水分、氮素处理对小麦臭氧敏感性的影响

摘要

臭氧(O3)属于二次污染物，它是由机动车、工厂等人为源以及天然源排放的氮氧化物质(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等污染物在大气中经光化学反应形成的。O3具有强氧化性，主要通过气孔进入植物体内，可降低植物的净同化作用，减缓植物生长，改变同化分配。然而不同植物种以及同一物种的不同品种对O3的敏感性存在差异。高浓度O3可改变植物气孔的可塑性，而气孔导度的降低可减少植物的O3吸收量，从而可减轻O3对植物的伤害程度。
　　 有研究表明高浓度O3环境下，植物表现出较低的气孔导度，而对O3敏感性不同的植物其气孔导度对O3的反应程度也不同。环境胁迫如干旱等能调控植物气孔导度的大小，同时这也影响着O3对气孔导度的作用。研究发现六倍体小麦对O3最为敏感，二倍体次之，而四倍体小麦的O3敏感性最小;与六倍体小麦相比，四倍体小麦对干旱相对敏感，但对O3却表现出较高抗性。已有研究显示干旱可降低气孔导度，从而减少植物对O3的吸收量，并且不同基因型物种间可能存在一定差异。
　　 本研究主要是在野外设置的上部开口的生长箱(open-top chamber，OTC)内进行。OTC内设置对照(CF，[O3]＜5 ppb)和O3(+O3，[O3]＜80±5 ppb)两个水平，并设置不同土壤含水量和施氮处理，对盆栽的三种不同染色体倍性的小麦在不同土壤含水量(H0，83％; H1，42％)和施氮（不施氮N0;施氮N1）的条件下，通过测定其形态指标、光合和荧光特性在不同处理下的差异，探讨土壤水分、氮素及其互作对小麦O3敏感性的影响。实验材料为小麦及其近缘种:普通小麦(六倍体，T.aestivum L.)、圆锥小麦(四倍体，T.turgidum ssp.durum)和栽培一粒小麦(二倍体，T.monococcum)。主要研究结果如下:
　　 1.普通小麦及其近缘物种对臭氧的响应及差异
　　 高浓度O3显著降低小麦的PNsat和gs，并且存在显著的种间差异。O3对普通小麦PNsat和gs(-10.15％，-27.14％)的影响大于栽培一粒(-8.03％，-12.05％)和圆锥小麦(-4.79％，-9.51％)。而净光合速率的降低引起干物质积累下降，从而使小麦生长受到影响，降低小麦的地上(-16.67％)、地下(-32.67％)和总干物重，但增加其根冠比。与普通小麦相比，栽培一粒（二倍体）对O3的敏感性较小，圆锥小麦（四倍体）的O3抗性较大。而圆锥小麦和栽培一粒对O3表现出较低敏感性，原因在于其NPQ显著增加，导致光合机构受损程度减小，从而提高其抵御O3胁迫的能力，而普通小麦NPQ增加不显著，这就说明其光合系统的光保护机制受到了严重损害。因此，不同小麦种对O3敏感性存在一定的差异。
　　 2.干旱对普通小麦及其近缘物种臭氧敏感性的影响
　　 与正常供水相比，干旱显著降低小麦PNsat、gs、地上、地下和总干重。干旱可降低气孔导度，从而减少小麦的O3吸入量，但干旱导致物种对O3的反应存在显著的种间差异。其中对圆锥小麦PNsat、gs、地上、地下和总干重的影响较显著。因此与普通小麦相比，圆锥小麦和栽培一粒的干旱抗性较小。干旱与O3互作降低PNsat、gs、Ci、Fm、Fv/Fm、 Yield，增加qP和NPQ，交互作用显著降低圆锥小麦的PNsat和gs，却明显增加普通小麦和栽培一粒的qp和NPQ，这说明圆锥小麦光保护机制可能受到了严重的伤害。而与单独O3处理相比，干旱导致小麦对O3的反应存在种间差异。干旱降低圆锥小麦的O3抗性，增加了栽培一粒的O3敏感性，却明显降低了普通小麦的O3敏感性。因此，水分胁迫可调控小麦的O3敏感性，并存在一定的种间差异。
　　 3.氮素添加对普通小麦及其近缘物种臭氧敏感性的影响
　　 施氮对小麦PNsat、gs和干物质的影响存在显著的种间差异。施氮增加PNsat，其中对圆锥小麦和栽培一粒的影响较大。氮肥增加地上、地下和总干重，其中对圆锥小麦和栽培一粒的影响较大，且施氮对地下部的影响大于地上部。施氮与O3交互降低小麦的PNsat和gs，其中对普通小麦的影响较显著，而对栽培一粒和圆锥小麦的影响不显著。施氮与O3互作对地下部的影响大于地上。而与单独O3处理相比，施氮减少了O3对小麦光合、荧光、生物量的降低程度，其中对普通小麦的影响较明显，而对圆锥和栽培一粒的影响很小。因此，增施氮肥可在很大程度上缓解O3对小麦光合、干物质积累的影响，但也存在一定的种间差异。
　　 4.干旱与氮素交互对普通小麦及其近缘物种臭氧敏感性的影响
　　 与正常条件相比，干旱、施氮交互降低小麦的PNsat和gs，且存在显著的种间差异，其中对圆锥小麦和栽培一粒的影响较显著，而对普通小麦的影响最小。降低地上、地下和总干重，其中对地上部的影响大于地下部。在高浓度O3环境下，与对照相比，干旱氮素交互降低PNsat、gs和干物质积累，并存在显著的种间差异，其中对普通小麦和栽培一粒的影响较显著，而对圆锥小麦的影响最小。在干旱、施氮及O3交互条件下，与干旱相比，施氮加大其交互作用对小麦PNsat、gs、地上、地上和总干物重的降低程度，并存在显著的种间差异，其中对栽培一粒的影响较显著，对地下部的影响大于地上。而与施氮相比，干旱也同样增大其交互作用对小麦的影响，对地下部的影响大于地上，也存在显著的种间差异，其中对栽培一粒的影响较大。因此，在高浓度O3环境下，干旱、增施氮肥都可分别加大其交互作用对小麦的影响，其中干旱的影响效应大于施氮，也存在一定程度的种间或种内差异。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 臭氧的发生、发展趋势

