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第 27 卷 第 6 期 作　物　学　报 V o l. 27, N o. 6
2001 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2001
大气中O 3 浓度变化对水稻影响的试验研究Ξ
郭建平　王春乙　温　民　白月明　霍治国
(中国气象科学研究院, 北京 100081)
提　要　本文利用O TC21 型开顶式气室对水稻进行了不同O 3 浓度处理, 试验研究了不同O 3 浓度对
水稻生长发育、生理过程和产品品质的影响。结果表明: 当大气中O 3 浓度增加时, 水稻的气孔阻力增
加、光合作用速率下降、蒸腾速率也下降。水稻的生物量减少, 产量下降, 但水稻的品质有提高。
关键词　O 3 浓度; 水稻; 影响
The Exper im en ta l Study on the Im pact of A tm ospher ic O 3 Var ia tion
on R ice
GUO J ian2P ing　W AN G Chun2Y i　W EN M in　BA I Yue2M ing　HUO Zh i2Guo
(Ch inese A cad emy of M eteorolog ica l S ciences, B eij ing 100081, Ch ina)
Abstract　　T he differen t O 3 concen tra t ion trea tm en ts on rice w ere conducted in open2top 2
cham bers. T he im pacts of d ifferen t O 3 concen tra t ion on rice grow th and developm en t,
physio log ica l p rocess and gra in qualit ies w ere stud ied. T he resu lts show n tha t w hen the
a tm o spheric O 3 concen tra t ion increase, the stom ata l resistance w ou ld increase, w h ile the
pho to syn thesis ra te and tran sp ira t ion ra te w ou ld decrease; the rice b iom ass and gra in yield
w ou ld decrease; bu t the gra in qualit ies w ou ld im p rove.
Key words　　O 3 concen tra t ion; R ice; Im pacts
低层大气中的O 3 主要是由排入大气的氮氧化物等一次性污染物经光化学反应生成的。
在工业化国家, 本世纪以来, 对流层的O 3 浓度稳定升高并有继续增加的趋势[ 1 ]。我国是个经
济正在迅速发展的国家, 都市化趋势越来越明显, 随着这种趋势的发展, 也将影响到大气的
质量, 并由城市逐步扩大到农村, 影响到农作物的正常生长和发育。目前, 就平均状况而言,
我国大气中的O 3 浓度约为 50×10- 9至 60×10- 9左右, 清洁地区要小于该值, 而在城近郊区
有时能出现较高的浓度, 甚至超过 200×10- 9, 我国O 3 浓度分布的另一个特点是东部地区要
比西部地区高约 20×10- 9左右。虽然我国大气中O 3 浓度有增加的趋势, 有时其浓度也较高,
但与国外同类地区相比, O 3 浓度的增加仍然是缓慢的, 其浓度值也稍低。
水稻是我国的主要粮食作物, 种植面积占粮食作物总面积的 27. 4% , 产量占粮食总产量
的 38. 8% , 占我国粮食作物的第一位 (1998 年) , 由于O 3 浓度增加对水稻会造成较大的影Ξ 本文由国家自然科学基金项目 (批准号: 49899270)资助
收稿日期: 2000204229, 接受日期: 2000209213
Received on: 2000204229, A ccep ted on: 2000209213

响, 因此, 研究水稻对O 3 的反应有着重要的实际意义。
迄今为止, 国内、外曾就O 3 对作物影响的研究做了较多工作[ 2～ 8 ]。国外的研究大多始于
20 世纪 70 年代, 主要采用于温室和试验气室对蔬菜、粮油作物和果树等在其生长和个别时
段进行短时熏气处理来研究的, 或利用模式模拟研究的; 国内关于O 3 对作物影响的研究起
步较晚, 主要是报道国外的一些试验方法和结果。对作物进行长期接触试验研究基本是空
白。
本文利用O TC21 型农田开顶式气室[ 9 ]对水稻进行不同浓度O 3 长期熏气试验, 其目的是
研究O 3 浓度升高对我国水稻的影响情况, 以便今后采取有效措施来防止这种不利影响。
1　试验设计与方法
试验用O 3 由高纯度O 2 经Q H G21 型高频O 3 发生器生成, 然后与经过滤后的背景大气混
