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大气臭氧浓度升高对农作物生长及农田土壤参与氮循环微生物功能群的影响机理

伍文  
【摘要】:臭氧(03)是最具危害性的空气污染物之一,对农作物有较强的伤害作用。目前由于03浓度升高造成的农作物产量损失已经引起人们的普遍关注。本研究选取华南地区和京津塘地区作为实验地点,以当地的主要粮食作物水稻、玉米、蔬菜及冬小麦作为研究对象,应用改进的开顶式气室方法研究03污染胁迫对农作物叶片可见伤害、抗氧化系统酶活、膜脂过氧化程度、土壤微生物功能群数量等的影响。主要结论如下: 1、03胁迫可导致作物出现明显的伤害症状,且随着03浓度的升高作物受害越严重。03浓度增加使农作物黄叶增多、叶绿素含量下降、叶片气孔关闭、质膜透性增加、引起膜脂过氧化、农作物的抗氧化能力减弱、光合作用受到抑制,最终造成生物量降低。低浓度03导致作物叶面积减少,使其提前衰老;高浓度03能使蔬菜出现干枯、失水、褪绿、出现褐斑、新叶脉扭曲等现象,停止熏气后,受害组织无法恢复。 2、03污染胁迫对不同蔬菜和作物叶片MDA(丙二醛)含量和可溶性蛋白质含量影响不一样。小白菜叶片MDA含量和可溶性蛋白质含量随03浓度的升高出现略微升高的趋势。在不同03处理下,油菜花叶片MDA含量均高于对照,最高含量比对照处理增加144.5%。油菜花叶片可溶性蛋白质含量在03处理下显著(p0.05)低于对照处理。03对油麦菜叶片MDA含量的影响不明显,只有在高浓度(200ppb)O3处理下显著(p0.05)低于对照处理,降幅为128.5%,同样油麦菜叶片可溶性蛋白质含量只在较高03浓度处理下才出现明显上升的变化。玉米叶片MDA含量在100ppb的03处理下显著p0.05)低于对照处理,降幅为17.5%;在100、150和200ppb O3处理下,玉米叶片可溶性蛋白质含量分别比对照处理降低36.5%、37.8%和44.8%。 3、不同蔬菜和作物叶片的POD(过氧化物酶)、SOD(超氧化物歧化酶)和CAT(过氧化氢酶)含量也随着03的污染胁迫发生不同的变化。随着03浓度的升高,小白菜叶片POD含量逐渐升高,SOD含量变化不明显,CAT含量随03浓度的升高出现先升高后降低的变化趋势。油菜花叶片SOD含量在各个O3处理之间无显著性差异,但均显著高于对照处理,POD和CAT含量变化大致相同,均比对照处理增加,在200ppb O3处理下油菜花叶片POD和CAT含量分别比对照处理提高334.6%和663.4%。油麦菜叶片SOD含量均比对照降低,100和200ppb O3分别较对照处理降低23.8%和26.5%,POD含量随03浓度的升高而增加,最高含量较对照增加634.0%,CAT含量出现先增加后降低的趋势。玉米叶片CAT含量随03浓度的升高均是先升高再降低,POD含量在O3处理下,均显著高于对照,最高增幅为142.9%。 4、O3污染胁迫对不同蔬菜土壤中参与氮循环的微生物数量变化有影响。O3对小白菜土壤AOA(氨氧化古菌酶)基因拷贝数的影响不明显,只有150ppb O3与其余处理有显著差异(p0.05),AOB(氨氧化细菌酶)基因拷贝数在100、150和200ppb O3处理下分别比对照处理降低33.5%、58.5%和57.6%,nosZ(反硝化细菌酶)基因拷贝数在150ppb和200ppb的O3处理下均比对照处理降低,而100ppb O3处理显著p0.05)高于其他处理。油菜花土壤中AOA基因拷贝数在O3处理为100、150和200ppb时分别比对照降低13.6%、24.9%和51.2%,AOB基因拷贝数只有在150ppb O3处理下与其余处理有显著差异,油菜花土壤nosZ基因拷贝数在O3处理下均显著低于对照。油麦菜土壤AOA基因拷贝数在O3的处理下逐渐降低,AOB基因拷贝数在150ppb和200ppb O3处理下分别比对照降低34.4%和72.0%,油麦菜土壤nosZ基因拷贝数在O3浓度为100、150和200ppb的处理下,分别比对照处理增加364.9%、256.3%和47.7%。 5、O3污染胁迫对不同粮食作物土壤中参与氮循环的微生物数量变化也有影响。O3对玉米土壤AOA基因拷贝数的影响不太明显,但显著地降低玉米土壤AOB基因拷贝数,100、150和200ppb O3处理时AOB基因拷贝数分别比对照降低30.2%、38.9%和56.7%。玉米土壤nosZ基因拷贝数在100、150和200ppb O3处理下分别比对照处理提高566.0%、55.2%和117.9%。O3胁迫可导致水稻土壤AOB和AOA基因拷贝数明显降低,当O3浓度为40、80和120ppb时,AOB基因拷贝数分别比对照处理降低15.2%、68.1%和69.1%,AOA基因拷贝数分别降低38.4%、64.9%和43.2%。水稻土壤nosZ基因拷贝数在不同O3处理下均略高于对照处理。O3胁迫对冬小麦土壤AOA、AOB、NOB(硝化细菌酶)、nosZ和nifH(固氮细菌酶)基因拷贝数均产生不同程度的影响,这5种基因拷贝数随着不同冬小麦生长期和不同土层发生变化。冬小麦拔节期,0-10cm土层的nifH基因拷贝数在40、80和120O3浓度处理下分别比对照处理降低32.0%、76.3%和74.2%。从土壤中五种功能群基因的组成分析来看,NOBAOAnosZAOBnifH;主成分分析结果表明,在冬小麦土壤中AOA基因对环境因子的耐受能力最强,NOB基因次之,其次是nifH基因和nosZ基因,耐性最弱的是AOB基因。


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