大气臭氧浓度升高对大豆籽粒C、N、P和K浓度的影响

王春雨，谢志煌，李彦生1,，于镇华，金 剑，王光华，范国权，刘晓冰

(1.中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所 农业部农业环境重点实验室，北京 100081；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；3.东北农业大学 资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；4.黑龙江省农业科学院 植物脱毒苗木研究所农业部脱毒马铃薯种薯质量监督检验测试中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

0 引 言

随着人类社会工业化进程的加快，来自工厂和汽车尾气的污染物如氮氧化合物(NOX)、一氧化碳及非甲烷挥发性有机化合物(NMVOCs)的大量排放，对环境造成了污染，同时这些污染物还会经过复杂的光化学反应增加地表大气臭氧浓度[1-2]。臭氧浓度升高严重威胁到农作物的生产。由于白天植物需要进行蒸腾作用和光合作用，气孔开闭完全与臭氧浓度高峰区间重叠，臭氧会经过作物叶片的气孔进入植物体内，破坏细胞壁和细胞膜，阻碍光合作用等关键化学过程，对作物光合系统造成损伤[3]。臭氧对作物生产能力的破坏作用，取决于所处环境的臭氧浓度和持续时间的长短。植物一般可以在低臭氧浓度下发挥自身的解毒功能，以避免臭氧所带来的伤害。但是长期研究表明，近地表大气中臭氧浓度持续增加，已经远远超过植物本身的解毒能力。研究表明，欧洲地区近地表臭氧浓度从上个世纪五十年代开始稳定增加，目前日均浓度已经接近40 ppb。作物生产过程中特别是在干旱时期，臭氧浓度上升更为显著，臭氧日均浓度会有几天超过60 ppb[4]。例如，2006年7月，英国、比利时、荷兰、法国、德国、瑞士和意大利等国家部分地区出现过连续10天近地表大气臭氧浓度超过90 ppb的极端现象，其中意大利甚至记录了臭氧浓度超过180 ppb达1小时以上[4]。

据估计，臭氧浓度升高已经造成全球范围内主要作物产量下降，其中玉米产量平均降低了2.2%～5.5%，小麦产量平均降低了3.9%～15%，大豆产量平均降低了8.5%～14%[5]。而在未来臭氧浓度持续升高的情况下，作物的产量下降幅度还将进一步扩大[6]。此外，臭氧浓度升高还会影响植株体内元素的吸收和利用，最终改变元素的分配格局[7]。如在高臭氧浓度下，水稻、小麦和油菜籽中的N、P和K浓度显著降低[8-10]。但也有研究表明，在高臭氧浓度条件下大豆籽粒中的N浓度显著升高了21%，水稻籽粒中的N浓度无明显变化[7]。Zhang等[2]指出，大豆籽粒中的元素含量对臭氧浓度升高的响应差异取决于作物品种。

大豆是东北地区的主要作物，而有关臭氧浓度升高对大豆籽粒C、N、P和K积累影响的研究较少。鉴于东北地区主推大豆品种都是气孔导度较高的品种，更易受到臭氧浓度升高的危害[2,11]，本研究旨在分析不同大豆品种籽粒C、N、P和K元素对大气臭氧浓度升高的响应差异，解析品种与臭氧互作对大豆关键营养元素的影响，研究结果可为选育臭氧不敏感大豆品种提供理论参考，对保证未来全球气候变化条件下的粮食安全有实际意义。

1 材料方法

1.1 试验设计

本研究在中国科学院东北地理与农业生态研究所开顶式气室(Open Top Chamber,OTC)试验场内进行(45°73′N，126°61′E，海拔128 m)。OTC为横截面积10.6 m2的正八边形柱体，柱体高度约2.0 m，为减少雨水对盆栽实验干扰以及维持气室内部臭氧浓度，在柱体上方增加1 m高的45°收缩口结构。OTC外部用丙烯酸塑料包裹，测试表明该材料透光率≥92%。通过自动臭氧检测仪(Model 49i-Thermo，美国)对OTC内部臭氧浓度进行实时监测，利用臭氧发生器向OTC内部供给臭氧，在通向OTC内部臭氧管道上加装气体流量计进行调控，从而使OTC内部臭氧浓度维持在预设范围之内。在OTC内部布置通风管道，利用PVC管与外部轴流鼓风机(750 W)相连，从而使OTC内部臭养和温度等指标与外部环境保持基本一致。

试验设置2个处理：自然空气(aO3)和自然空气添加40 nL·L-1臭氧(eO3)，每个处理设置4个OTC重复。2016年6月17日(大豆始花期)开始进行臭氧处理，9月17日停止臭氧处理直到大豆成熟。臭氧处理控制在8小时(北京时间9:00-17:00)，阴雨天不进行臭氧处理。

