太陽輻射降低(遮陰)對小麥產量及礦質金屬元素含量的影響

張丹 羅小三 趙朕 胡正華 索晨 陳燕 孫雪 方笑堃

摘要：為揭示由于霧霾等氣溶膠污染導致的太陽輻射強度降低對小麥產量及籽粒礦質金屬元素含量的影響，開展了不同程度的大田遮陰試驗，分析小麥的產量以及小麥籽粒、穎殼和不同生育時期穗部的礦質金屬元素濃度。結果表明：遮陰顯著降低了小麥的有效穗數、穗粒數、千粒質量等產量主要構成因素，導致產量顯著下降，在遮陰率為19%和45%的處理水平下，減產率分別達到40.6%和48.2%;遮陰使小麥成熟籽粒中Zn、Fe、Mg、Ca含量增加，穎殼中Ca、Mg、Mn、Cu、Fe含量也呈增加趨勢。太陽輻射強度降低，顯著降低了小麥產量，雖然增加了小麥的大多數礦質元素含量，但部分重金屬元素如Mn、Cu、Zn含量升高可能會危害食品安全，因此氣溶膠污染對農業(yè)生產的產量和品質影響須要綜合考量。

關鍵詞：氣溶膠污染;農作物;產量;礦質營養(yǎng);重金屬;糧食品質安全

中圖分類號： S512.101? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0075-04

到達地面的太陽輻射受到云、氣溶膠、水汽等因素影響，其中氣溶膠能夠降低大氣透明度與能見度，進而減少到達地面的太陽輻射，并影響地表生態(tài)系統(tǒng)。近50年來，隨著工業(yè)化和城市化進程加快，我國大氣氣溶膠污染日趨嚴重，霧霾事件頻發(fā)[1-3]。大氣氣溶膠光學厚度在空間分布上表明，華北平原、長江三角洲、中東部和四川盆地受到的污染程度較高，導致其地表接收到的太陽輻射減少，這些地區(qū)是我國重要的糧食產區(qū)，且這種現象在時間上與主要作物生長季并存，因此會對我國的糧食生產造成一定的影響[4-7]。

太陽輻射是植物進行光合作用的能量來源，長期寡照天氣將會影響作物生長發(fā)育，進而影響其產量和品質。通常認為，植物接收的太陽輻射強度降低，會提高旗葉的葉綠素含量，降低植物的凈光合速率、電子傳輸速率和最大電子傳輸速率[8-9]，延緩葉片衰老，推遲葉片非順序和順序衰老現象，提高葉面積指數、植株高度[10-11]，從而使作物產量受到不良影響[12]。

Ca、Mg是植物必需大量元素，Zn、Fe、Mn、Cu是植物必需微量元素，這些元素不僅是植物生長發(fā)育必需的礦質元素，也是人類正常生理活動必需的元素，但Mn、Cu、Zn同時也屬于有害重金屬元素，含量過高時，會對人體產生不良影響。人體中的礦質元素一般是由食物鏈被人體吸收，小麥作為我國主要的農作物，是我國居民獲取礦質營養(yǎng)元素的主要來源之一，因此小麥的礦質金屬元素含量影響著作物品質和人體健康，而在氣候變化背景下，作物吸收、積累礦質元素情況較為復雜[13-15]，因此研究輻射強度降低對小麥礦質金屬元素含量的影響、我國糧食品質安全具有重要意義。

鑒于以往研究主要集中在輻射強度與農作物形態(tài)、產量構成、凈光合速率、蛋白質含量、面筋含量及加工品質[9，12]等因素研究，罕有關注輻射強度對作物礦質元素含量的影響，且以往試驗多在室內盆栽中進行，與大田生長環(huán)境相差較大，故本研究通過田間控制試驗，利用人工遮陰模擬不同強度太陽輻射，探討氣溶膠污染導致的太陽輻射強度降低對小麥的產量及礦質金屬元素含量的影響，為大氣污染背景下的小麥優(yōu)質高產和糧食安全提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2017年11月至2018年5月在南京信息工程大學校內農業(yè)氣象試驗站（118.70°E、32.2°N）進行。該站位于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年均降水量1 100 mm，年均氣溫 15.6 ℃。大田土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬。

