臭氧與鎘污染對冬小麥花后光合和產量性狀的影響

摘 要：本試驗設置兩個臭氧濃度(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冬小麥(Triticum aestivurn L cv.JM22)花后光合和產量性狀的影響。結果表明：花后14天，與對照相比，臭氧導致光合速率(Asat)、最大光化學效率(Fv／Fm)分別下降7.7％和3.1％；在臭氧和鎘雙重脅迫下，進一步下降，分別下降了15.8％和6.9％。氣孔導度(Gs)以及光化學淬滅(qP)有相同變化趨勢。臭氧加鎘處理(O₃+cd)又進一步降低穗粒數以及千粒重導致單穗粒重顯著減少。

關鍵詞：臭氧；鎘污染；冬小麥；光合；產量

中圖分類號：X503.231 文獻標識號：A 文章編號：1001—4942(2010)09—0031—04

近幾十年來，化石燃料、化學肥料的大量使用以及礦石開采等人類活動已對農業生態系統造成嚴重污染。在全球氣候變化背景下，近地面臭氧污染已成為不爭的事實，并且臭氧污染事件的范圍也不斷擴大，同時近地面臭氧背景濃度也正在逐年升高。長期觀測表明，臭氧濃度升高對農田、森林以及人類的健康都產生了極大危害，也造成作物大面積減產。研究表明，冬小麥開花灌漿(5月份)的天氣有利于光化學煙霧的形成，同時，開花期和灌漿期是小麥生育期中對環境最為敏感的時期，因此小麥灌漿期將會遭受臭氧污染的危害，產量也因此顯著降低。

鎘是一種毒害性較大的重金屬元素。隨著采礦和工業“三廢”的排放、農業污水灌溉、施用污泥和磷肥等，鎘隨即進入農田，導致農田土壤鎘污染加重。我國受重金屬污染的耕地面積達2000×10⁴hm²，約占全國耕地總面積的20％，導致每年有1000×10⁴t糧食的重金屬含量超標，而且減產糧食1000×10⁴t。

小麥是世界上最重要的糧食作物之一，并且對臭氧和重金屬污染較敏感，極易引起減產。然而針對小麥在臭氧和鎘雙重脅迫條件下生理生態反應的研究鮮見報道。本試驗通過研究小麥花后光合、熒光和產量指標，探討在臭氧和鎘雙重脅迫下小麥的生理生態反應及其生長和發育規律，為環境污染條件下的小麥栽培措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在山東農業大學農業生態系統定位研究站(35度26′34″N，117度49′13″E)進行。以濟麥22為試驗材料，2008年10月16日播種于72個塑料盆中(直徑30cm，深30cm)，每盆播種10粒，最后保留長勢一致的麥苗3株。為適應OTC中的光照及溫度環境，在開花前一周將盆移到OTC中，每個OTC放置12盆。試驗管理與大田相同，以排除其它限制因子。

1.2 試驗設計

采用雙因素區組設計，以臭氧為主區組，鎘處理為副區組。

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

1.2.2 戾氧熏蒸本試驗OTC高2.2m，是邊長1m的八面體結構，由鋁合金和玻璃組合而成，包括通氣、過濾及布氣系統。O₃由臭氧發生器(cF－KGl，山美水美環保高科技有限公司，北京)產生，并用臭氧監測器(Model205，2B高科技公司，美國)對OTC中的O₃濃度進行實時監測。設置兩個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日進入開花期開始熏蒸，每天熏蒸時間為9：00—17：00。

共有4個處理，即CK、+cd、+O₃、O₃+cd，每處理6個重復。

1.3 測定項目

1.3.1 氣體交換和葉綠素熒光指標分別在臭氧處理后0、7、14、21天利用光合一熒光測定系統(GFS-3000，Heinz Walz，Germany)測定旗葉飽和光強下的凈光合速率同時測定光下的葉綠素熒光。葉室光強設定為1600 txmol·m^-2·s^-1，相對濕度為60％±15％，溫度為27℃；CO₂濃度為環境中濃度。待氣體交換參數穩定后開始記錄，得到光合速率(Asat)、氣孔導度(Gs)、胞間CO₂濃度(ci)以及穩態葉綠素熒光(Fs)，打開飽和脈沖光0.8s獲得光適應后的最大熒光(Fm′)。光合測定結束后進行暗適應40min后，測定最小(Fo)和最大熒光(Fm)。計算最大光化學效率(Fv／Fm)、光化學淬滅(qP)、非光化學淬滅(qN)以及電子傳遞效率(ETR)。

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

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel 2003進行數據處理，用SPSS 15.0統計軟件進行統計分析，用Sigmaplot10作圖。

2 結果與分析

2.1 臭氧與鎘復合脅迫對小麥花后光合指標的影響

在開花當天，鎘處理已導致旗葉凈光合速率降低了8.8％，顯著低于對照(P<0.05)。花后第7天，與對照相比，臭氧處理導致凈光合速率降低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天出現顯著下降，花后21天，下降趨勢更加明顯，但+cd與O₂+Cd處理較接近(圖1A)。氣孔導度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和光化學淬滅qP的變化趨勢與Fv／Fm基本相同(圖2B、2C)。而+O₃+Cd和O₃+Cd的非光化學淬滅系數qN顯著高于對照，O₃+cd處理的最高，但與+cd處理差異不顯著(圖2D)。

2.3 臭氧與鎘復合脅迫對小麥產量性狀的影響

與對照相比，+O₃處理的穗粒數下降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處理的收獲指數降低不顯著，僅O₃+Cd處理降低達顯著水平(表1)。

3 結論與討論

鎘和臭氧降低旗葉凈光合速率，加快植株衰老，減緩生長，降低了植株產量。本試驗結果顯示，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植株造成的傷害。氣孔導度和凈光合速率的變化趨勢基本一致，但胞間CO：濃度逐漸升高，顯著高于對照，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效率。在本試驗中，鎘處理顯著降低了旗葉最大光化學效率、電子傳遞效率和光化學淬滅，與臭氧的復合脅迫導致了進一步的降低。同時非光化學淬滅也顯‘著提高表明PSⅡ反應中心被關閉的比例增大，又由于固定cOO₂能力降低，熱耗散的激發能增多。

光合作用的降低最終導致植株產量的減少。臭氧對穗粒數影響不明顯，而鎘以及臭氧加鎘處理均顯著降低穗粒數。在臭氧加鎘處理中，千粒重進一步降低，導致單穗粒重進一步減少，進而顯著降低了收獲指數。