开顶式同化室O3浓度升高对水稻土微量元素有效性的影响

谭云燕，张国友，邵亚军，施秀珍，冷鹏，王丽燕，王建青*

（1.福建师范大学a.地理科学学院，b. 湿润亚热带生态-地理过程教育部重点实验室，福州 350117；2. 南京信息工程大学 应用气象学院 江苏省农业气象重点实验室，南京 210044）

0 引言

近年来，由于人类活动向大气排放大量氮氧化物和挥发性有机污染物，导致近地面大气臭氧（O3）浓度增长速度不断加快，预计到2050年将比现在高出20%～25%[1]。在长江三角洲地区，O3污染已成为最主要的大气污染物之一，直接威胁粮食生产安全[1]。大量研究指出，大气O3浓度升高对农作物造成严重的减产威胁[2]。例如，大气O3浓度上升（约31～50 ug·L-1），导致大麦、小麦和水稻分别减产8.9%、9.7%和17.5%[2]。Ainsworth 等[3]通过整合分析发现在水稻生育期进行O3熏蒸，造成水稻的光合速率、气孔导度降低，最终导致产量下降。另一方面，O3通过植物叶片气孔进入细胞，引起植物叶片细胞氧化，对水稻生理过程、产量以及养分吸收造成胁迫[4]。目前，大气O3浓度升高对农田生态系统的影响研究主要集中在地上部分如作物生长、产量等方面，而对地下部分尤其是土壤养分供应方面的研究较少。

土壤微量元素对植物的生长发育起着不可替代的作用。微量元素缺乏可能会导致植物无法正常生长，加速植物衰老，影响植物体内的物质组成和生理代谢过程[5-6]。水稻作为中国最主要的粮食作物，养活了世界上一半以上人口，为人类提供了主要的矿物质元素来源[7]。土壤微量元素Fe、Mn、Cu、Zn有效态的浓度直接影响作物体内微量元素的转运与吸收，进而影响粮食品质安全[7]。然而，土壤微量元素有效性对全球气候变化的响应非常敏感[8]。未来气候变化可能通过影响植物生理过程，改变土壤微量元素有效态含量[9]。过去的研究报道大气O3浓度升高通过改变农田土壤环境和水稻生理状况，提高土壤微量元素有效态含量[8]。尹微琴等[10]在开放式 O3浓度增加的 FACE平台研究发现，大气O3升高降低了麦田土壤微量元素Cu、Zn的有效态含量，从而影响植物成熟期地上部分微量元素的积累。土壤作为植物微量元素的直接来源，是影响粮食品质的重要因素[5]，因此确保土壤微量元素有效性至关重要。在先前的大气O3浓度升高试验中，土壤微量元素的响应存在不一致性，水稻品种可能是影响土壤微量元素有效性的重要因子。迄今为止，大气O3浓度升高条件下，不同水稻品种土壤微量元素有效性的响应机制还尚不清楚。

本研究利用模拟大气O3浓度升高的OTC试验，研究大气O3浓度升高对土壤微量元素有效态含量的影响。选用汕优63和武育粳3两种水稻品种，分析水稻土Fe、Mn、Cu、Zn的有效态含量，对比研究不同水稻品种土壤微量元素对大气O3浓度升高的响应，试图揭示大气O3浓度升高的背景下不同水稻品种土壤微量元素有效性的动态变化，为未来气候变化下的粮食生产安全提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省江都区扬州绿色农业研究与示范基地（119°43′E, 32°25′N）。该试验区属于亚热带季风气候区，多年平均气温16.2℃，多年平均降水量1 131 mm。该区实行稻麦轮作体系，主要种植夏季水稻和冬小麦。土壤类型为潴育型水稻土，质地为粘壤土[4]。试验前土壤的基本性质为：土壤pH值7.05，总碳（TC）6.94 g·kg-1，总氮（TN）1.05 g·kg-1。

1.2 试验设计

该试验在开顶式气室（OTC）中进行。开顶式室（OTC）是一个顶部留有开口的正八面柱体装置，整个装置直径4.8 m，高2.3 m。气体从底部进入，从顶部开口排出。在试验中，OTC内的空气与O3发生器（HY003，济南创成科技有限公司）提供的O3气体混合均匀，并使用O3分析仪（美国 Thermo Scientific公司）实时监测记录气室内的空气O3浓度[11]。

