FACE条件下臭氧浓度升高对不同筋型小麦籽粒品质的影响

摘要：为深入研究不同筋型小麦籽粒品质对地表臭氧（O3）浓度升高的响应，本研究依托于开放式O3浓度增加系统（O3-FACE），于2021年和2022年分别以13个（4个强筋品种、5个中筋品种、4个弱筋品种）和12个（4个强筋品种、6个中筋品种、2个弱筋品种）小麦（Triticum aestivum L．）品种为供试材料，设置环境O3浓度（AA）和1.5倍环境03浓度（E-O3）处理，研究不同筋型小麦对O3浓度升高的响应差异。结果表明：O3浓度升高下2021年Ca元素含量显著升高24.8%，2022年直链淀粉含量显著降低8.1%。不同筋型小麦籽粒品质对O3响应存在显著差异，强筋和中筋小麦2022年直链淀粉含量显著降低8.6%和7.6%，2021年Ca元素含量显著升高24.7%和27.2%，弱筋小麦2021年淀粉含量显著降低6.7%，两年蛋白质含量增幅较强筋和中筋小麦更大。根据不同筋型小麦籽粒品质标准，高浓度O3将会有利于中筋和强筋小麦品质形成，而不利于弱筋小麦籽粒品质形成。高浓度O3对所有供试小麦均有重要影响，其中宁麦13、扬麦33和扬麦22对03敏感。

关键词：地表臭氧；小麦；筋型；蛋白质；淀粉；矿质元素

中图分类号：S512.1 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）08-1687-11 doi：10.11654/jaes.2023-0979

随着工业化和城市化进程加快，人类活动排放了大量臭氧（O3）前体物：氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs），这些前体物在太阳辐射作用下经光化学反应生成具有氧化性的O3。近年来全球地表O3浓度不断上升，预计到2050年地表O3浓度将在现有基础上增加20% - 25%，到21世纪末03浓度将增加40%-60%。我国是全球O3污染的热点地区，2013年至2017年的监测结果表明我国O3浓度以每年5.8%的速率快速升高问。

O3作为一种对植物有毒害作用的强氧化性气体，在叶片进行光合作用的同时通过气孔进入作物叶片，而后迅速转化产生活性氧（ROS）。当叶肉组织内ROS的累积量超过植物自身的解毒防御阈值，便会引起细胞程序性死亡，破坏叶肉细胞结构，加快叶片衰老，干扰各种生理过程，主要表现为抑制光合作用、降低气孔导度、减少光合同化物的积累、改变同化物的分配，并最终导致作物产量降低，籽粒蛋白质、淀粉及其组分和元素含量改变，影响籽粒品质。可见，O3污染对作物生长和粮食生产的影响是亟待解决的生态环境问题。

小麦是世界三大谷物之一，提供了人类所需蛋白质的20%。相比于水稻和玉米，大量研究表明小麦对O3浓度升高的响应更为敏感。基于O3浓度和暴露剂量响应关系估算发现，环境O3浓度导致2017-2019年中国小麦相对产量损失达到28%-37%，2014年至2017年仅长三角地区因03污染就使冬小麦年均相对产量损失达到约14%，经济损失达到25.45亿美元。O3浓度升高在减少小麦产量的同时，还影响了小麦籽粒的蛋白质和淀粉的含量及其组成。随着人们生活水平的不断提高，对于小麦的营养品质和产品质量的要求越来越高，产量和品质都成为当前小麦生产发展的主要目标。目前已开展了大量有关O3对小麦籽粒品质影响的研究。Broberg等通过Meta分析发现03浓度升高显著降低了小麦淀粉含量，提高了蛋白质、Ca、Mg等重要成分含量以及小麦面粉的烘烤特性。但这些试验大部分是利用开顶式气室（OTC）进行研究，OTC内小气候条件的改变会加速叶片衰老，影响农作物的生长发育和籽粒的养分吸收，而大田完全开放式O3熏蒸系统（O3-FACE）内部光照、温度、湿度、通风与自然生态环境一致，在O3-FACE中进行O3浓度升高的模拟试验，获得的数据更接近真实情况。目前已在O3-FACE平台开展了小麦试验研究，通过对4a的数据分析发现O3浓度升高提高了小麦籽粒蛋白质含量，但降低了淀粉含量，其中直链淀粉含量显著升高。然而当前对籽粒矿质元素含量的响应特征研究还较少。此外当前研究仅包含个别品种，缺乏了解不同小麦品种籽粒品质的O3敏感性差异特征。