合, 分别配制成O 3 浓度为 200×10- 9、100×10- 9、50×10- 9的混合气体, 再分别用轴流风机
输入O TC21 型开顶式气室内。另外设置两个对照处理, 一个是经活性炭过滤后的背景大气
(过滤后的背景大气O 3 浓度为 10×10- 9左右, 以下称CF) , 另一个直接将背景大气输入气室
内 (O 3 浓度约 30×10- 9～ 40×10- 9左右, 以下称AA ) 共 5 个处理。气室内O 3 浓度的监测用
HOR IBA 2AM B IEN T O 3 监测仪进行。
本试验在中国气象科学研究院农业气象试验基地进行。水稻种子 (中作 9321) 于 1999 年
5 月 1 日在大田播种, 6 月 9 日移栽到直径 36 cm , 深 26 cm 的瓦盆中, 每盆 20 株 (5 穴) , 每
处理放置 40 盆, 7 月 11 日～ 9 月 20 日通气。通气时间为每天 9 时～ 16 时。
试验主要观测和测定水稻的发育期、株高、各器官生物量干 (鲜) 重、叶片伤害状况以及
叶片光合、蒸腾速率、气孔阻力、气温、叶温、CO 2 浓度等生理生态参数, 并对籽粒进行品质
分析。
作物各器官干物重采用烘干称重的方法测定, 每次取 2 盆, 共 40 株; 考种时取 8 盆共
160 株; 光合作用速率在作物生长的旺盛时期用L i26200 光合作用系统进行测定, 共测定 21
次。籽粒品质在农业部谷物品质监督检验测试中心测定。
2　结果分析
2. 1　大气中O 3 浓度变化对水稻生理过程的影响
表 1 给出了当大气中O 3 浓度发生变化时对水稻主要生理过程的影响。
表 1　　不同O 3 浓度 (×10- 9)对水稻生理过程的影响
Table 1　　The impact of differen t O 3 concen tration on physiolog ica l process for r ice
O 3 浓度 Concentration 200 100 50 CF AA
气孔阻力 (cm ös) 0. 1674 0. 1521 0. 1337 0. 1319 0. 1443
Stom atal resistance ±0. 0228 ±0. 0227 ±0. 0151 ±0. 0100 ±0. 0223
光合速率 (Λmo lödm 2. h) 11. 2877 17. 4350 19. 2108 22. 8947 20. 0366
Pho to synthesis rate ±2. 2439 ±2. 6651 ±3. 6158 ±4. 0009 ±3. 4398
蒸腾速率 (Λmo lödm 2. h) 0. 1068 0. 1138 0. 1192 0. 1235 0. 1231
T ransp iration rate ±0. 0079 ±0. 0057 ±0. 0053 ±0. 0053 ±0. 0047
2. 1. 1　对气孔阻力的影响　　作物叶片气孔阻力的大小主要受单位面积上气孔的数量和开
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张度的影响。随着大气中O 3 浓度的下降, 水稻叶片的气孔阻力呈下降的趋势, 但当O 3 浓度
小于 50×10- 9时, 气孔阻力的差异不明显。由于叶片气孔阻力随O 3 浓度的升高而增大, 使得
叶片内外的气体交换和物质交换受阻, 从而影响到作物的光合作用和蒸腾作用, 进而影响作
物的正常生长发育和产量。
2. 1. 2　对光合作用速率的影响　　叶片是作物进行光合作用和呼吸作用的主要器官, 也是
作物与大气进行气体交换的主要场所。光合作用速率的大小将直接影响到作物的干物质积累
并最终影响产量。O 3 浓度升高, 水稻的光合作用速率明显下降, 以经活性炭过滤的处理 (CF)
的光合作用速率最大, 200×10- 9处理的光合作用速率最小, 与AA 相比, 减小幅度达到
43. 66%。当大气中O 3 浓度上升到 50×10- 9时, 对水稻光合作用速率的影响不显著, 光合作
用速率仅下降 4. 12%。当大气中O 3 浓度上升到 100×10- 9时, 水稻的光合作用速率则下降
12. 98%。由此可以看出, 高O 3 浓度对提高水稻的光合作用速率是不利的。
2. 1. 3　对蒸腾速率的影响　　蒸腾速率是作物水分利用率和作物抗干旱能力的一个标志,
大气中O 3 浓度变化对水稻的蒸腾速率也产生较明显的影响。表现为随O 3 浓度的增加, 水稻
的蒸腾速率下降。这足以说明, 大气中O 3 浓度升高可以降低水稻叶片的蒸腾速率。对于一个
繁茂的作物群体来说, 土壤水分的损失主要是作物叶片的蒸腾耗水, 土壤表面的蒸发耗水相
对要小得多。因此, O 3 浓度的增加对提高作物的水分利用率和抵御干旱胁迫有有利的作用。
2. 2　大气中O 3 浓度变化对水稻生长发育的影响
2. 2. 1　对地上部分生物量的影响　　当水稻受到 200×10- 9和 100×10- 9 O 3 浓度的影响时,
整个试验期内地上部分干物重明显比对照 (AA ) 下降 (图 1) , 下降最多时, 分别比AA 低
40. 1% 和 13. 7%。50×10- 9、CF 和AA 三者的差异较小, 其中CF 和AA 的生物量稍大。与
