全 文 ：第 35 卷第 8 期
2014 年 8 月
环 境 科 学
ENVIＲONMENTAL SCIENCE
Vol． 35，No． 8
Aug．，2014
我国北方两地环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响
袁相洋1，2，张巍巍3，孙敬松2，胡恩柱2，张玉龙2，张红星2，田媛1，冯兆忠2*
(1．北京工商大学食品学院，北京 100048;2． 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京
100085;3．中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081)
摘要:地表臭氧对植物具有显著毒害作用，矮菜豆(Phaseolus vulgaris L．)已被证实对臭氧非常敏感． 选用对臭氧敏感性不同
的矮菜豆(Ｒ123，臭氧耐受性及 S156，臭氧敏感性)分别在 3 个地点(北京昌平、北京生态中心、哈尔滨市)进行室外直接暴露
实验，旨在探讨当前环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响． 结果表明，生态中心和昌平两地菜豆在当前臭氧浓度下叶片都出现
严重臭氧损伤症状，整个生长季 S156 型菜豆平均臭氧损伤比例比 Ｒ123 型菜豆高 23. 5%;臭氧损伤自开花期开始，开花期至
结荚期损伤加剧，在豆荚成熟期臭氧损伤比例达到最大值． 豆荚产量对比发现，昌平和生态中心两地 S156 型与 Ｒ123 型豆荚
产量比值分别为 0. 48 和 0. 24，哈尔滨地区为 0. 73，二者比值为 1 视为生长不受臭氧影响． 可见，北京地区较高的环境臭氧浓
度已使敏感性作物矮菜豆显著减产．
关键词:环境臭氧;矮菜豆;损伤;豆荚产量;基因型;北京;哈尔滨
中图分类号:X171. 5 文献标识码:A 文章编号:0250-3301(2014)08-3128-07 DOI:10． 13227 / j． hjkx． 2014． 08． 041
收稿日期:2014-01-12;修订日期:2014-03-01
基金项目:中国科学院“百人计划”项目
作者简介:袁相洋(1990 ～ )，男，硕士研究生，主要研究方向为环境
生态学，E-mail:windy_yuan0904@ 126． com
* 通讯联系人，E-mail:fzz@ rcees． ac． cn
Influence of Ozone on Snap Bean Under Ambient Air in Two Sites of Northern
China
YUAN Xiang-yang1，2，ZHANG Wei-wei3，SUN Jing-song2，HU En-zhu2，ZHANG Yu-long2，ZHANG Hong-
Xing2，TIAN Yuan1，FENG Zhao-zhong2
(1． School of Food，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;2． State Key Laboratory of Urban and Ｒegional
Ecology，Ｒesearch Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China;3． Northeast Institute
of Geography and Agroecology，Chinese Academy of Sciences，Harbin 150081，China)
Abstract:Tropospheric ozone (O3)has been assumed the most phytotoxic air pollutant and the snap bean (Phaseolus vulgaris L．)is
known to be an ozone-sensitive species． Two genotypes (Ｒ123，ozone-tolerance，S156，ozone-sensitivity)of snap bean were explored
