臭氧胁迫对水稻光合作用与产量的影响

采用开顶式气室（OTC）,对水稻“3694繁”（Oryza sativa L.3694 Fan）进行田间原位臭氧（O3）熏气实验,研究了不同O3浓度熏气处理下水稻光合色素、气体交换参数以及产量的响应。实验设置分4个水平：过滤大气组（CF,10 nL.L^-1）、自然大气组（NF,40nL.L^-1）和两个不同浓度的O3处理组（O1：100 nL.L^-1;O2：150 nL.L^-1）。结果表明：（1）与CF组相比,两个不同浓度的O3处理均导致水稻叶片光合色素含量大幅度下降,加速水稻的衰老过程;（2）在实验进程中,O3处理导致水稻叶片气体交换参数发生显著变化,饱和CO2浓度的净光合速率（Psa）t、气孔导度（Gs）、水分利用效率（WUE）、气孔限制值（Ls）和羧化效率（CE）均呈现下降趋势,表明O3浓度的升高使水稻光合作用对CO2的利用效率降低,水稻在灌浆期对O3最为敏感;（3）O3处理使水稻产量损失明显,当AOT40值达到2.32μL.L^-1h时,就能导致水稻产量10%的减产。     

水稻气孔臭氧通量拟合及通量与产量关系的比较分析

利用田间原位开顶式熏气装置（Open-Top Chambers,OTCs）,研究了5种不同浓度臭氧（O3）处理下（自然大气处理,AA;箱内大气处理,NF;箱内低浓度O3处理,NF＋30nL·L-1;箱内中等浓度O3处理,NF＋60nL·L-1;箱内高浓度O3处理,NF＋90nL·L-1）我国珠三角地区水稻产量损失与累积气孔O3通量（AFstX）和累积O3浓度（AOT40和SUM06）的关系,同时利用边界线拟合法,分析了不同环境因子作用下水稻剑叶气孔导度的变化特征。结果表明：水稻气孔运动的光饱和点和最适温度分别约为500μmol·m-2·s-1和33.1℃,水汽压差、物候期和O3暴露剂量的气孔限制临界值分别约为1.3kPa、500℃·d和5μL·L-1·h,高于此临界值时,气孔导度会明显下降。利用Jarvis气孔导度模型对水稻剑叶气孔导度和气孔O3吸收通量进行了预测,结果表明Jarvis模型解释了水稻实测气孔导度61%的变异性。O3吸收速率临界值（X）为2nmol·m-2·s-1时,累积气孔O3吸收量（AFst2）与水稻产量的相关性最高（R2=0.63）,明显高于O3浓度指标（AOT40和SUM06）与水稻产量的相关性（R2值分别为0.49和0.51）,表明基于气孔通量的O3风险评价指标能更好地反映水稻产量的变化。     

地表臭氧胁迫对大豆干物质生产和分配的影响

利用结构、性能完全相同的9个开顶式气室（OTC）,开展了大田试验条件下地表臭氧浓度增加对大豆干物质（DM）生产和产量的影响研究。实验设置三个处理：CK为未经处理的空气,T1处理的O3浓度为100nL.L^-1,T2处理的O3浓度为150nL.L-1。结果表明：不同浓度臭氧熏气下,不同生育期大豆干物质重、根瘤数、根瘤干重,鼓粒期根茎的转运率和移动率均显著下降（P〈0.05）。100nL.L^-1臭氧处理对叶片转运率和鼓粒期-成熟期干物质生产速率影响不显著;150nL.L^-1臭氧熏气下,大豆结荚出现时间推迟,叶片转运率和鼓粒期-成熟期干物质生产速率均显著下降。臭氧浓度升高显著降低大豆的单株粒数、粒重及产量,但对百粒重没有显著影响。以上结果表明,100nL.L^-1臭氧熏气下大豆产量显著下降的主要原因是干物质生产速率下降;而150nL.L^-1臭氧熏气下大豆产量显著下降,是由于干物质转移受抑制和干物质生产速率下降共同导致的。     

