育阶段分别降低10%和65%，中密度水稻对应生育阶段分别降低14%和25%，高密度水稻对应生育阶段分别降低12%和19%，抽穗至成熟期均达显著或极显著水平。(4)方差分析表明，臭氧和不同栽培措施间的互作均未达显著水平。

表2 不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对汕优63不同生育阶段干物质生产量的影响Table 2 Effect of ozone stress on dry matter production of Shanyou63 under different seedling quality and plant density

2.2 叶片气体交换参数

高浓度O3对汕优63结实期叶片气体交换参数的影响列于表3。不同秧苗素质或不同移栽密度条件下水稻各气体交换参数均无显著差异，两个测定时期一致。臭氧胁迫使抽穗期和抽穗后15 d叶片净光合速率(Pn)平均分别降低了18%(P＜0.01)和32%(P＜0.01)，抽穗后15 d的降幅明显大于抽穗期。臭氧胁迫使抽穗期和抽穗后15 d叶片气孔导度(Gs)平均分别降低了38%(P＜0.01)和42%(P＜0.01)。臭氧胁迫对叶片胞间CO2浓度(Ci)无显著影响，说明高浓度O3环境下叶片Pn下降并非CO2摄入量受限所致。高浓度O3使抽穗期和抽穗后15 d叶片蒸腾速率(Tr)分别降低了20%和23%，均达显著水平，而对叶温(Tl)无显著影响。方差分析表明，不同处理间的互作对上述叶片气体交换参数的影响均无显著影响。

表3 不同秧苗素质和移栽密度条件下O3胁迫对汕优63叶片气体交换参数的影响Table 3 Effect of ozone stress on gas exchange parameters of Shanyou63 leaves under different seedling quality and plant density

2.3 叶片SPAD值

臭氧胁迫对水稻结实期叶片SPAD值的影响示于图2。由图可知，不同秧苗素质或移栽密度条件下水稻叶片SPAD值均无显著差异，两个测定时期一致。臭氧胁迫使抽穗期和抽穗后20 d叶片SPAD值平均分别降低了12%(P＜0.05)和23%(P＜0.01)，抽穗后20 d的降幅明显大于抽穗期，不同秧苗素质或移栽密度条件下趋势基本一致。

2.4 籽粒产量

汕优63收获期割方测定实际产量(图3)。结果表明，壮苗和弱苗籽粒产量平均分别为669 g/m2和582 g/m2，差异达显著水平。低、中和高密度条件下水稻产量分别为558、616和647 g/m2，无显著差异。高浓度O3使水稻平均减产16.2%，达极显著水平，其中弱苗和壮苗分别减产14.9%、17.9%;低、中、高密度条件下分别减产17.2%、15.7%和15.9%，均达0.05显著水平。方差分析表明，臭氧和密度互作对籽粒产量的影响达显著水平(P=0.04)，但臭氧×秧苗、臭氧×秧苗×密度间的互作均未达显著水平。

图2 不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对汕优63叶片叶绿素相对含量(SPAD)值的影响Fig.2 Effect of ozone stress on SPAD values of Shanyou 63 leaves under different seedling quality and plant density

图3 不同秧苗素质和移栽密度条件下臭氧胁迫对汕优63籽粒产量的影响Fig.3 Effect of ozone stress on grain yield of Shanyou 63 under different seedling quality and plant density

3 讨论

叶片是大气臭氧胁迫的最初感应器。本研究表明，臭氧胁迫使汕优63结实期叶片SPAD值明显下降，抽穗后20 d降幅明显大于抽穗期(图2)，这与Olszyk［15］等气室试验的结果一致。稻叶是光合作用的重要器官，臭氧胁迫在破坏叶片光合色素的同时，也使其光合速率降低，降幅因试验设施、供试材料、处理浓度以及测定时期而异［6］。本研究表明，比环境臭氧浓度高27%的处理使汕优63抽穗期和抽穗后15 d剑叶净光合速率分别降低了18%和32%(表3)，随时间推移降幅明显增大，这种趋势与前期FACE研究对汕优63［9，13］和其它品种［16］的报道一致。叶片光合速率下降原因一般可分为气孔限制和非气孔限制。本研究发现，高浓度臭氧使叶片气孔导度极显著下降的同时，胞间CO2浓度无显著变化(表3)。说明臭氧胁迫下水稻净光合速率下降可能主要归因于叶肉细胞同化能力，即内部Rubisco酶活性和光合组分等非气孔因素的影响，而非气孔限制的结果。本研究还发现，臭氧胁迫环境下，伴随气孔导度大幅下降，叶片蒸腾速率也明显下降。因此，臭氧胁迫环境有利于提高水稻的水分利用效率和抵御干旱胁迫［17］。从本研究栽培条件与臭氧的互作效应看，秧苗素质和移栽密度对臭氧胁迫下汕优63光合参数的响应均无明显调节效应(表3)。