in three places． The objective of this study was to evaluate whether the snap bean was influenced under the current ambient ozone
concentration． The findings indicated that the leaves of bean grown at Ｒesearch Center for Eco-Environmental Sciences(ＲCEES)，
Chinese Academy of Sciences and ChangPing showed visible ozone symptoms under the ambient ozone concentration，and the averaged
ozone injury proportion in S156 was 23. 5% higher than Ｒ123 during the entire growth season． The ozone damage to the snap bean
depends on the plant growing stages． The injury symptoms appeared just after flowering，increased from the stages of flowering to pod
formation，and reached the maximum at the stages of pod maturation． The ratio of S156 /Ｒ123 in pod yield was 0. 48，and 0. 24 and
0. 73 in the ＲCEES，ChangPing and Harbin，respectively． The ratio close to 1 was assumed that the plant growth is not affected by
ozone，and the lower ratio is，the more damage caused by ozone． Obviously，the current ambient ozone concentration of Beijing area
has significantly caused the yield loss of snap bean．
Key words:ambient ozone;snap bean;injury;pod yield;genotype;Beijing;Harbin
近地层臭氧是目前最主要的大气污染物，它对
世界上大多数植物和农业生产都有负作用［1 ～ 5］． 近
年来随着化石燃料的大量燃烧及汽车尾气的大量排
放，致使臭氧前体物质氮氧化物和 VOCs 的排放量
显著增加． IPCC(联合国政府间气候变化专门委员
会)报道地表臭氧浓度在过去的几十年里以每年
0. 5% ～2%的速度不断上升［6，7］． 目前北半球近地
层臭氧浓度夏季 8 h的平均值已达到 50 nL·L －1［8］．
我国近地层 O3 浓度增加较快，夏季平均监测浓度已
达到 50 ～ 60 nL·L －1［9］．
已有的研究显示:日益升高的臭氧浓度可对植
物引起一系列负作用，如植物叶片出现可见或不可
见的伤害症状，降低光合作用速率，影响碳分配，减
少生物量积累，加速衰老，减少产量，改变籽粒品质
等［10 ～ 12］，但这种影响程度因物种或品种而异． 目前
关于臭氧对植物影响的研究大多是通过开顶箱装置
展开的，但气室的壁垒效应(如气室内温度比外界
高、湿度较低)使得研究结果具有很多不确定性，并
8 期 袁相洋等:我国北方两地环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响