臭氧胁迫对冬小麦干物质生产和产量构成的影响

利用开顶式气室（OTC）开展了大田实验条件下地表臭氧浓度增加对冬小麦干物质（DM）生产和产量构成的影响。结果表明,与对照组相比,100nL·L^-1臭氧熏气下干物质量略有降低,150nL·L^-1臭氧熏气下显著降低;100nL·L^-1和150nL·L^-1臭氧熏气下叶面积,净同化速率（NAR）变化规律不明显;100nL·L^-1和150nL·L^-1臭氧熏气都使抽穗期的叶/总干重增加,根/总干重下降,抽穗后根/总干重上升,而成熟期的各器官干重分配均没有达到显著性水平;100nL·L^-1臭氧熏气使单位面积穗数和空秕率显著降低,150nL·L^-1臭氧熏气使空秕率、单位面积穗数、穗粒数、穗粒重出现了显著或极显著降低,臭氧熏气对千粒重没有显著性变化。以上结果表明,NAR是影响干物质累积速度的关键因子,在不同生育阶段,通过干物质的分配,对小麦生长发育起关键作用的器官在一定程度上能够抵抗臭氧对其的损害。臭氧通过影响粒数和粒重使冬小麦减产。     

地表O3胁迫下冬小麦光合生产和干物质累积变化的模拟研究

为定量评估地表臭氧（O3）胁迫对冬小麦光合生产的影响,引入了温度和生理年龄影响因子,并根据气孔导度和O3吸收通量模型计算得到的气孔O3吸收通量,建立了叶片O3吸收通量对最大光合速率的胁迫系数,结合呼吸作用模型,在系统动力学模拟环境中,模拟研究了O3胁迫下冬小麦光合生产和干物质累积的动态变化,并运用大田OTC试验的地上、地下部分的干物质实测数据验证了模拟值。统计分析表明,干物质全重、地上和地下部分干物质的模拟值与实测值没有显著差异,同时表明,在恒定的150nL·L^-1和100nL·L^-1 O^3,浓度的胁迫下,与对照组相比,干物质分别损失了29．5％和16．6％。     

外源抗坏血酸对臭氧胁迫下水稻光合及生长参数的影响

为研究臭氧浓度变化对水稻生长的影响及外源抗坏血酸的防护作用,在田间原位条件下,利用开顶式气室(OTCs)研究了外源抗坏血酸对O3胁迫下水稻光合及生长参数的影响.结果表明:在O3胁迫下,叶片的光合色素含量、气体交换参数、净同化率、相对生长速率及粒/叶面积(cm2)均显著下降;喷施外源抗坏血酸后,叶绿素a含量、叶绿素a/叶绿素b以及水稻叶片的光合速率、蒸腾速率显著升高,而叶绿素b含量和气孔导度变化不显著;外源抗坏血酸对O3胁迫下水稻的净同化率、相对生长速率及粒/叶面积(cm2)影响比较显著,特别是粒/叶面积(cm2)的提高有利于水稻源、库协调发展,为提高水稻产量和改进品质奠定了物质基础.     

NO浓度对小白菜生长和品质的影响

【目的】研究不同浓度NO气体对小白菜生物量、营养及抗氧化品质的影响,以期为大气NO污染的植物生态响应研究及农业生产提供理论依据。【方法】以小白菜为研究对象,采用密闭体系内土培的种植方式,研究浓度 (0、100、200和400 nL/L) 外源NO气施对小白菜生物量以及营养品质 (硝酸盐、可溶性糖和可溶性蛋白) 和抗氧化品质 (总酚、总黄酮和抗坏血酸) 的影响。【结果】1) 100、200和400 nL/L外源NO气体处理下,小白菜鲜重分别比对照增加了64%、42%和10%;干重增加了88%、61%和49%,以施加NO 100 nL/L最有利于的小白菜生长。2) 与不施加NO对照相比,施加外源NO气体100、200和400 nL/L使小白菜叶片硝酸盐含量分别减少了59%、76%和94%。NO气体也有利于小白菜可溶性糖以及可溶性蛋白含量的积累,并以100 nL/L时的促进效果最佳。3) 与对照相比,100、200和400 nL/L外源NO气体均促进了小白菜体内总酚、总黄酮及抗坏血酸的含量。【结论】适量外源NO气体对小白菜的生物量及品质均有一定的促进效果。综合来看,在蔬菜大棚生产中,施加NO 100 nL/L提高小白菜生长和品质的效果最好。     