由于不同的加工目的，小麦所需达到的品质指标存在差异。按照国家标准可以将小麦划分为强筋、中筋和弱筋。O3浓度升高下不同筋型小麦品种的响应差异关注较少，而探究不同筋型小麦O3敏感性的差异，有利于改善小麦营养品质。基于此，本研究利用O3-FACE，在2021年和2022年分别对长三角地区广泛种植的小麦品种进行大田试验，探究地表O3浓度增加对不同筋型小麦籽粒品质的影响，为地表高浓度O3胁迫下小麦品质变化的评估及粮食安全的适应性对策研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于江苏省扬州市江都区吴桥镇南京信息工程大学扬州绿色农业研究与示范基地（32°44＇N，119°75＇ E），基地地处长江中下游平原，属于亚热带湿润气候，2009年至2018年平均气温16.18℃，年平均降水量1 131.3 mm，年日照时间1 936.14 h，年无霜期＞290 d，研究区属于典型稻麦轮作地区，具有悠久的小麦种植历史。

1.2 试验设计

03-FACE平台共有8个直径14 m的正八边形实验圈，共设置了环境O3浓度（AA）和1.5倍环境O3浓度（E-O3）两个O3处理，每个O3处理各4个FACE圈重复，各圈之间间隔大于50 m，避免相互影响。O3-FACE平台的设计采取即时发生-控制混气-输送-自由释放的方式，臭氧发生器产生的O3通过管道输送至FACE周围管道内，由管道上均匀分布的小孔向FACE圈内喷出O3气体，最终使FACE圈内O3均匀分布。每个FACE中的O3浓度由49i臭氧分析仪（美国Thermo Scientific公司）监测。2021年O3熏蒸时间从3月4日开始，5月31日停止，2022年O3熏蒸从3月6日开始，6月2日结束。在熏蒸期间，2021年AA浓度约为41.4 nmol·mol-1，E-O3浓度约为61.2 nmol·mol-1，白天小时O3浓度超过40 nmol·mol-1的累计值（AOT40值）分别为8.1 μmol．mol-1．h和23.5 μmol·mol-1·h。2022年AA浓度约为50.8 nmol·mol-1，E-O3浓度约为76.1 nmol·mol-1，μ3的AOT40值分别为13.1 μmol·mol-1．h和33.9 μmol·mol-1．h。本试验在AA圈和E-O3圈内设置面积为9 m2的正方形试验小区。2021年小区内种植13个小麦品种，包括华麦5、宁麦13、宁麦22、农麦88、徐麦33、扬麦15、扬麦16、扬麦22、扬麦23、扬麦25、扬麦29、扬麦30和镇麦12。2022年小区内种植12个小麦品种，包括连麦7、宁麦29、徐麦35、扬麦16、扬麦20、扬麦23、扬麦29、扬麦30、扬麦33、镇麦12、镇麦18和镇麦19，两年种植小区相同。2021年和2022年连续种植的5个品种为扬麦16、扬麦23、扬麦29、扬麦30、镇麦12，表1为具体的小麦筋型划分。2020年11月10日进行小麦播种，2021年5月31日收获。2021年11月18日播种，2022年6月2日收获。每个小区每个品种随机收获20个麦穗，人工脱壳后获得小麦籽粒。为保证试验随机性，各品种在小区内随机种植，南北向为同一品种（即一行一品种），播种量为225万株·hm-2，最终定苗为61株·m-1，2021年和2022年施肥量为225 kg·hm-2（以N计），基肥：分蘖肥：拔节肥：穗肥为5：1：2：2，日常维护与周围大田一致。