不能真实反映作物实际生长情况． 然而，大田环境
直接暴露更能反映出作物对 O3 浓度升高的响应
过程．
大量研究已证实矮菜豆(Phaseolus vulgaris L．)
是臭氧敏感性作物［13］． 通过基因杂交培育出来的
不同品系同种属菜豆 S156(臭氧敏感性)和 Ｒ123
(臭氧耐受性)拥有更加宽泛的臭氧响应范围． 在低
浓度臭氧下，S156 和 Ｒ123 型菜豆的品系表达并没
有差异，但随着臭氧浓度的提升，敏感性品系 S156
对于臭氧愈加敏感，表现为 S156 型菜豆的豆荚个数
和生物量会逐渐低于耐受性品系 Ｒ123 型菜
豆［14，15］． 研究表明，生物量或产量的 S156 /Ｒ123 比
值大小可准确反映了矮菜豆是否受到臭氧的影响，
即比值接近 1，表示臭氧对矮菜豆不影响，如果小于
1，则表示臭氧影响了其生长，这种影响程度随着比
值的变小而加重［16 ～ 20］． 在此基础上，欧洲中部、南
部地区自 2008 年已经开始将矮菜豆作为地表臭氧
污染的生物指示植物［21 ～ 25］，而国内还没有开展这方
面的研究． 因此，本研究以矮菜豆为例，比较分析了
当前臭氧浓度下对不同基因型菜豆生长的影响，探
讨北京和哈尔滨地区当前环境臭氧浓度下矮菜豆叶
片损伤及产量差异，以期为评价当前环境空气污染
对国内作物产量损失的区域性影响提供科学依据．
1 材料与方法
1. 1 实验地点
鉴于人力、物力、实验可行性的基础上，实验
选取 3 个地点同时进行，分别为北京市市区的中国
科学院生态环境研究中心(生态中心)、北京市郊昌
平区马池口镇昌平种子基地(昌平)，哈尔滨市区的
中国科学院东北地理与农业生态研究所(哈尔滨)．
前两者地处中国中东部地区北京市(N39° 4 ～
41°6，E115°7 ～ 117°4)，大陆性季风气候，年降水
量 644 mm，年平均气温 10 ～ 12℃，夏季平均气温 24
～ 26℃，年平均日照时数在2 000 ～ 2 800 h之间，全
年无霜期 180 ～ 200 d;后者地处中国东北北部地区
哈尔滨市(N44°04，E125°42)，属中温带大陆性季
风气候，年平均降水量 553. 5 mm，年平均气温 3 ～
4℃，夏季平均气温 19 ～ 23℃，年平均日照时数
2 500 h，全年无霜期在 135 ～ 140 d．
1. 2 实验作物
实验选用两种基因型矮菜豆(Phaseolus vulgaris
L．)———分别为臭氧耐抗性(Ｒ123)和臭氧敏感性
(S156)———它们是美国农业部农业研究所植物科学
研究中心进行筛选培育，由 Felicity Hays博士提供．
1. 3 实验设计
选取籽粒饱满、大小一致的种子，用 10% H2O2
表面消毒后，再用蒸馏水冲洗干净． 种于容积为 12 ～
15 L的 PVC花盆内，每盆在距盆内中心 5 cm，深度 3
cm处播种两粒，当植株生长稳定后间苗至1株． 生态
中心、昌平及哈尔滨实验分别开始于6月10日、6月
14日、6月 26日，结束于 9月 26、9月 28日、9月 10
日，出苗率分别为 100%、100%、99% ．
实验采取室外直接暴露法． 实验地区由防护网
遮拦，防止鸟儿、兔子或其他小型哺乳动物啃食，每
种基因型 12 盆重复处理． 实验期间每两天浇水一
次，避免植物生长期间的水分胁迫，施肥水平与当地
常规水平一致，实验初期施用 N、P、K 比例为 17 ∶
17∶ 17 的缓释肥，病虫害防治等为大田常规管理．
实验期间臭氧浓度由热电公司 Thermo 49i臭氧
分析仪监测，温湿度数据由 Campbell 公司 CS215 温
湿度探头监测．
1. 4 测定指标和计算方法
(1)可见症状 对两种基因型菜豆出现的可见
损伤进行记录． 具体标准参照文献［26］． 鉴于实验
期间人力、物力的影响，无法完成三地每周臭氧评
估数据的记录，故生长情况和可见损伤只考虑昌平
和生态中心两地． 规定记录的第一天为间苗后的第
一天，哈尔滨地区实验只进行收获后产量的测定．
(2)产量 在任一基因型菜豆 50%豆荚变干
或变棕色时收获菜豆，尽量保证两种基因型菜豆同