1.2 试验材料

试验材料选取黑龙江省推广面积较大的3个大豆品种，分别为东生1号(亚有限型，生育期115 d左右)、绥农4号(无限型，生育期为120 d左右)和绥农8号(无限型，生育期为115 d左右)。供试土壤为典型的黑土，土壤基础肥力为全N：2.01 g·kg-1土、全P：0.74 g·kg-1土及全K：18.50 g·kg-1土。试验采取盆栽的方式，黑土与洗净的河沙按2∶3比例均匀混合4 kg，装入高40 cm、直径11 cm的PVC桶，每盆施入基础肥料：N 100 mg· kg-1、P 50 mg·kg-1、K 64 mg·kg-1、Ca 45 mg·kg-1、Mg 4.2 mg·kg-1、Fe 1.2 mg·kg-1、Mn 2.2 mg·kg-1、Cu 2.0 mg ·kg-1、Zn 2.4 mg·kg-1、B 0.12 mg·kg-1、Mo 0.09 mg·kg-1、Co 0.06 mg·kg-1。

于2016年5月10日播种，每盆播种6粒，出苗7 d后进行间苗，每盆保留2株长势情况基本一致的幼苗。对供试土壤的含水量进行测试，通过土壤含水量监测仪对盆栽含水量进行监控。生育期内人工除草，每周固定时间向OTC内部喷施杀虫剂控制虫害。

1.3 测定项目与方法

待大豆成熟后，对所有处理进行取样。大豆籽粒置于鼓风干燥箱中105 ℃下30 min，再调至70 ℃下维持72～80 h。用千分之一天平对样品进行称重，计算籽粒产量和单粒重等指标。大豆籽粒样品在测定C、N、P和K元素浓度前用球磨仪磨成均匀细粉。样品C和N浓度使用元素分析仪Elementar Vario(Elementar Analysensysteme GmbH E-Ⅲ，德国)测定；P浓度采用钼锑抗比色法，K浓度采用火焰光度法。

1.4 数据分析

利用Excel 2010和统计软件SPSS 16.0进行数据统计分析，获得平均值、方差和标准误等描述性统计数据。运用二因素方差分析(Two-way ANOVA)计算P=0.05下不同处理差异显著性。

2 结果分析

2.1 臭氧浓度升高对大豆籽粒C含量的影响

臭氧浓度升高对大豆籽粒C含量产生显著影响(图1)。在高臭氧浓度条件下，3个大豆品种籽粒中C含量显著下降(P<0.05)，平均降低1.51%。降幅最大的品种是绥农4号，降幅为1.63%；其次为绥农8号降幅为1.49%；下降幅度最小的品种是东生1号，降幅为1.41%。虽然不同品种大豆C含量存在种间差异(P<0.05)，但臭氧×品种的交互作用对大豆籽粒C含量影响不显著(P>0.05，表1)。

2.2 臭氧浓度升高对大豆籽粒N含量的影响

正常大气条件下3个大豆品种籽粒中N浓度平均为63.9 mg·g-1(图2)，臭氧浓度升高明显改变了大豆籽粒中N的含量。在高臭氧浓度条件下3个大豆品种籽粒中N浓度平均显著升高了3.78%(P<0.05)。上升幅度由大到小为东生1号、绥农4号和绥农8号，籽粒中N浓度分别显著增加了4.62%、3.86%和2.85%。不同品种大豆籽粒中N含量存在种间差异(P<0.001)，但臭氧×品种的交互作用对大豆籽粒N含量影响不显著(P>0.05，表1)。

2.3 臭氧浓度升高对大豆籽粒P含量的影响

正常大气条件下3个大豆品种籽粒中P浓度平均为8.57 mg·g-1(图3)，臭氧浓度升高明显改变了大豆籽粒中P的含量。在高臭氧浓度条件下3个大豆品种籽粒中P浓度平均显著下降了10.7%(P<0.05)。下降幅度由大到小为东生1号、绥农4号和绥农8号，籽粒中P浓度分别显著下降了12.6%、10.0%和9.52%。3个大豆品种籽粒中P含量不存在种间差异(P>0.05)，臭氧×品种的交互作用对大豆籽粒P含量影响也不显著(P>0.05，表1)。

2.4 臭氧浓度升高对大豆籽粒K含量的影响

正常大气条件下3个大豆品种籽粒中K浓度平均为17.6 mg·g-1(图4)，臭氧浓度升高明显改变了大豆籽粒中K的含量。在高臭氧浓度条件下3个大豆品种籽粒中K浓度平均显著升高了11.0%(P<0.05)。上升幅度由大到小为东生1号、绥农4号和绥农8号，籽粒中K浓度分别显著增加了12.9%、11.0%和11.0%。3个大豆品种籽粒中K含量不存在种间差异(P>0.05)，臭氧×品种的交互作用对大豆籽粒K含量影响也不显著(P>0.05，表1)。

注：*代表处理间差异在0.05水平上显著。下同。

Note: * indicates significant difference between treatments at 0.05 level.The same is as below.