1.3 测定项目及方法

籽粒75℃烘干48 h后采用球磨仪磨制成粉末，过60目筛后备用。

粗蛋白含量：由元素分析仪（Thermo Scientific，美国）测定氮元素含量，氮元素含量乘以小麦籽粒蛋白质系数（5.70）得到粗蛋白含量。

淀粉及其组分含量：籽粒总淀粉含量由蒽酮比色法测定，直链淀粉含量由碘蓝染色法测定，支链淀粉含量由总淀粉含量减去直链淀粉含量得到。

矿质元素含量：过60目筛后的样品经微波消解仪（新仪微波化学科技有限公司，上海，中国）通过HN03-电消解法消解，然后使用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES，Pekin-Elmer）测定Ca、Fe、Zn、Mn4种矿质元素含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2021对数据进行整理，利用JMP检验数据的正态性和方差齐性，采用裂区设计方差分析检验O3、品种及其交互效应，采用t双尾检验分析单一品种不同浓度O3处理下各指标的显著性差异。筛选出两年连续种植的5个品种，采用方差分析检验03、品种、年份及其交互效应。采用Origin 2022绘图，柱形图中数据为平均值±标准偏差（SD），当P＜0.05时认为达到显著差异性。

2 结果与分析

2.1 O3浓度升高对不同品种小麦籽粒蛋白质含量的影响

O3浓度升高下所有试验的小麦品种籽粒蛋白质含量均有升高趋势，但只有扬麦33籽粒蛋白质含量显著升高15%。不同品种间的蛋白质含量具有显著性差异，而O3和品种无显著性交互作用（图1）。环境O3浓度下2021年农麦88和2022年镇麦12籽粒蛋白质含量最高，二者均为强筋小麦品种，2021年扬麦15和2022年徐麦35籽粒蛋白质含量最低，分别为弱筋和中筋小麦品种。O3浓度升高情况下，2021年农麦88和2022年镇麦12籽粒蛋白质含量最高，二者均为强筋小麦品种，2021年扬麦25和2022年徐麦35籽粒蛋白质含量最低，二者均为中筋品种。

2.2 O3浓度升高对不同品种小麦籽粒淀粉及其组分含量的影响

O3浓度升高下，绝大多数小麦籽粒淀粉含量呈减少趋势。2021年O3浓度升高导致扬麦15、扬麦16和扬麦22籽粒淀粉含量分别显著降低了9.1%、7.2%和13.8%，2022年扬麦33籽粒淀粉含量显著降低了6.9%，其余品种淀粉含量变化均不显著（图2）。不同品种间的淀粉含量差异达到极显著水平，O3和品种对籽粒淀粉含量无显著交互作用。环境O3浓度下2021年扬麦22和2022年徐麦35籽粒淀粉含量最高，分别为弱筋和中筋小麦品种，2021年扬麦29和2022年扬麦30籽粒淀粉含量最低，分别为强筋和弱筋小麦品种。O3浓度升高情况下，2021年宁麦22和2022年扬麦20籽粒淀粉含量最高，二者均为中筋小麦品种，2021年扬麦29和2022年扬麦30籽粒淀粉含量最低，分别为强筋和弱筋小麦品种。

与总淀粉含量类似，O3浓度升高下2021年小麦直链淀粉含量有降低趋势，2022年直链淀粉含量显著降低（图3）。2021年宁麦13和镇麦12分别显著下降19.8%和14.0%。2022年扬麦29和扬麦33分别显著降低了9.8%、11.6%。不同品种间的直链淀粉含量差异达到极显著水平，O3和品种在2022年对籽粒直链淀粉含量具有显著交互效应。环境O3浓度下2021年扬麦29和2022年镇麦19的直链淀粉含量最高，分别为强筋和中筋小麦品种，2021年华麦5和2022年宁麦29的直链淀粉含量最低，分别为中筋和弱筋小麦品种。O3浓度升高情况下，2021年农麦88和2022年扬麦20籽粒直链淀粉含量最高，分别为强筋和中筋小麦品种，2021年宁麦13和2022年扬麦30籽粒直链淀粉含量最低，二者均为弱筋小麦品种。

