臭氧與鎘污染對(duì)冬小麥花后光合和產(chǎn)量性狀的影響

摘 要：本試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)臭氧濃度(活性炭過濾大氣－O₃，<10／μg／kg；高臭氧濃度+O₃約為80μg/kg)和兩個(gè)鎘濃度(一Cd，OmG/kg；+Cd，30mg／kg)，采用開頂式同化箱(open—top chambers，OTC_s)研究臭氧和鎘雙重脅迫對(duì)冬小麥(Triticum aestivurn L cv.JM22)花后光合和產(chǎn)量性狀的影響。結(jié)果表明：花后14天，與對(duì)照相比，臭氧導(dǎo)致光合速率(Asat)、最大光化學(xué)效率(Fv／Fm)分別下降7.7％和3.1％；在臭氧和鎘雙重脅迫下，進(jìn)一步下降，分別下降了15.8％和6.9％。氣孔導(dǎo)度(Gs)以及光化學(xué)淬滅(qP)有相同變化趨勢(shì)。臭氧加鎘處理(O₃+cd)又進(jìn)一步降低穗粒數(shù)以及千粒重導(dǎo)致單穗粒重顯著減少。

關(guān)鍵詞：臭氧；鎘污染；冬小麥；光合；產(chǎn)量

中圖分類號(hào)：X503.231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001—4942(2010)09—0031—04

近幾十年來，化石燃料、化學(xué)肥料的大量使用以及礦石開采等人類活動(dòng)已對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染。在全球氣候變化背景下，近地面臭氧污染已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，并且臭氧污染事件的范圍也不斷擴(kuò)大，同時(shí)近地面臭氧背景濃度也正在逐年升高。長(zhǎng)期觀測(cè)表明，臭氧濃度升高對(duì)農(nóng)田、森林以及人類的健康都產(chǎn)生了極大危害，也造成作物大面積減產(chǎn)。研究表明，冬小麥開花灌漿(5月份)的天氣有利于光化學(xué)煙霧的形成，同時(shí)，開花期和灌漿期是小麥生育期中對(duì)環(huán)境最為敏感的時(shí)期，因此小麥灌漿期將會(huì)遭受臭氧污染的危害，產(chǎn)量也因此顯著降低。

鎘是一種毒害性較大的重金屬元素。隨著采礦和工業(yè)“三廢”的排放、農(nóng)業(yè)污水灌溉、施用污泥和磷肥等，鎘隨即進(jìn)入農(nóng)田，導(dǎo)致農(nóng)田土壤鎘污染加重。我國(guó)受重金屬污染的耕地面積達(dá)2000×10⁴hm²，約占全國(guó)耕地總面積的20％，導(dǎo)致每年有1000×10⁴t糧食的重金屬含量超標(biāo)，而且減產(chǎn)糧食1000×10⁴t。

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一，并且對(duì)臭氧和重金屬污染較敏感，極易引起減產(chǎn)。然而針對(duì)小麥在臭氧和鎘雙重脅迫條件下生理生態(tài)反應(yīng)的研究鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)通過研究小麥花后光合、熒光和產(chǎn)量指標(biāo)，探討在臭氧和鎘雙重脅迫下小麥的生理生態(tài)反應(yīng)及其生長(zhǎng)和發(fā)育規(guī)律，為環(huán)境污染條件下的小麥栽培措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35度26′34″N，117度49′13″E)進(jìn)行。以濟(jì)麥22為試驗(yàn)材料，2008年10月16日播種于72個(gè)塑料盆中(直徑30cm，深30cm)，每盆播種10粒，最后保留長(zhǎng)勢(shì)一致的麥苗3株。為適應(yīng)OTC中的光照及溫度環(huán)境，在開花前一周將盆移到OTC中，每個(gè)OTC放置12盆。試驗(yàn)管理與大田相同，以排除其它限制因子。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素區(qū)組設(shè)計(jì)，以臭氧為主區(qū)組，鎘處理為副區(qū)組。

1.2.1 鎘處理外源鎘(CdCl₂·6H₂O)的投加濃度設(shè)對(duì)照(－Cd，Omg／kg)和高濃度(+cd，20mg／kg)兩個(gè)水平，每盆裝土15kg。

1.2.2 戾氧熏蒸本試驗(yàn)OTC高2.2m，是邊長(zhǎng)1m的八面體結(jié)構(gòu)，由鋁合金和玻璃組合而成，包括通氣、過濾及布?xì)庀到y(tǒng)。O₃由臭氧發(fā)生器(cF－KGl，山美水美環(huán)保高科技有限公司，北京)產(chǎn)生，并用臭氧監(jiān)測(cè)器(Model205，2B高科技公司，美國(guó))對(duì)OTC中的O₃濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)置兩個(gè)O₃水平，分別為活性炭過濾大氣(－O₃，<10μg／kg)和高濃度臭氧(+O₃，80μg／kg)。2009年5月1日進(jìn)入開花期開始熏蒸，每天熏蒸時(shí)間為9：00—17：00。