外源钙对镉胁迫下芥菜型油菜幼苗生长和生理特性的影响

通过水培试验研究5、10mmol·L^-1Ca^2＋对不同水平镉处理下的油菜幼苗生物量、根长、丙二醛（MDA）和H2O2含量以及抗氧化酶活性的影响,利用HPLC分析外源钙对油菜幼苗镉胁迫下还原型谷胱甘肽（GSH）含量的变化情况。结果表明,镉处理浓度为150、300、450μmol·L-^1时,5和10mmol·L-1Ca^2＋均能有效增加植株的生物量和根长,5mmol·L^-1Ca^2＋能显著减少油菜幼苗中MDA和过氧化氢（H2O2）含量,增强超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽转移酶（GST）的活性及GSH的含量。镉胁迫浓度为600μmol·L-1时,施钙后油菜幼苗出现生物量低、MDA含量高、抗氧化酶活性和GSH含量均下降,与CK相比差异不显著（P〉0.05）。镉处理浓度≤450μmol·L-1时,5mmol·L^-1Ca^2＋能明显缓解芥菜型油菜生长和生理所受胁迫,外源钙可作为减轻镉胁迫对油菜毒害的保护剂。     

地表臭氧胁迫对冬小麦籽粒品质的影响研究

为深入探讨地表臭氧（O3）对冬小麦品质的影响,采用开顶式气室（OTC）,设置3个处理组：CK（对照组）、CF100（O3浓度为100 nL·L-1）、CF150（O3浓度为150 nL·L-1）,通过大田试验和实验室分析,开展了O3浓度增加对冬小麦蛋白质及其组分、氨基酸及其组成、淀粉含量等营养品质和加工品质的影响研究。结果表明：①籽粒氨基酸总量依次为CF100〉CF150〉CK,而人体所需的必需氨基酸总量为CF150〉CF100〉CK,处理间均差异显著（P〈0.05）。②粗蛋白含量随O3浓度的升高而增加,但各组分间变化趋势不同：清蛋白、球蛋白的含量为CF150〉CF100〉CK,醇溶蛋白、谷蛋白的含量则为CF100〉CF150〉CK。③淀粉含量随着O3浓度的升高而降低,两者呈显著负相关（P〈0.05）,与CK相比,CF100、CF150冬小麦淀粉含量分别下降了4.06%和16.61％。可见,O3胁迫能促进籽粒营养品质和加工品质的合成。     

开放式臭氧浓度升高对水稻叶片光合作用日变化的影响

运用开放式臭氧浓度升高系统（O3-FACE：Ozone-free air controlled enrichment）平台,以武运粳21（粳稻）和两优培九（杂交稻）两个耐性不同的品种为材料,研究了大气臭氧浓度升高对水稻叶片光合作用日变化的影响,旨在为高臭氧浓度条件下水稻生产和国家粮食安全的制定提供理论依据。结果表明,臭氧胁迫未改变光合作用日变化规律,处理和对照下净光合速率和气孔导度日变化相似,均呈现单峰曲线,高峰值出现在11：00—15：00之间;胞间CO2浓度日变化趋势与气孔导度和净光合速率日变化不一致;臭氧处理55 d对净光合速率和气孔导度影响较小,随着处理时间的延长,相关指标降低幅度变大,而胞间CO2浓度没有降低,说明臭氧对水稻的影响是一个累积过程,净光合速率降低的主要因素是由非气孔限制引起的;武运粳21的净光合速率和气孔导度在臭氧处理时的降低幅度小于两优培九,这种品种间的差异表明武运粳21比两优培九对臭氧耐受性强。     

近地层臭氧浓度升高对常规稻颖花形成的影响：FACE研究

FACE（free air gas concentration enrichment）研究使用标准的作物管理技术,在完全开放的大田条件下运行,代表了目前人类对未来大气环境的最好模拟。利用独特的大型稻田FACE平台,以典型的常规水稻品种武粳15（粳稻）和扬稻6号（籼稻）为供试材料,研究近地层臭氧（O3）浓度升高（比大气背景臭氧浓度平均增高26%）对常规水稻颖花形成的影响。结果表明：（1）高浓度O3对供试品种全穗以及一、二次枝梗颖化分化数均无显著影响;（2）高浓度O3使供试品种全穗和二次枝梗颖花退化数和退化率均显著增加,颖花退化增多是由于现存一次枝梗上二次枝梗大量退化而引起的二次颖花退化所造成;（3）颖花退化数在颖花分化数中所占比例很低,故高浓度O3对两供试品种全穗和一、二次枝梗颖花现存数以及稻穗构成均无显著影响。结合前报可知,选用常规水稻品种以及增施保花肥可能是未来近地层高浓度O3环境下稻作生产重要的适应措施。     