两年不同小麦品种试验结果表明O3浓度升高未显著影响支链淀粉含量，仅2021年O3浓度升高显著降低了扬麦22支链淀粉含量，降幅约为18%（图4）。不同品种间直链淀粉含量存在极显著差异，O3和品种无交互效应。环境O3浓度下，2021年扬麦22和2022年徐麦35的支链淀粉含量最高，分别为弱筋和中筋小麦品种，2021年扬麦29和2022年镇麦12的支链淀粉含量最低，二者均为强筋小麦品种。O3浓度升高情况下，2021年宁麦13和2022年徐麦35的籽粒支链淀粉含量最高，分别为弱筋和中筋小麦品种，2021年扬麦29和2022年镇麦12的籽粒支链淀粉含量最低，二者均为强筋小麦品种。

综合两年的试验结果可知，O3浓度升高对不同小麦籽粒淀粉直支比无显著影响，只显著提高了2021年扬麦22的直支比，增幅约为17.2%（图5）。不同品种间直支比差异两年都达到极显著水平。环境03浓度下2021年扬麦29和2022年镇麦12直支比最高，二者均为强筋小麦品种，2021年扬麦22和2022年徐麦35直支比最低，分别为弱筋和中筋小麦品种。03浓度升高情况下，2021年扬麦29和2022年镇麦12籽粒支链淀粉含量最高，二者均为强筋小麦品种，2021年宁麦13和2022年徐麦35籽粒支链淀粉含量最低，分别为弱筋和中筋小麦品种。

2.3 O3浓度升高对不同品种小麦籽粒矿质元素的影响

O3浓度升高显著增加了2021年籽粒Ca含量，但对其他元素含量均无显著影响，且O3和品种的交互作用不显著（表2）。分析不同小麦品种的响应特征可知，O3浓度升高导致2021年宁麦13的Fe元素含量显著升高21.2%，农麦88的Ca元素含量显著升高23.4%，扬麦29的Ca元素含量显著升高21.3%，镇麦12的Ca元素含量显著升高45.2%，华麦5的Ca元素含量显著升高34.8%，宁麦22的Ca元素含量显著升高28.9%，扬麦22的Ca元素含量显著升高34.8%，2022年镇麦18的Ca元素含量显著升高16.7%，其余品种变化均不显著。结果表明，不同品种间Ca和Fe元素含量存在显著差异。

2.4 O3浓度升高对不同筋型小麦籽粒品质的影响

不同筋型小麦对O3浓度升高响应结果表明（表3）：强筋小麦在O3浓度升高下，Ca元素含量在2021年显著升高24.7%，2022年直链淀粉含量显著降低8 .6%。中筋小麦的Ca元素含量在2021年显著升高27.2%，2022年直链淀粉含量显著降低7.6%。弱筋小麦淀粉含量在2021年显著降低6.7%，但在2022年各指标变化均不显著。

2.5 两年重复种植的5种小麦籽粒品质对O3浓度升高的年际效应

本研究的20个小麦品种中，扬麦16、扬麦23、扬麦29、扬麦30、镇麦12在两年实验中进行了重复种植，用于分析O3对小麦籽粒品种影响在不同年份间的差异。如表4所示，不同年份间小麦籽粒品质指标具有显著差异，2021年籽粒蛋白质和矿质元素含量显著高于2022年，但淀粉含量显著低于2022年。直支比较为稳定，年份间没有显著性差异。O3和年份对淀粉和Ca含量具有显著交互效应，O3浓度升高显著降低了2021年扬麦16淀粉含量，而没有改变2022年籽粒淀粉含量。不同的是，O3浓度升高显著升高了扬麦29和镇麦12的Ca含量，而2022年O3浓度对此无影响。