1.2 試驗設計

1.2.1 作物品種及種植方式 種植小麥品種為蘇麥188，2017年11月8日種植于南京信息工程大學農業(yè)氣象試驗站。

大田分為3種處理方式，每種處理3個重復，種植試驗每小區(qū)長、寬均為2 m，種植密度為25 g/m2。采取與當地種植習慣一致的田間管理與水肥管理，并保持各小區(qū)一致的管理方式。

1.2.2 遮陰處理 從小麥拔節(jié)期開始，使用不同層數的黑色尼龍遮陰網為遮陰處理小區(qū)遮陰，遮陰處理至小麥收獲。由LP-80測得其遮陰效果：Y1處理遮光率為19%（即透光率為81%）;Y2處理遮光率為45%（即透光率為55%）。每周根據小麥的株高調整遮陰網的水平高度，使遮陰網與小麥冠層始終保持在50 cm左右。

對照處理小區(qū)不采取任何遮陰處理，以自然光照作為對照。

1.3 采樣

當小麥生長至抽穗期、灌漿期時，按照處理和重復收獲小區(qū)內部分小麥穗部樣品，樣品分別依次使用自來水、超純水清洗，在105 ℃條件下殺青1 h后在60～70 ℃烘箱內烘干至恒質量，使用粉碎機將其粉碎，貯存?zhèn)溆梅治觥?/p>

在小麥成熟收獲時，按照處理和重復收取小區(qū)內部分成熟期小麥穗，手工脫粒，獲取成熟期小麥籽粒與穎殼。將各小區(qū)籽粒與穎殼依次使用自來水、超純水清洗，在105 ℃條件下殺青1 h后在60～70 ℃烘箱內烘干至恒質量，使用粉碎機將其粉碎，貯存?zhèn)溆梅治觥?/p>

1.4 產量分析

在小麥成熟期收獲時，在每個小區(qū)收獲0.5 m×0.5 m范圍內所有植株進行室內考種，分別測定每個小區(qū)收獲植株穗數、穗粒數、穗粒質量等指標。根據實際收獲計算每個小區(qū)小麥產量。

1.5 作物礦質金屬元素含量測定

植株各部位樣品通過HNO3微波消解法處理，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES，美國PerkinElmer公司）測定Cu、Zn、Mn、Fe、Mg、Ca等元素含量，質量控制采用空白、重復和標準樣品（大米GBW10043、芹菜GBW10048）。

1.6 數據處理與分析

試驗數據使用SPSS 17.0進行單因素方差分析，并使用LSD法在0.05水平下進行各個處理間的顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 遮陰對小麥產量與產量構成的影響

由表1可知，遮陰可以顯著降低小麥單位面積有效穗數、穗粒數、千粒質量。小麥單位面積有效穗數在Y1、Y2條件下相對于CK分別減少21.46%、24.56%;小麥穗粒數在Y1、Y2條件下相對于CK分別減少14.47%、21.32%;小麥千粒質量在Y1、Y2條件下相對于CK分別降低11.27%、12.75%。遮陰顯著降低了小麥的各產量構成要素，造成了小麥的減產，減產率分別達40.6%、48.2%。

2.2 遮陰對小麥礦質金屬元素積累的影響

2.2.1 遮陰對小麥籽粒礦質金屬元素積累的影響 由圖1可知，小麥籽粒中大量元素Ca、Mg含量在遮陰條件下呈增加趨勢。小麥籽粒中Ca含量在Y1、Y2遮陰水平下較CK分別增加12.1%、10.7%;小麥籽粒中Mg含量在Y1、Y2遮陰水平下較CK分別增加4.8%、10.5%。