时收获． 收获时 ＜ 2 cm 菜豆豆荚不进行收获或计
数，收获计数后的豆荚经风干至恒重后称量，获取豆
荚和籽粒干重，两种基因型菜豆产量比值作为评价
臭氧对菜豆影响的主要依据．
(3)损伤比例计算 记录每株植物上叶片总
数、枯萎凋落叶片个数、受损伤叶片数，并按单叶
片损伤比例设置 1% ～5%、5% ～25%、＞ 25%这 3
个等级． 损伤比例 =(每株植物受损伤的叶片百分
比 ×受害叶片面积的平均百分比)/100，参照文献
［27］．
1. 5 数据分析
运用 EXCEL 2010 进行数据整理，SPSS 18. 0 进
行相关性和方差分析，运用 Origin 8. 0 进行绘图．
2 结果
2. 1 臭氧浓度
从表 1 可以看出北京地区昌平和生态中心两
9213
环 境 科 学 35 卷
地，整个生长季 8 h 平均臭氧浓度相近． 但臭氧累
积浓度 AOT40(小时臭氧浓度高于 40 nL·L －1的差
值的累积值)显示生态中心为 22. 7 μL·L －1·h，比昌
平高 44% ． 哈尔滨地区 8 h平均臭氧浓度和 AOT40
分别仅为 29. 2 nL·L －1和 0. 67 μL·L －1·h，明显低于
北京地区． 因此，把哈尔滨地区作为本研究的臭氧
背景值区域．
表 1 菜豆生长季期间不同地点的臭氧浓度
Table 1 Ozone concentration at different sites during
growing season of snap bean
臭氧浓度 昌平 生态中心 哈尔滨
8 h平均浓度(9 ～ 17 h)/nL·L －1 54. 6 55. 8 29. 2
整个生长季 AOT40 /μL·L －1·h 15. 8 22. 7 0. 67
2. 2 菜豆生长及可见损伤
2. 2. 1 生长
从图 1 可以看出，在菜豆生长前期两种基因型
菜豆生长状况并没有过多差异． 随着臭氧浓度的积
累，S156 型菜豆生长逐渐受到影响，主要表现在叶
片逐渐出现锈斑并随着时间的延长叶片逐步发黄干
枯掉落，而 Ｒ123 型菜豆则茁壮成长． 实验记录显示
整个生长季中 S156 型菜豆叶片较小，叶片数量比
Ｒ123 型菜豆少 15%左右． 同时 S156 型菜豆臭氧抵
抗性明显低于 Ｒ123 型菜豆，在实验后期大多数
S156 型菜豆叶片都呈现枯萎症状，但 Ｒ123 型菜豆
依然保持碧绿． 在 Ｒ123 型菜豆变黄成熟之前，大多
数 S156 型菜豆的叶片已经完全脱落．
图 1 菜豆生长状况
Fig． 1 Growth status of snap bean
2. 2. 2 叶片损伤
由图 2 可以看出，S156 型菜豆的臭氧损伤比例
明显大于 Ｒ123 型菜豆，整个生长季生态中心和昌
平的 S156 型菜豆平均臭氧损伤比例分别高出 Ｒ123
型菜豆 22%和 25% ． 从不同生育期的响应来看，菜
豆臭氧损伤自开花期之后逐渐显露，其中 S156 型菜
豆可见损伤明显，Ｒ123 型菜豆损伤响应较少． 开花
期至豆荚形成期菜豆臭氧损伤比例直线上升，尤其
S156 型菜豆臭氧损伤平均值为 16%，而同一时期
Ｒ123 型菜豆平均损伤比例只有 6%，这一阶段是菜
豆叶片损伤加剧的阶段;豆荚形成期到豆荚成熟阶
段，臭氧损伤比例达到最大值，昌平和生态中心两地
S156 型菜豆与 Ｒ123 型菜豆损伤平均值之差分别为
34%和 47%，此阶段是菜豆臭氧损伤最严重的阶
段;在豆荚衰老期随着叶片的脱落，叶片的臭氧损
伤比例呈现下降趋势，直至收获．
2. 3 菜豆收获及产量评估
2. 3. 1 豆荚个数及豆荚干重
从单株豆荚数来看［图 3(a)］，生态中心和昌
平两地两种基因型单株菜豆的豆荚个数间的差异
是显著的(P ＜ 0. 001)，哈尔滨地区二者差异不显
著(P = 0. 125)． 生态中心和昌平两地 S156 型菜
豆单株荚数是 Ｒ123 型的 0. 39 和 0. 48 倍，但哈尔
滨地区二者比值为 1. 18． 从单株菜豆的豆荚总质
0313
8 期 袁相洋等:我国北方两地环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响