3 讨论

O3浓度升高减少作物产量，严重威胁全球粮食安全，但现有研究较少关注籽粒品质对O3浓度升高的响应特征。为此本研究利用O3-FACE平台，在2021年和2022年研究了O3浓度升高对当前长江中下游地区广泛种植的20个小麦品种籽粒品质的影响差异。O3浓度升高提高了小麦籽粒蛋白质和矿物元素含量，但降低了直链淀粉含量，而不同品种籽粒品质的O3敏感性差异显著。

蛋白质含量是小麦籽粒品质的重要指标之一。O3浓度升高显著提高了2022年扬麦33的蛋白质含量，其他品种蛋白质含量变化不显著。已有的研究表明，O3胁迫使小麦早衰，灌浆期缩短而造成灌浆不足，减少单粒质量，对植物氮素吸收无显著影响，最终形成了浓缩效应，提高了籽粒中蛋白质含量。不同年份间由于种植管理措施差异导致了2022年小麦籽粒蛋白质含量显著低于2021年，但是O3和年份间无显著交互效应。比较不同筋型小麦蛋白质含量对O3胁迫的响应差异发现，弱筋小麦的响应幅度比中筋小麦和强筋小麦更明显，表明弱筋小麦蛋白质含量对O3胁迫更敏感（表3）。张如标利用O3-FACE也发现了类似的规律，O3浓度升高提高了弱筋小麦蛋白质含量。小麦籽粒蛋白质含量是影响小麦品质界定的关键指标，我国国家标准（GBIT 17892-1999和GB/T 17893-1999）规定，一等强筋小麦粗蛋白含量≥15.0%，二等强筋小麦粗蛋白含量≥14.0%，弱筋小麦粗蛋白含量≤11.5%。总体上看，相比于中筋和强筋小麦，O3浓度升高使弱筋小麦籽粒蛋白质含量上升幅度较大，这对于要求低蛋白的弱筋小麦不利，其含量超出了国家优质弱筋小麦的标准，影响优质弱筋小麦品质形成，但是有利于中、强筋小麦营养品质的形成。

淀粉是小麦籽粒中含量最多的物质，由直链淀粉和支链淀粉组成，是小麦籽粒的重要组成部分。由于两类淀粉性质不同，直链淀粉和支链淀粉含量比值会影响淀粉糊化特性，进而影响面粉制品的质量。本研究结果表明O3浓度升高主要降低了直链淀粉含量，对支链淀粉含量影响较小，进而降低了总淀粉含量。O3通过作物叶片气孔进入叶片后损伤光合系统，显著降低了灌浆中后期的叶片光合能力。O3浓度升高加速植物衰老，缩短了旗叶有效光合时间，减少了光合产物的产生。另外，灌浆期O3胁迫降低了淀粉合成酶的活性，抑制淀粉的产生。由于O3浓度升高对支链淀粉影响较小，因此显著增加了扬麦22的直支比，影响了其加工品质。O3和年份对淀粉含量具有显著交互效应，2021年O3浓度升高对籽粒淀粉含量较2022年影响更大，但是2022年O3暴露剂量却显著高于2021年。年份间的环境和O3暴露浓度共同决定了小麦籽粒品质的年际响应差异。比较不同筋型小麦淀粉含量的响应特征可知，O3浓度升高显著降低了强筋和中筋小麦的直链淀粉含量，而对弱筋小麦无显著改变，这表明不同筋型小麦的淀粉及其组分含量对O3胁迫的响应存在差异。优质小麦国家标准（GB/T 17892-1999和GB/T 17893-1999）为：一等强筋小麦籽粒总淀粉含量≤68.8%，直链淀粉含量≤13.5%；二等优质强筋小麦总淀粉含量≤71.1%，直链淀粉含量≤14.5%；优质弱筋小麦总淀粉含量≥78.5%，直链淀粉含量≥17.3%。综上表明，O3浓度升高有利于中、强筋小麦淀粉品质的形成。