小麥籽粒中微量元素Fe含量在Y1、Y2遮陰水平下分別較CK顯著增加14.6%、15.8%。在遮陰條件下，小麥籽粒中微量元素Zn含量呈增加趨勢，在Y1條件下，Zn含量較CK增加10.1%，在Y2條件下，Zn含量較CK顯著增加21.8%;小麥籽粒中微量元素Mn、Cu含量無明顯變化。

由此可以看出，在遮陰條件下小麥籽粒中Ca、Mg、Zn、Fe含量呈增加趨勢，Mn、Cu含量在遮陰條件下無明顯變化。

2.2.2 遮陰對小麥穎殼中礦質金屬元素吸收的影響 由圖2可以看出，小麥穎殼中大量元素Ca、Mg含量在遮陰條件下呈增加趨勢。小麥穎殼中Ca含量在Y1條件下無明顯變化，在Y2條件下較CK顯著增加40%;小麥穎殼中Mg含量在Y1、Y2遮陰水平下較CK分別增加3.2%、21.0%。

在遮陰條件下，小麥穎殼中微量元素Fe含量呈增加趨勢，在Y1、Y2條件下，Fe含量較CK分別增加23.5%、36.1%。

在遮陰條件下，小麥穎殼中微量元素Mn、Cu含量呈增加趨勢，在Y1條件下，Mn含量較CK增加14.4%，在Y2條件下，Mn含量較CK顯著增加50.3%;小麥穎殼中Cu含量呈增加趨勢，在Y1、Y2條件下較CK分別增加17.1%、23.2%。小麥穎殼中Zn含量無明顯變化。

由此可看出，在遮陰條件下，小麥穎殼中Ca、Mg、Fe、Mn、Cu含量有增加趨勢。

2.2.3 遮陰對小麥不同生育時期穗部礦質金屬元素含量的影響 由圖3可以看出，在Y1、Y2遮陰條件下，小麥抽穗期穗中的Ca含量較CK分別增加16.7%、18.8%;Mg含量較CK分別顯著增加14.3%、14.7%。在遮陰條件下，小麥抽穗期穗中Zn、Fe、Mn含量呈增加趨勢，在Y1條件下，Zn、Fe、Mn含量較CK分別增加11.4%、19.2%、13.6%;在Y2條件下，Zn、Fe、Mn含量較CK分別顯著增加31.6%、42.0%、27.9%。

在遮陰條件下，小麥抽穗期穗中Cu含量呈增加趨勢，在Y1、Y2條件下較CK分別增加11.0%、9.9%。

小麥灌漿期穗部Ca、Mn、Fe含量在Y1和Y2條件下較CK分別增加15.0%、14.8%、6.6%和19.2%、12.8%、14.1%。小麥灌漿期穗部其他礦質金屬元素含量在遮陰條件下變化不明顯。

整體上來說，小麥灌漿期的穗部礦質金屬元素含量大于小麥抽穗期;受遮陰條件影響，小麥抽穗期穗部礦質金屬元素含量在各處理間變化較為明顯，小麥灌漿期穗部礦質金屬元素含量在各處理間變化較小。

3 討論與結論

植物生長發(fā)育受到環(huán)境條件的顯著影響，其中輻射強度是重要的影響因素[13]。光照是植物生產的原動力，是植物進行光合作用的能量來源。國內外學者已經對光照度降低對作物的生長發(fā)育、生理生化、產量等方面做了大量研究[8-12]。有研究表明，植株旗葉的光合速率受到光照度的顯著影響，旗葉氣孔形態(tài)在弱光條件下發(fā)生變化，影響了植株蒸騰速率和氣孔導度，使光合作用產物合成受到抑制，從而導致灌漿速率顯著下降，產量顯著降低[14]，這與本研究結果一致。本研究結果顯示，在Y1、Y2條件下，小麥接受到的光照不足，小麥的光合作用受損，導致小麥穗的形成受到影響，致使小麥的有效穗數、穗粒數、千粒質量等產量主要構成因素顯著下降，小麥產量明顯下降，減產率分別達到40.6%、48.2%。輻射強度降低能夠使小麥產量顯著下降，并且不同程度的輻射強度對小麥生長的抑制程度也將不同。在2個不同程度的遮陰試驗中，Y2產量較Y1有下降的趨勢，因此在輻射強度降低等不良環(huán)境條件下，應多關注小麥的生長發(fā)育及各產量構成因素，這些影響因子對小麥產量的形成有著較大的影響。