臭氧胁迫下水稻光合受阻必然影响物质生产［6］。Ainsworth［7］对前人气室研究的整合分析表明，相比过滤空气(经活性炭过滤后的背景大气，)，84 nl/L臭氧处理使水稻地上部干物重平均下降16%(n=68)。Pang等［13］FACE研究发现，56 nl/L高浓度臭氧处理使汕优63成熟期地上部总干重比对照(环境臭氧浓度为45 nl/L)平均降低18%。本试验在同一FACE平台上进行，结果表明，水稻大田期平均46 nl/L臭氧浓度使汕优63最终地上部总干重比对照(环境臭氧浓度为36 nl/L)下降了22%，这一响应明显大于气室研究的结果［7］，但与同一品种的大田FACE结果相近［13］。从积累动态看，高浓度臭氧使汕优63拔节期、抽穗期、成熟期干物质积累量分别降低了2%、11%和22%(表1)，随着生育进程的推移降幅直线增加，这与Kobayashi等［18］大田气室的试验结果基本一致。本研究进一步分析了水稻生育中期(即拔节至抽穗期)和后期(即抽穗至成熟期)的干物质生产量(表2)，结果发现高浓度臭氧使这两个生育阶段的物质生产量均大幅下降，生育后期的降幅(-29%)明显大于生育中期(-13%)。说明，臭氧胁迫下水稻最终生产力明显下降主要与生育中期特别是后期的生长受抑有关。结合光合参数变化，臭氧胁迫对水稻生长的影响具有明显的积累作用，这种累积伤害现象在水稻［6］和其它作物如大豆［19］中均有报道。本试验还设置了两种秧苗素质和3个栽插密度处理，结果表明，不同栽培条件下水稻物质生产对臭氧胁迫的响应差异总体较小，但臭氧与密度的互作对最终生物量的影响达显著水平，高浓度臭氧对总生物量的影响程度随着密度的提高而降低(表2)。物质生产与光合效率和光合势有关，臭氧与密度对前者没有互作效应(表3)，因此适当提高栽插密度减少臭氧胁迫下水稻最终生产力的损失可能主要是通过减缓生育中、后期光合势的衰退而实现的。本试验表明臭氧胁迫下水稻抽穗后叶面积的衰减程度随密度提高而降低(数据未列出)。

大量研究表明臭氧胁迫使水稻产量下降，降幅与实验平台、供试材料、臭氧处理的浓度和时期等因素有关［6］。本研究表明，FACE情形下，46 nl/L臭氧处理使汕优63产量较环境臭氧浓度(36 nl/L)平均降低16.2%(P＜0.01，图3)，这一结果大于 Ainsworth［7］对气室试验整合分析的结果(与过滤空气相比，61 nL/L O3处理使水稻产量平均降低了14%)，但小于或接近同一平台同一品种的FACE试验结果［11-12］。本研究还发现，不同秧苗素质条件下高浓度臭氧对水稻产量的影响无明显差异，但臭氧与密度的互作对产量的影响达显著水平，高浓度臭氧对产量的影响程度随着密度的提高而降低(图3)。籽粒产量可分解为生物产量和经济系数两个因子。相关分析表明，不同处理条件下水稻籽粒产量与生物产量的关系比较密切(r=0.90＊＊)，而与经济系数无显著相关。说明臭氧胁迫下汕优63最终籽粒产量的损失主要与物质生产能力明显下降有关，而与物质分配到籽粒中的效率相关不密切。可见，适当提高栽插密度减少臭氧胁迫下水稻产量的损失主要与减少水稻生物产量的损失有关。

本试验数据进一步证明了未来高浓度臭氧环境下水稻生长后期光合作用和生长发育受阻，进而使产量明显下降;本研究还发现，臭氧与秧苗素质间没有互作效应，但适当增加移栽密度可能会减少臭氧胁迫下水稻产量的损失，这一结果是否因不同水稻品种或不同气象条件而异还需更多的试验研究来回答。

致谢:感谢中国科学院南京土壤研究所刘钢、唐昊冶和朱国兴老师对臭氧FACE系统的日常维护，为本试验的实施提供了硬件保障。

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