图 2 矮菜豆生长期间臭氧损伤百分比
Fig． 2 Ozone injury percentage during the growing season of snap bean
a，b代表不同基因型差异显著(P ＜ 0. 05)，下同
图 3 单株豆荚个数及豆荚质量
Fig． 3 Number of pods and pods dry weight per plant
量来看［图 3(b)］，昌平、生态中心和哈尔滨地区
的 S156 单株豆荚总质量仅为 Ｒ123 型的 0. 48、
0. 24 和 0. 73 倍．
2. 3. 2 豆粒干重
3 个地点的数据均显示，S156 型菜豆的籽粒产
量显著低于 Ｒ123 型［图 4(a)］，昌平、生态中心和
哈尔滨地区 S156 型菜豆产量与 Ｒ123 型产量比值
分别为 0. 49、0. 22 和 0. 73． 但两种基因型菜豆的
单个籽粒重的差异依所在地区的不同而不同［图 4
(b)］． 生态中心与哈尔滨两地 S156 型与 Ｒ123 型
差异显著(P ＜ 0. 001)，分别为 Ｒ123 型的 31% 和
16% ． 但昌平地区 S156 型菜豆单粒重比 Ｒ123 型菜
豆单粒重低 15%，但未达到显著水平(P = 0. 28)．
2. 4 菜豆产量的 S156 /Ｒ123 比值对比
由表 2 可知:自 2005 ～ 2013 年国外研究中活性
炭过滤空气实验中的臭氧平均浓度都小于 30
nL·L －1，室外暴露实验监测的臭氧平均浓度大都处
在 20 ～ 50 nL·L －1 之间，而本研究显示北京地区
2013 年菜豆生长期间臭氧平均浓度已达 55
nL·L －1，明显高于国外大多数城市的平均水平． 国
外臭氧平均浓度小于 30 nL·L －1 的实验中豆荚个数
和豆荚质量 S156 /Ｒ123 比值基本都大于 1，臭氧平
1313
环 境 科 学 35 卷
图 4 单株产量及单粒重
Fig． 4 Seeds yield per plant and single seed weight
均浓度在 30 ～ 50 nL·L －1 之间的实验中豆荚个数和
豆荚质量 S156 /Ｒ123 最小比值分别为 0. 46 和
0. 58，同比国内臭氧暴露实验中无论豆荚个数还是
豆荚质量 S156 /Ｒ123 比值都展现了比国外更低的
数值，甚至生态中心的豆荚质量 S156 /Ｒ123 比值都
比国外臭氧熏蒸还低．
表 2 两种矮菜豆豆荚个数及豆荚产量比值研究清单1)
Table 2 A review of effects of ambient ozone on the pod number and pod weight per plant of snap bean
国家 地点 处理1)
臭氧平均浓度
/nL·L －1
豆荚个数
S156 /Ｒ123
豆荚质量
S156 /Ｒ123 文献
USA Carolina CF 23 0. 99 — ［16］
AA 48 0. 46 —
USA Amherst CF 30 1. 36 — ［17］
USA Carolina AA 45 0. 48 — ［18］
UK Ascot AA 24 — 1． 36
Belgium Tervuren AA 28 1． 01 1． 14
UK Bangor AA 31 1． 2 0． 97
Spain Valencia AA 49 0． 7 0． 58 ［21 ～ 25］
Japan Criepi AA 47 0． 69 —
Italy Pisa AA 38 — 1． 07
Greece Crete AA 42 — 0． 85
USA Carolina AA 43 — 0． 74 ［19］
Italy Ｒome O3 59 — 0． 38 ［20］
AA 40 0． 9 0． 63
哈尔滨 AA 29 1． 18 0． 73
中国 昌平 AA 55 0． 47 0． 48 本研究
生态中心 AA 56 0． 39 0． 24
1)CF为活性炭过滤空气;AA为室外环境空气;O3 为臭氧熏蒸;“—”表示文章中没有相关数据