外界環(huán)境條件的變化也將影響著植物中礦質金屬元素含量的變化[15-17]，從而威脅著食品安全和人類健康。Ca、Mg是人體必需的大量元素，Fe、Zn、Cu、Mn是人體必需微量元素，這些元素在人類正常的新陳代謝中發(fā)揮著重要的作用，是人類預防疾病、維持身體健康必不可少的物質。在全世界約有15億人缺乏1種或多種微量營養(yǎng)素[18]，其中鐵缺乏是當今世界上最常見的微量營養(yǎng)素缺乏，據估計約有50%的貧血是由缺鐵引起的，我國6歲及以上居民的貧血率為9.7%，其中 6～11 歲兒童和孕婦貧血率分別為5.0%和17.2%[19]。在全球有25%以上的人口受到缺鋅的影響，鋅元素缺乏是影響發(fā)展中國家居民健康的第五大重要危險因素[20]。雖然Cu、Mn、Zn是人類正常生理活動所必需的微量元素，但當其含量過高時會對人體健康產生一定的傷害[21]。小麥作為我國主要糧食作物之一，是我國居民補充礦質元素的一個重要途徑。因此，糧食作物中礦質元素含量將會影響我國居民的礦質元素的吸收。

有研究表明，小麥和水稻籽粒中大量元素和微量元素的平均含量隨大氣CO2濃度升高而有下降趨勢[22-23]。有學者認為，高CO2濃度能夠顯著增加水稻穗分化期植株的K、Ca、Mg和Se的吸收量;在成熟期Se吸收量增加顯著[24]。另有研究表明，在溫度升高3 ℃的情況下，痕量元素在土壤中溶解性將會發(fā)生變化，3個品種春小麥的籽粒中Cd含量相比對照分別下降43.4%、11.1%和13.4%，Cu含量相比對照處理分別下降30.4%、25.1%和10.8%[25]。眾多試驗結果預示著環(huán)境變化將會導致糧食作物中礦質金屬元素含量的變化，威脅著人類的糧食安全問題。本研究發(fā)現，在輻射強度降低的條件下，小麥的產量顯著下降，但其部分礦質金屬元素含量呈增加趨勢。在小麥籽粒中Zn、Fe、Mg含量在遮陰條件下顯著增加，Ca含量也呈增加趨勢;在小麥穎殼中Ca、Mn含量在遮陰條件下顯著增加，Mg、Zn、Fe、Cu含量也呈增加趨勢。考慮到可能是由于在輻射強度降低條件下，光照度處于光飽和點之下，使小麥光合作用生產效率降低，光合作用產物的化學成分積累發(fā)生變化，致使小麥籽粒中礦質金屬元素含量與質量的比例發(fā)生變化，導致小麥籽粒中大部分礦質金屬元素含量增加，最終提高了小麥籽粒的品質。在2個不同程度遮陰試驗中，Y2條件下小麥籽粒的礦質金屬元素含量較Y1條件有增加的趨勢，可能是由于上述動態(tài)變化導致其礦質金屬元素含量增加幅度大于Y1條件。小麥抽穗期穗部礦質金屬元素含量變化與小麥灌漿期相比，小麥抽穗期穗部礦質金屬元素含量變化較為明顯。在小麥抽穗期穗部，Mg、Zn、Fe、Mn在2種遮陰條件下與對照水平相比較，元素含量顯著增加，Ca、Cu在2種遮陰條件下元素濃度也有明顯的增加趨勢，而在小麥灌漿期，只有Fe、Mn、Ca含量在2種遮陰條件下較CK有增加趨勢。可見在小麥抽穗期，穗部礦質金屬元素含量對太陽輻射的變化更加敏感。