1．2．2 近地面臭氧浓度升高对植物生长发育的影响

1．2．3 决定植物臭氧敏感性差异的因子

1．2．4 影响植物臭氧敏感性的环境因子

1．3 本论文关注的科学问题

1．4 本论文的研究内容

第二章 材料与方法

2．1 试验地点

2．2 试验装置

2．3 试验设计

2．3．1 供试材料

2．3．2 试验处理

2．4 测定内容与方法

2．4．1 气体交换的测定

2．4．2 叶绿素荧光的测定

2．4．3 干物质积累与分配

2．5 统计分析

第三章 结果与分析

3．1 土壤水分对小麦臭氧敏感性的影响

3．1．1 气体交换(Gas exchange)

3．1．2 叶绿素荧光(Chlorophyll fluorescence)

3．1．3 光、CO2响应曲线参数

3．1．4 干物质积累与分配

3．2 氮素添加对小麦臭氧敏感性的影响

3．2．1 气体交换(Gas exchange)

3．2．2 叶绿素荧光(Chlorophyll fluorescence)

3．2．3 光、CO2响应曲线参数

3．2．4 干物质积累与分配

3．3 干旱与氮素添加交互作用对小麦臭氧敏感性的影响

3．3．1 净光合速率和气孔导度

3．3．2 叶绿素荧光(Chlorophyll fluorescence)

3．3．3 光、CO2响应曲线参数

3．3．4 干物质积累与分配

第四章 讨论

4．1 臭氧对植物生长的影响

4．2 干旱对植物臭氧敏感性的影响

4．3 氮素添加对植物臭氧敏感性的影响

4．4 干旱与氮素添加对植物臭氧敏感性的交互影响

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．1．1 臭氧对小麦生长的影响及差异

5．1．2 干旱对普通小麦及其近缘物种臭氧敏感性的影响

5．1．3 氮素添加对普通小麦及其近缘物种臭氧敏感性的影响

5．1．4 干旱与氮素交互对普通小麦及其近缘物种臭氧敏感性影响

5．2 创新之处

5．3 研究展望

参考文献

致谢