以往的剂量-响应试验发现作物产量损失与O3浓度密切相关，植物损伤阈值为40 nmol·mol-1O3[12]。因此，本试验设置2个O3处理：过滤空气（charco filtered, CF）和高浓度O3空气（自然环境空气+40 nmol·mol-1O3, NF），每个处理设两个水平，3个重复（n=3）。其中，过滤空气中的O3累积剂量 AOT40（气室内每小时 O3浓度超过 40 nmol·mol-1的累计值）为0.49 μmol·mol-1·h-1；高浓度O3空气的AOT40 值在水稻分蘖拔节期为（9.54±0.41）μmol·mol-1·h-1，抽穗灌浆期为（9.61±0.23）μmol·mol-1·h-1[11]。选用了两种当地水稻品种，汕优63和武育粳3，利用当地农田土壤进行盆栽试验。2020年5月20日进行育苗，7月2日移至盆栽中（直径22 cm、高31 cm），7月25日开始熏蒸，在整个作物生长期间，白天进行O3熏蒸，通气时长为每天10 h（8：00—18：00，雨天停止通气）。水稻汕优63于10月18号收获，武育粳3于10月31号收获。

1.3 土壤样品的采集与分析

水稻收获后，采集盆栽内0～15 cm的表层土壤样本，仔细清除所有根系和植物残留物。将土壤样品过2 mm筛网后，一部分留存4℃冰箱；一部分进行风干，以便进一步分析和测定。

土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效态含量采用DTPA-CaCl2-TEA浸提液浸提，DTPA-CaCl2-TEA浸提液中含有1.97 g二乙烯三胺五乙酸（DTPA）、1.47 g氯化钙（CaCl2）和13.3 mL三乙醇胺（TEA），用6 mol·L-1的盐酸（HCl）将溶液pH值调整至7.3[13]。称取10.0 g过2 mm筛的风干土样放于100 mL三角瓶中，加入20.0 mL DTPA浸提剂，在25℃下放入振荡机（180 r·min-1）振荡2 h，溶液过滤，用原子吸收分光光度计（Thermo M 939QZ/989QZ）测定微量元素有效态浓度[13]。土壤pH值采用电位法，土水比按1∶2.5测定。土壤微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）用氯仿熏蒸法测定，无醇氯仿（CHCL3）熏蒸24 h后，用0.5 mol·L-1K2SO4进行浸提，浸提液分别用总有机碳分析仪（Jena TOC Analyzer, Germany）和连续流动分析仪（Skalar, The Netherlands）测定并进行换算，计算系数分别为0.38和0.45[14]。土壤可溶性有机碳（DOC）和可溶性有机氮（DON）用K2SO4进行浸提，浸提液分别在总有机碳分析仪（Jena TOC Analyzer, Germany）和连续流动分析仪（Skalar, The Netherlands）上进行分析。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2016进行整理，每种处理3个重复，所有结果表示为平均值±标准差（SD）。使用SPSS 26.0进行显著性检验和方差分析。利用双因素方差（two-way ANOVA ）分析大气O3浓度升高和水稻品种及其交互作用对土壤微量元素有效态含量以及土壤生物化学性质、水稻产量的影响。当P<0.05时，处理之间的差异被认为具有统计学意义。采用Pearson相关分析探究土壤生物化学性质与水稻土微量元素有效态含量之间的关系。

2 结果与分析

2.1 大气O3浓度升高对土壤微量元素有效态的影响

表 1 大气O3浓度升高和水稻品种对水稻土微量元素有效性影响的双因素方差分析 Table 1 A two-way ANOVA for the effects of elevated O3 and rice variety on microelement availability in paddy soil

图 1 大气O3浓度升高对水稻土微量元素有效态含量的影响Figure 1 Effects of elevated O3 on the availability of microelements in paddy soil