矿质营养元素是影响作物品质的因素之一，在植物的生长发育过程中必不可少，与人体健康也息息相关。据统计，世界上大约一半人口的饮食中都缺乏Zn和Fe。因此，近年来小麦和水稻等主要作物对这些矿质元素的吸收受到越来越多的关注。Zheng等利用OTC平台进行研究，结果指出冬小麦籽粒Mg、Mn、P、K含量经过O3熏蒸后出现显著差异，小麦植株的营养循环和元素代谢受到影响，元素含量增幅随O3暴露量的增加而增加。本研究中，O3浓度升高主要提高了强筋和中筋小麦籽粒的Ca含量，而对其他元素无显著影响。根据Broberg等对OTC中进行的小麦试验进行Meta分析发现，相较于过滤空气环境，O3浓度升高导致小麦籽粒中元素含量升高，且结果呈现普遍的一致性，但其研究缺少大田FACE数据，FACE和OTC可能会由于试验地不同的土壤气候环境而导致结果差异较大。FACE的样品分析表明，O3浓度升高对元素的吸收没有显著影响，主要是改变了元素的收获指数。浓缩效应是提高籽粒Ca元素含量的关键。前人研究表明，矿质营养元素不仅对叶片的光合作用产生影响，还会影响碳水化合物、蛋白质、淀粉等物质的合成过程，因此，O3对小麦籽粒元素含量的影响可能是因为小麦在自身不利条件下的调节与适应机制。目前，对O3浓度升高情况下多个品种及不同筋型小麦矿质元素的研究还很缺乏，还需要更多研究来探究不同品种及筋型对作物籽粒养分的影响。

年份间生长环境和O3暴露剂量也影响了小麦籽粒品种对O3的敏感性。O3和年份对小麦淀粉和Ca元素含量具有显著的交互效应，总体表现为2021年O3浓度对籽粒品质影响大于2022年。2021年03浓度升高显著降低了扬麦16的淀粉含量，升高了扬麦16、扬麦23和扬麦30的Ca元素含量。但是在2022年O3浓度对这些小麦籽粒品质均无显著影响。然而2022年平均O3浓度却显著高于2021年。因此年份间的气候差异可能是影响小麦籽粒品质O3敏感性的关键，气候特征不同可能改变了小麦叶片对O3的吸收通量。因此小麦籽粒品质对O3的敏感性是由品种特性、生长环境特征和O3暴露剂量共同决定。但是小麦品种特征是决定性因素，2021年扬麦16、扬麦23和扬麦30表现为O3抗性品种，2022年同样表现为O3抗性品种。因此本研究发现的敏感性品种在未来O3浓度不断升高背景下还需要特别关注。

尽管不同品种小麦各个品质参数响应存在差异，但是O3敏感性的小麦品种其多个品质参数均对O3浓度升高具有显著响应。O3浓度升高显著影响了宁麦13、扬麦33和扬麦22的多个籽粒品质特征，可在O3浓度不断升高的背景下减少这些敏感型品种的选用。O3浓度升高下弱筋小麦的蛋白质含量增幅较大，不利于弱筋品质形成，而中筋和强筋直链淀粉含量显著降低，却有利于其品质形成，因此O3浓度升高对弱筋小麦品质具有重要影响。

4 结论

03浓度升高显著改变了小麦籽粒品质，提高了籽粒Ca元素含量，显著降低了直链淀粉含量。决定籽粒品质对O3响应存在差异的关键是年份间气候特征而不是O3暴露剂量。不同品种小麦籽粒品质对03的响应存在差异，其中宁麦13、扬麦33和扬麦22多个籽粒品质参数对O3较为敏感。不同筋型小麦籽粒品质对O3响应存在差异，弱筋小麦淀粉含量显著降低，中筋和强筋小麦直链淀粉含量降低、Ca元素含量升高，所有供试小麦均受到O3浓度升高的影响，未来需要更关注O3对弱筋小麦品质形成的影响。

（责任编辑：李丹）

基金项目：江苏省碳达峰碳中和专项（BE2022312）；国家自然科学基金重点项目（42130714）