3 讨论
3. 1 当前环境臭氧浓度下不同基因型菜豆叶片损
伤差异明显
叶片是植物光合作用的重要器官，臭氧会引起
植物叶片细胞死亡，加速衰老，导致叶片出现变色
病、坏死病等可见伤害症状［28 ～ 30］． 本研究显示:当
前国内环境臭氧浓度已经对敏感性作物菜豆产生了
明显的危害． 生态中心和昌平两地 S156 型菜豆在
当前国内环境臭氧浓度下都出现了严重臭氧损伤，
Ｒ123 型菜豆虽然也出现了臭氧损伤，但与 S156 型
菜豆相比，Ｒ123 型菜豆叶片损伤比例明显偏低，并
且其出现臭氧损伤的时间晚于 S156．
此外，臭氧对植物的损伤影响在植物生长的不
同阶段是不同的． 从矮菜豆出苗至生殖生长期不同
生长阶段，其对于室外臭氧的响应具有显著差异性．
与前人研究相同［31，32］，昌平和生态中心两地的实验
都显示:臭氧损伤自开花期开始，开花期至结荚期损
伤加剧，在豆荚成熟期臭氧损伤比例达到最大值．
随后在豆荚衰老期，臭氧损伤明显下降． 另外，生态
2313
8 期 袁相洋等:我国北方两地环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响
中心和昌平两地不同基因型菜豆臭氧损伤曲线虽然
都呈现相同趋势，但在豆荚形成时期，生态中心
S156 型菜豆及 Ｒ123 型菜豆臭氧损伤比例都高于昌
平地区． 结合臭氧小时浓度的数据，发现生态中心
因地处北京城区在夏天强烈阳光照射下汽车尾气排
放的 NOx 和 VOCs物质发生反应使这段时间高臭氧
浓度(＞ 60 nL·L －1)的天数较多，致使生态中心菜
豆叶片臭氧损伤比例达到最大，叶片遭受严重伤害．
3. 2 当前环境臭氧浓度下不同基因型菜豆产量差
异显著
臭氧引起植物叶片损伤之后，势必影响植物正
常生长发育． 大量的研究显示，室外对照实验中生
长的敏感性菜豆 S156 的豆荚个数和生物量明显低
于耐受性菜豆 Ｒ123． 本实验证实当前国内环境臭
氧浓度已经对敏感性作物菜豆产生了明显的危害，
且在昌平、生态中心和哈尔滨三地的实验结果表
明:不同基因型菜豆臭氧损伤情况及豆荚产量与当
地环境臭氧浓度显著相关． 综合前人研究及 ICP-
Vegetation (2009 ～ 2013)报告［21 ～ 25］(表 2)结果，室
外环境臭氧浓度大于 40 nL·L －1 就可造成菜豆减
产． 生态中心和昌平高达 55 nL·L －1 的环境臭氧浓
度已经超过国外大多数地区臭氧环境浓度(＜ 40
nL·L －1)，甚至接近国外许多实验中的臭氧熏蒸水
平，而平均值为 0. 43 和 0. 36 的豆荚个数和豆荚质
量的 S156 /Ｒ123 比值，也是已有的臭氧暴露实验中
的较低值，表明在此地区菜豆受臭氧损伤非常严重．
位于中国东北地区的哈尔滨市其 30 nL·L －1 的环境
臭氧浓度却与大多数国外研究中的过滤空气处理组
(CF)相似． 相对于高臭氧浓度地区，哈尔滨地区臭
氧浓度刚好处于植物受臭氧损伤的阈值之间(20 ～
40 nL·L －1)，导致豆荚个数和豆荚质量的 S156 /
Ｒ123 比值接近于 1．
当然，在欧洲不同气候条件及臭氧浓度下开展
的菜豆田间暴露实验中，也有相关报道称豆荚产量
的 S156 /Ｒ123 与季节性臭氧浓度并没有明确的相
关性［34］． 尽管人们还无法准确解释臭氧敏感性的
机制，但无论是叶片损伤还是生物量数据都显示在
当前国内臭氧环境浓度下，敏感型菜豆产量在高臭
氧浓度地区会大幅度降低．
4 结论
当前我国北方地区的环境臭氧浓度已经明显影
响到了敏感性作物矮菜豆的生长，其臭氧伤害程度
依据臭氧浓度、菜豆品系及菜豆生长阶段的不同而
有显著差别． 当然本文并没有考虑不同地区气候
(温度、蒸汽压、湿度)对矮菜豆产量的影响，不同
基因型菜豆豆荚产量的比值显得尤为重要． 未来的
研究将进一步深化臭氧和气候因素相结合与不同基
因型矮菜豆生长间的关系的同时，寻求中国本地的
臭氧生物指示品种变得尤为必要．
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