在大气O3浓度升高处理中，土壤微量元素Fe、Cu有效态含量发生了显著变化。与对照相比，大气O3浓度升高条件下，两个水稻品种土壤Fe有效态含量平均降低了35.0%（P=0.001），土壤Cu有效态含量平均降低了9.7%（P=0.002，表1）。水稻品种显著地改变了土壤微量元素Mn、Cu、Zn有效态含量。与汕优63相比，武育粳3土壤Mn有效态含量降低了32.9%（P=0.003），土壤Cu有效态含量降低了7.2%（P=0.010），但Zn有效态含量却提高了37.4%（P=0.012，表1）。

不同水稻品种土壤微量元素有效态浓度对大气O3浓度升高的响应存在明显的差异（图1）。与对照相比，大气O3浓度升高条件下，水稻品种汕优63土壤微量元素Fe有效态含量降低了35.2%（P=0.036），土壤微量元素Cu有效态含量下降了12.5%（P=0.005），土壤微量元素Zn有效态含量降低了37.2%（P=0.007）。大气O3浓度升高条件下，水稻品种武育粳3土壤微量元素只有Fe有效态含量下降了34.7%（P=0.009），而对武育粳3土壤微量元素Mn、Cu、Zn有效态含量均没有显著的影响。对比两种水稻品种发现水稻汕优63土壤微量元素有效态含量受大气O3浓度升高的影响幅度更大。

2.2 大气O3浓度升高对土壤生物化学性质及水稻产量的影响

与对照相比，大气O3浓度升高处理下，两个水稻品种土壤DOC和DON分别降低了21.3%和68.5%（表2）。大气O3浓度升高和水稻品种对土壤MBN、水稻产量的影响存在明显的交互作用（P=0.027、P=0.005）。大气O3浓度升高造成汕优63土壤MBN下降40.2%，而对武育粳3土壤MBN没有明显的影响。与对照相比，大气O3浓度升高处理下，两个水稻品种产量平均降低了37.9%（P<0.001）。与汕优63相比，武育粳3土壤水稻产量降低了46.8%（P<0.001）。

2.3 土壤微量元素有效性与土壤生物化学性质的相关性

如表3所示，土壤微量元素有效态含量与土壤理化性质之间的相关分析表明，土壤微量元素Fe有效态含量与土壤DOC含量间存在显著的正相关关系（P=0.033）；土壤微量元素Cu有效态含量与土壤DOC和DON含量间存在显著的正相关关系（P=0.023、P=0.046）。

表 2 大气O3浓度升高对土壤生物化学性质、水稻产量的影响Table 2 Effects of elevated O3 on soil biochemistry properties and yields

表 3 土壤性质与水稻土微量元素有效态含量间的Pearson相关分析 Table 3 Pearson’s correlation analysis among soil properties and availability of microelements in paddy soil

3 讨论

本研究结果表明，大气O3浓度升高在一定程度上降低了土壤微量元素的有效态含量。这可能主要是由于大气O3浓度升高降低了植物地上部分向根系运输的碳通量，造成土壤中的DOC含量下降[15]。大量研究表明大气O3浓度升高降低了植物的光合作用，导致作物产量、生物量以及根系生物量降低，造成植物碳水化合物向地下分配明显减少[1]。大气O3浓度升高主要通过关闭植物气孔导度和细胞氧化作用限制CO2进入植物体内，抑制植物叶片光合作用，限制植物生长，减少有机物质向地下根系的分配，进而影响土壤可溶性有机碳和养分循环[4]。另一方面，土壤可溶性有机质对土壤微量元素具有高度亲和力，且易分解、转化速度快，是影响土壤微量元素有效性的重要因素[16]。先前的研究也发现DOC含量与土壤微量元素有效态含量之间具有显著的正相关关系[17]。在本研究中，大气O3浓度升高显著降低了土壤DOC、DON含量，进而抑制了土壤微量元素Fe、Cu有效性。

全球气候变化通过影响土壤微生物群落生物量和活性，不可避免地影响了土壤微量元素有效性[18]。土壤微生物对微量元素具有很强的转化能力，通过分泌物代谢过程改变土壤环境的还原氧化条件，直接参与土壤微量元素生态过程,如土壤Fe、Mn的氧化还原反应[19]。土壤DOC、DON作为土壤微生物的底物来源，直接影响土壤微生物的生长繁殖。大量研究表明，由于大气O3浓度升高而减少土壤碳源输入，降低土壤微生物生物量和活性[1]。因此，在大气O3浓度升高的条件下，土壤微生物生物量和活性降低，无法有效地释放土壤微量元素[20]。显然，本试验中土壤微生物生物量在大气O3浓度升高的条件下显著降低，不利于提高土壤微量元素的有效性。

