臭氧污染协迫下对农作物生长及产量影响的研究进展.doc

臭氧污染胁迫对农作物生长与产量的影响 金明红，黄益宗* 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085 摘要：对国内外近地层大气的臭氧污染现状进行讨论，综述臭氧对农作物生长的影响。作物受O3伤害最典型的症状为叶片上散布棕色或黄褐色的细密点状斑、坏死斑。在O3的胁迫下，作物呼吸作用增强，光合作用受抑制。O3对叶片膜保护系统、气孔开度、氮代谢、糖类、脂类和其它物质的代谢也有影响。O3对农作物产生危害的同时，也往往导致农作物产量下降。 关键词：臭氧；农作物；生长；产量；影响 中图分类号：X503.231 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）04-0482-05臭氧（O3）是由3个氧原子组成的高活性、无色气体。熔点为-193 ℃，沸点为-112 ℃，有特殊的刺鼻臭味，可溶于冷水和缄碱液，是强氧化剂。 O3在大气的平流层和对流层扮演着十分重要而又截然不同的角色。在地表15~50 km范围内的平流层，O3可以吸收太阳的高能紫外辐射，从而保护地球上的生命免受紫外线的危害，充当了地球的保护伞。可是近30年来，由于氟里昂（CFCs）所引起的平流层O3耗竭及O3空洞已成为全球性的环境问题。另一方面，在海平面至距离地面15 km范围内的对流层，特别是距地面1~2 km的近地层O3体积分数的增加，却是对地球上的生命包括人类、动物、植物和微生物等产生危害的气体污染物。上世纪中叶以来，由于人口的剧增，工业和能源的迅猛发展，人类活动产生的大气污染物增多，近地层O3体积分数日益增加，且污染范围越来越大。近地层O3作为最重要大气污染物之一，已成为当今世界研究者及公众密切关注的重要问题。本文对近年来国内外有关臭氧与作物的影响进行综述，为保护植物、提高农作物产量提供科学依据。 1 近地层大气中O3的污染现状 对流层大气中的O3不是直接被排放入大气中，它是次级污染或传输污染物。其主要来源有两个：对流层上层O3主要来源于平流层O3的侵入，臭氧分子流量平均约为1.0×1011个/(cm2·s)，侵入总量约占对流层O3总量的20%[1]；对流层中下层的O3主要由光化学反应产生，在太阳光照射和氮氧化物（NOx）存在的情况下，有机挥发物（VOCs）和一氧化碳（CO）被光化学氧化而产生O3。 近几十年来，由于大量使用化石燃料、含N化肥，大气中NOx、VOCs体积分数剧增，同时大气中O3体积分数也不断增加，导致O3污染事件的频度增加且持续时间延长。长期观测表明，北半球对流层O3体积分数每年上升1%~2%。全世界许多城市大气中O3体积分数可超过背景体积分数10倍以上，最大小时体积分数达200~400 nl/L[2]。由于含N化合物、VOCs的长距离传输，地区性O3污染在夏日高压气候下，可扩散几千公里，导致区域性O3污染事件发生，广阔的农业区、森林及边远地区的O3体积分数可超过植物伤害阈值，对全球生态系统产生严重危害。 McCurdy[3]对美国35个州的乡村和边远地区的86个点进行O3监测，发现日最大8 h（8-h daily max）O3体积分数平均大于80 nl/L的天数为21.1 d/a，最大3个月的日最大8 h平均（max 3-month mean of the 8-h daily max）为54 nl/L；对331个都市的观测结果表明，最大3个月的日最大8 h平均为56 nl/L，与非城市相比差异不大，但日小时体积分数极值比非城市地区大很多。Deleeuw[4]在荷兰（非城市地区）观测，发现植物生长季节（5~9月）内O3体积分数的日7 h（10:00~17:00）平均为39~47 nl/L-1，大多数年份的平均值为40 nl/L左右。 在我国，由于经济快速发展，土地利用方式发生前所未有的变化，近年来NOx和VOCs的人为排放量显著增加，尤其是近11年来NOx和VOCs的人为排放量翻了一番，已和美国、欧洲同处一个数量级。我国NOx人为排放量（以N计算）约为0.3~ 1.1 kg/(km2·d)，而欧洲为1.5~3.5 kg/(km2·d)[5]。我国人为NOx排放主要集中在东部、东南部海岸 [6, 7]。考虑到以上因素，对我国中心城市的高O3体积分数也就不足为怪。同时，由于长距离传输，非城市地区O3污染也日益严重。 2 O3对农作物影响的研究方法 O3对农作物的急性影响的研究，可利用作物的表现生物学指标来判断。慢性影响的研究方法主要有3种：控制环境研究法；田间暴露法；自然大气条件下田间小区法[8]。后者是一种在开放的田间里研究O3对农作物的生长和产量影响的理想方法，常利用天然体积分数梯度和化学防护剂等进行研究，如利用抗氧化剂亚乙基二脲（EDU）监测O3对作物的影响。 环境和气室内O3体积分数利用自动监测仪观测