遮荫条件下O_3胁迫对冬小麦气孔导度影响的模拟

为了探究在遮荫条件下地表O3浓度增加对冬小麦气孔导度的影响,开展了两种不同强度遮荫与开顶式气室（OTC）相结合的大田试验,设置3个处理组：O3浓度为（100±9）nL.L-1结合（60±5）%遮荫的处理组（T1）;O3浓度为（100±9）nL.L-1结合（20±5）%遮荫的处理组（T2）;O3浓度为（100±9）nL.L-1不作遮荫的处理组（CK）。利用SC-1型气孔导度仪测定了3个处理组冬小麦不同生育期的气孔导度值。综合分析了生育期和O3胁迫,以及水汽压差（VPD）、温度（T）、光照（PAR）环境因子的变化对冬小麦气孔导度的影响,采用修正后的Jarvis非线性气孔导度模型模拟了3个处理组的气孔导度值。结果表明：遮荫对大田环境因子均产生了影响,其中,T1、T2处理组8：00—16：00点的平均温度和水汽压差较CK相比分别下降了5.6℃、4.1℃和0.84kPa、0.74kPa;用该模型得到的气孔导度模拟值与观测值进行了比较,R2=0.88,表明模型模拟效果良好;同时,根据O3吸收通量模型计算出T1、T2和CK处理组在整个O3熏蒸时期,冬小麦O3累积吸收通量分别为14.92、15.52、16.23mmolO3.m-2,并由此建立了O3吸收通量（x）与干物质损失（y）的关系分别为：y=1.0-0.038x和y=1.0-0.022x,表明在相同O3胁迫条件下,遮荫导致了冬小麦O3累积吸收通量的差异,在60%和20%遮荫条件下,O3吸收通量增加10mmol.m-2,与CK相比,其干物质累积损失分别为38.0%和22.0%。     

地表臭氧胁迫对北方冬小麦光合及生理特征的影响

为进一步探明北方地区地表臭氧（O3）浓度增加对冬小麦光合日变化、光响应能力和气体交换的影响,通过开顶式气室（OTC）,利用LI-6400便携式光合仪,开展了4种O3熏气水平下光合作用的原位测定（碳滤空气,CF;自然空气,NF;100 nL.L-1,CF100;150 nL.L-1,CF150）。结果表明,在拔节初期,4个处理组间的净光合速率Pn、气孔限制值Ls及胞间CO2浓度Ci均无显著差异。在抽穗期,CF100、CF150处理的Pn较CF降低了37.0%~41.8%,气孔导度Cond下降了35.7%~38.9%,Ci上升了6.7%~10.5%。在灌浆期,CF100的最大光合速率Pm、半饱和光强Ik较CF降低了23.5%~46.7%,暗呼吸速率Rd增加了8.6%;CF150的Pm、表观量子产额AQY和Ik较CF下降了10.4%~26.1%,光补偿点LCP和Rd增加了51.2%~88.0%。随着O3浓度和熏蒸时间的增加,冬小麦叶片的叶绿素Chl和类胡萝卜素Car含量显著降低,而可溶性糖和丙二醛MDA含量明显增加,且均在灌浆期差异最显著。以上结果表明,O3对冬小麦光合作用的抑制作用具有明显的时间累积效应,且随熏气时间的延长,叶片光合作用的限制条件由气孔因素主导向非气孔因素主导转变;同时,O3胁迫使植株对强光的耐受性及对强、弱光的利用效率均下降。     

地表臭氧浓度增加对南京地区冬小麦生长和产量的影响

利用改进后的开顶式气室（OTC）,开展了O3浓度增加对冬小麦生长与产量影响的大田实验研究。实验设置三种处理：CK为未经处理的空气,CF100处理O3浓度为100nL／L,CF150处理O3浓度为150nL／L。结果表明,地表O3浓度增加,冬小麦生育期缩短,籽粒的灌浆期缩短,植株提前老化;同时,冬小麦的株高、生物量、叶面积等生长指标均显著下降（P〈0．05）,最大降幅分别达到了10．01％、36．56％和29．17％;冬小麦的穗数、穗粒数、单位面积产量等产量指标也都出现了显著下降（P〈0．05）,其中CF100、CF150处理的单位面积产量分别比CK下降了16．11％和39．17％。试验结果对于评估地表O3浓度增加对粮食安全的影响具有重要的指导意义。