图1 臭氧浓度升高对大豆籽粒C含量的影响
Fig.1 The effect of eO3on soybean seed C concentration

图2 臭氧浓度升高对大豆籽粒N含量的影响
Fig.2 The effect of eO3on soybean seed N concentration

图3 臭氧浓度升高对大豆籽粒P含量的影响Fig.3 The effect of eO3 on soybean seed P concentration

图4 臭氧浓度升高对大豆籽粒K含量的影响Fig.4 The effect of eO3 on soybean seed K concentration

C含量C concentrationN含量N concentrationP含量P concentrationK含量K concentration臭氧O3<0.001<0.001<0.001<0.001品种 Cultivar0.012<0.0010.0620.210互作 O3×Cultivar0.8360.2830.7660.622

2.5 臭氧浓度升高对大豆籽粒C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K的影响

臭氧浓度升高显著影响了大豆籽粒中C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K(图5和图6)。不同大豆品种籽粒中C/N存在种间差异(表2)，高臭氧浓度条件下，3个大豆品种籽粒中C/N均表现出显著下降的趋势，平均下降了5.08%(P<0.05，图5A)。东生1号、绥农4号和绥农8号大豆籽粒中C/N分别显著降低了5.76%、5.27%和4.21%(P<0.05，图5A)。臭氧浓度升高对东生1号和绥农8号大豆籽粒中C/P影响不显著，绥农4号则显著升高了9.47%(P<0.05，图5B)。3个大豆品种籽粒中C/K在高臭氧浓度条件下均呈下降趋势，东生1号、绥农4号和绥农8号籽粒中C/K分别显著下降了9.63%、12.8%和11.2%(P<0.05，图5C)。3个大豆品种籽粒中N/P在高臭氧浓度条件下均呈上升趋势，东生1号、绥农4号和绥农8号籽粒中N/P分别显著上升了20.5%、15.6%和13.8%(P<0.05，图6A)。臭氧浓度升高对东生1号和绥农8号大豆籽粒中N/K影响不显著，绥农4号则显著下降了7.94%(P<0.05，图6B)。3个大豆品种籽粒中P/K在高臭氧浓度条件下均呈下降趋势，东生1号、绥农4号和绥农8号籽粒中P/K分别显著下降了4.10%、7.95%和7.33%(P<0.05，图6C)。

注：ns代表处理间差异在0.05水平上不显著。

Note:ns indicates no significant difference between treatments at 0.05 level.

图5 臭氧浓度升高对大豆籽粒C/N、C/P和
C/K的影响
Fig.5 The effects of eO3on soybean seed C/N,
C/P and C/K

图6 臭氧浓度升高对大豆籽粒N/P、N/K和
P/K的影响
Fig.6 The effects of eO3on soybean seed N/P,
N/K and P/K

表2 臭氧浓度升高和品种对大豆籽粒C/N、C/P、C/K、N/P、N/K和P/K影响双因素方差分析Table 2 Significant levels of main effects and interactions of eO3 and cultivars on soybean seed C/N,C/P,C/K,N/P,N/K and P/K

3 讨 论

生态计量化学比C/N、C/P和N/P等被认为是植物对环境变化响应的重要指标，可以指示环境变化条件下不同生态过程的变化趋势，例如生产力[30]、残体降解[6]以及整个生态系统营养元素代谢[31]。本研究中大豆籽粒中C/N和C/K在臭氧浓度升高条件下表现出下降的趋势，这表明臭氧浓度升高导致大豆N和K元素利用效率的下降，即每单位的N和K元素所固定的C元素能力下降[32]。相反，大豆籽粒中C/P在高臭氧浓度下的升高表明P元素利用效率的提高(图5)，所以籽粒中的P元素浓度表现出下降的趋势。另一方面，臭氧浓度升高降低了植物光合同化能力，新合成物质总量下降，导致植物体内rRNA总量降低从而使植株对P的需求下降[33]。由于P和K都涉及到蛋白质的合成，大豆籽粒中N/P上升而N/K则基本稳定(图6)，表明在臭氧浓度升高条件下大豆对N的吸收利用更多受到P元素的制约[34-35]。这可能是因为大豆所具有的共生生物固氮作用需求大量P元素所引起的[33]，而臭氧浓度升高条件下大豆籽粒中的P/K显著降低则进一步证明了臭氧浓度升高后P元素抑制N元素的利用。

4 结 论

大气臭氧浓度升高影响大豆籽粒中C、N、P和K元素浓度和计量化学比，表现为C和P元素浓度降低，而N和K元素浓度升高；N和K元素利用效率降低表现出C/N和C/K下降；在高臭氧浓度条件下大豆对N素的积累和利用可能受到P元素的制约。