綜上，在太陽輻射強度降低的情況下，小麥的有效穗數、穗粒數、千粒質量等產量主要構成因素顯著降低，最終造成小麥產量顯著下降，對我國的糧食生產產生了一定的負面影響。而小麥的礦質金屬元素含量是小麥重要的品質因素，在太陽輻射強度降低的情況下，小麥部分礦質金屬元素含量呈增加趨勢，小麥的品質得以提高。但是，在犧牲作物產量的情況下提高作物品質能否真正改善作物品質有待進一步研究。應當全面看待輻射降低對小麥生產的影響，為大氣污染背景下小麥優(yōu)質高產和糧食安全提供理論基礎，從而達到解決環(huán)境、人口、糧食安全問題。

參考文獻：

[1]Pinhas A，Pavel K，Kaufman Y J，et al. Global dimming or local dimming？ Effect of urbanization on sunlight availability[J]. Geophysical Research Letters，2005，32（17）：L17802.

[2]趙 朕，羅小三，索 晨，等. 大氣PM2.5中重金屬研究進展[J]. 環(huán)境與健康雜志，2017，34（3）：273-277.

[3]Luo X S，Zhao Z，Chen Y，et al. Effects of emission control and meteorological parameters on urban air quality showed by the 2014 Youth Olympic Games in China[J]. Fresenius Environmental Bulletin，2017，26（7）：4798-4807.

[4]Song L C，Gao R，Li Y，et al. Analysis of Chinas haze days in the winter half-year and the climatic background during 1961—2012[J]. Advances in Climate Change Research，2014，5（1）：1-6.

[5]Tie X X，Huang R J，Dai W T，et al. Effect of heavy haze and aerosol pollution on rice and wheat productions in China[J]. Scientific Reports，2016，6：29612.

[6]Luo X S，Muleta D，Hu Z H，et al. Inclusive development and agricultural adaptation to climate change[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability，2017，24：78-83.

[7]FAO. Climate change and food security：risks and responses[M]. Food and Agriculture Organization of the United Nations，2016.

[8]Chang X M，Alderson P G，Wright C J. Solar irradiance level alters the growth of basil （Ocimum basilicum L.） and its content of volatile oils[J]. Environmental & Experimental Botany，2008，63（1/2/3）：216-223.

[9]Wang L，Deng F，Ren W J. Shading tolerance in rice is related to better light harvesting and use efficiency and grain filling rate during grain filling period[J]. Field Crops Research，2015，180：54-62.

[10]馬亞琴，石華榮，王 彬，等. 遮陰條件下葉片非順序衰老小麥頂二葉葉綠素熒光特性[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版），2016，44（7）：78-86.

[11]Li H W，Jiang D，Wollenweber B，et al. Effects of shading on morphology，physiology and grain yield of winter wheat[J]. European Journal of Agronomy，2010，33（4）：267-275.

[12]郭翠花，高志強，苗果園. 花后遮陰對小麥旗葉光合特性及籽粒產量和品質的影響[J]. 作物學報，2010，36（4）：673-679.

[13]姚允聰，王紹輝，孔 云. 弱光條件下桃葉片結構及光合特性與葉綠體超微結構變化[J]. 中國農業(yè)科學，2007，40（4）：855-863.

[14]劉 博，韓 勇，解文孝，等. 灌漿結實期弱光對水稻產量、生理及品質的影響[J]. 中國稻米，2008（5）：36-40.

[15]Myers S S，Zanobetti A，Kloog I，et al. Increasing CO2 threatens human nutrition[J]. Nature，2014，510（7503）：139-142.

[16]Hkan P. Effects of ozone on zinc and cadmium accumulation in wheat-dose-response functions and relationship with protein，grain yield，and harvest index[J]. Ecology and Evolution，2012，2（12）：3186-3194.