共有4個(gè)處理，即CK、+cd、+O₃、O₃+cd，每處理6個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 氣體交換和葉綠素?zé)晒庵笜?biāo)分別在臭氧處理后0、7、14、21天利用光合一熒光測(cè)定系統(tǒng)(GFS-3000，Heinz Walz，Germany)測(cè)定旗葉飽和光強(qiáng)下的凈光合速率同時(shí)測(cè)定光下的葉綠素?zé)晒狻Ｈ~室光強(qiáng)設(shè)定為1600 txmol·m^-2·s^-1，相對(duì)濕度為60％±15％，溫度為27℃；CO₂濃度為環(huán)境中濃度。待氣體交換參數(shù)穩(wěn)定后開始記錄，得到光合速率(Asat)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO₂濃度(ci)以及穩(wěn)態(tài)葉綠素?zé)晒?Fs)，打開飽和脈沖光0.8s獲得光適應(yīng)后的最大熒光(Fm′)。光合測(cè)定結(jié)束后進(jìn)行暗適應(yīng)40min后，測(cè)定最小(Fo)和最大熒光(Fm)。計(jì)算最大光化學(xué)效率(Fv／Fm)、光化學(xué)淬滅(qP)、非光化學(xué)淬滅(qN)以及電子傳遞效率(ETR)。

1.3.2 產(chǎn)量性狀調(diào)查待小麥完全成熟后收獲地上部，調(diào)查每穗小花數(shù)、穗粒數(shù)，籽粒于干燥處晾干，其它部分70℃烘至恒重。稱重并計(jì)算千粒重及收獲指數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Sigmaplot10作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧與鎘復(fù)合脅迫對(duì)小麥花后光合指標(biāo)的影響

在開花當(dāng)天，鎘處理已導(dǎo)致旗葉凈光合速率降低了8.8％，顯著低于對(duì)照(P<0.05)。花后第7天，與對(duì)照相比，臭氧處理導(dǎo)致凈光合速率降低5.7％，+cd處理與O₃+cd處理分別降低12.5％和13.5％，之間差異不顯著。花后14天出現(xiàn)顯著下降，花后21天，下降趨勢(shì)更加明顯，但+cd與O₂+Cd處理較接近(圖1A)。氣孔導(dǎo)度Gs的變化與凈光合速率的變化基本一致(圖1B)。處理開始后，各處理胞間C0₂₂+Cd處理基本相同(圖1C)。各處理蒸騰速率也逐漸下降，+Cd與O₂+cd處理下降顯著(圖1D)。效率ETR和光化學(xué)淬滅qP的變化趨勢(shì)與Fv／Fm基本相同(圖2B、2C)。而+O₃+Cd和O₃+Cd的非光化學(xué)淬滅系數(shù)qN顯著高于對(duì)照，O₃+cd處理的最高，但與+cd處理差異不顯著(圖2D)。

2.3 臭氧與鎘復(fù)合脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量性狀的影響

與對(duì)照相比，+O₃處理的穗粒數(shù)下降5.3％，但差異不顯著；而+Cd和O₃+cd處理分別降低了19.9％和25.8％，達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。+O₃+cd和03+cd處理顯著降低了千粒重和單穗粒重，+Cd和O₃+Cd處理差異不顯著(P>0.05)。+O₃和+cd處理的收獲指數(shù)降低不顯著，僅O₃+Cd處理降低達(dá)顯著水平(表1)。

3 結(jié)論與討論

鎘和臭氧降低旗葉凈光合速率，加快植株衰老，減緩生長(zhǎng)，降低了植株產(chǎn)量。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，臭氧加鎘脅迫下植株的凈光合速率降低最多，表明臭氧加重了鎘對(duì)植株造成的傷害。氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的變化趨勢(shì)基本一致，但胞間CO：濃度逐漸升高，顯著高于對(duì)照，表明在鎘和臭氧脅迫下光合速率的降低是由非氣孔限制因素引起的。

鎘和臭氧降低旗葉最大光化學(xué)效率。在本試驗(yàn)中，鎘處理顯著降低了旗葉最大光化學(xué)效率、電子傳遞效率和光化學(xué)淬滅，與臭氧的復(fù)合脅迫導(dǎo)致了進(jìn)一步的降低。同時(shí)非光化學(xué)淬滅也顯‘著提高表明PSⅡ反應(yīng)中心被關(guān)閉的比例增大，又由于固定cOO₂能力降低，熱耗散的激發(fā)能增多。

光合作用的降低最終導(dǎo)致植株產(chǎn)量的減少。臭氧對(duì)穗粒數(shù)影響不明顯，而鎘以及臭氧加鎘處理均顯著降低穗粒數(shù)。在臭氧加鎘處理中，千粒重進(jìn)一步降低，導(dǎo)致單穗粒重進(jìn)一步減少，進(jìn)而顯著降低了收獲指數(shù)。