水稻品种显著改变了土壤微量元素Cu、Mn、Zn有效态含量。在本试验中，研究结果表明杂交稻汕优63土壤Cu、Mn有效态浓度要高于武育粳3土壤（图1）。这可能是由于两个水稻品种生物量、产量和根系生物量存在显著的差异，造成向土壤输入的有机质含量不一致。本试验发现，杂交稻汕优63地上生物量、产量要远高于武育粳3，为地下土壤提供了更多底物输入。在微生物的作用下，有机质中含有一定量的微量元素被释放出来。有研究发现有机质将其吸附的土壤微量元素转化为植物可利用形式，提高了土壤微量元素的有效性[21]。

水稻品种改变了土壤微量元素对大气O3浓度升高的响应。这可能是由于不同作物品种对大气O3浓度升高的抗氧化能力差异较大[22]。过去大量的研究指出大气O3浓度升高对水稻产量的减产幅度可能因水稻品种不同而存在较大的差异[23]。例如，大气O3浓度升高造成汕优63水稻的光饱和速率、叶绿素含量显著下降，而对武育粳3没有明显的影响，导致汕优63产量损失远高于武育粳3[24]。同一试验研究结果也发现，与汕优63相比，武育粳3的叶片氮含量更高，叶片抗氧化能力更强[11]。有研究认为耐受型品种可能通过调节植物气孔对O3的适应，提高抗氧化产物和相关酶的活力，最终减弱大气O3浓度升高对农田生态系统作物生产以及养分循环的不利影响[23,25]。汕优63的叶片气孔导度要高于武育粳3，从而增加汕优63叶片对O3吸收量，导致水稻叶片损伤、光合作用减弱、生产力下降[24]。因此，在大气O3浓度升高的条件下，武育粳3可能比汕优63具有更好的耐受性。在本试验中，相比汕优63，武育粳3或许缓解了大气O3浓度升高对土壤微量元素有效性造成的不利影响。全球气候变化背景下的粮食安全问题是人类生存必须面临的一项重大挑战。在大气O3浓度升高的条件下，土壤微量有效态含量的变化直接关系到水稻籽粒产量和品质，最终威胁粮食生产安全和人体健康[9]。然而，大量研究多倾向于探讨大气O3浓度升高对农田生态系统过程的影响，而对于如何缓解O3胁迫的相关研究较少。综上所述，大气O3浓度升高明显降低了土壤微量元素的有效态含量，但是影响幅度因水稻品种产生明显的差异，育种可能是应对和缓解大气O3浓度升高造成不利影响的重要途径之一[3]。例如，邵在胜等[25]的研究指出O3耐受水稻品种吸收土壤微量元素受大气O3浓度升高的负面影响较小，甚至有所增加，这表明水稻品种在缓解大气O3浓度升高对土壤微量元素循环的不利影响方面具有重要作用。因此，未来的研究或许可以基于水稻耐受基因序列，识别水稻O3耐受基因数量和性状点位，采用转基因技术，表达水稻的耐受基因，提高水稻对O3胁迫的适应能力，从而缓解大气O3浓度升高对土壤微量元素有效性的不利影响。

4 结论

在本试验中，大气O3浓度升高降低了土壤微量元素的有效态含量，但不同水稻品种土壤微量元素的响应存在较大差异。大气O3浓度升高的条件下，土壤可溶性有机物和微生物生物量是土壤微量元素有效态的重要调控因子。值得注意的是土壤微量元素有效态对大气O3浓度升高的响应因武育粳3和汕优63品种的不同而存在一定的差异，尤其是武育粳3可能适当地缓解了大气O3浓度升高对土壤微量元素有效态含量的不利影响。因此，未来研究或许可以通过水稻品种选育，适当地缓解地表O3浓度升高对水稻土微量养分循环以及籽粒品质安全的不利影响。