AA 相比, 200×10- 9、100×10- 9下降较大的时段分别出现在通气 40～ 50 天后和成熟期、30
～ 40 天。
图 1　　O 3 (×10- 9)浓度对地上生物量的影响
F ig. 1　　T he impacts of O 3 on ground biom ass
图 2　　O 3 (×10- 9)浓度对地下生物量的影响
F ig. 2　　T he impacts of O 3 on subground biom ass
2. 2. 2　对地下部分生物量的影响　　图 2 给出了水稻地下部分生物量的变化趋势, 由图可
见, O 3 浓度增加到 100×10- 9以后, 水稻地下部分的生物量出现了明显的下降趋势, 到水稻
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成熟时, 100×10- 9处理的地下部分生物量比AA 下降了 16. 1% , 200×10- 9处理的生物量比
AA 下降高达 41. 5%。而 50×10- 9和CF 的生物量比AA 分别增加了 14. 3% 和 12. 6%。这说
明在一定的范围内, O 3 浓度增加或减少并不一定对水稻产生负作用。
2. 3　高浓度O 3 对水稻叶片的伤害作用
高浓度O 3 对水稻叶片的伤害情况列于表 2。我们把O 3 对水稻叶片的伤害程度分为 3 个
等级, 轻害是指叶片的受害面积在 10%～ 30% , 中害指叶片的受害面积在 30%～ 50% , 重害
指叶片的受害面积大于 50%。由表可见, 当大气中O 3 浓度达到 200×10- 9时, 熏气 10 天后
叶片即出现轻度受害症状, 而 100×10- 9处理在 17 天时才出现轻度受害症状。达到中等受害
程度时, 200×10- 9处理只需 20 天的时间, 而 100×10- 9处理则需 30 天。当大气中的O 3 浓度
达到 200×10- 9时, 熏气 35 天, 水稻叶片就出现了重度受害症状, O 3 浓度达到 100×10- 9时,
熏气 45 天后水稻叶片也受到重度伤害。因此, 从表 2 可以看出, O 3 浓度升高对水稻叶片的
伤害是严重的, 使得作物叶片的叶绿素含量下降, 是影响作物光合作用速率提高的一个主要
因素。
表 2　　高O 3 浓度 (×10- 9)环境下水稻叶片的伤害情况
Table 2　　The in jury of h igh O 3 concen tration on r ice leaves
O 3 浓度 (×10- 9)
O 3 concentration
轻害 (10% ≤受害面积< 30% )
L igh t in jury
中害 (30% ≤受害面积< 50% )
M edium in jury
重害 (受害面积≥50% )
Serious in jury
200
熏气 10 天后, 叶片退绿, 并
出现大面积锈斑 熏气 20 天后, 5 令叶有锈斑
熏气 35 天整株受害, 旗叶
退绿, 其余叶均为锈斑
100 熏气 17 天后, 1～ 2 令叶退绿 熏气 30 天, 4～ 5 令叶出现锈斑, 5 令叶受害略轻
熏气 45 天, 全株基本受害
(旗叶及下一叶为退绿)
表 3　　不同O 3 浓度 (×10- 9)下水稻的考种结果
Table 3　　The harvest results of r ice under differen t O 3 concen tration
O 3 浓度 Concentration (×10- 9) 200 100 50 CF AA
穗粒数 N o. of grainsöpanicle 73. 2 83. 7 91. 6 90. 0 92. 6
穗数ö株 N o. of pan iclesöp lan t 2. 5 2. 5 2. 2 2. 4 2. 5
穗粒重 (g) Grain w eigh töear 1. 507 2. 084 2. 104 2. 081 2. 232
千粒重 (g) T housand2grains w eigh t 19. 035 25. 108 24. 305 25. 505 25. 414
空秕率 (% ) Emp ty and bligh ted rate 11. 7 5. 7 4. 6 5. 1 4. 3
2. 4　大气中O 3 浓度变
化对水稻产量结构的影
响
影响水稻产量的结
构因素主要是穗粒数、
千粒重、空秕率和穗粒
重 (表 3)。表中穗粒数
是指有效结实粒数, 其
标准为灌浆程度超过 1ö3 的粒数, 而空秕率指完全未灌浆和灌浆不足 1ö3 的秕粒的总和。由
表 3 可以看出, 高O 3 浓度不利于水稻形成良好的产量结构, 在O 3 浓度为 200×10- 9时, 穗粒
数、千粒重和穗粒重分别比AA 下降 20. 95%、25. 10% 和 32. 48% , 空秕率增加 172. 09% ;
在O 3 浓度为 100×10- 9时, 穗粒数、千粒重和穗粒重分别比AA 下降 9. 61%、1. 20% 和
6. 63% , 空秕率增加 32. 56%。同时, 也可以看出, O 3 浓度过低 (CF) 也不利于形成良好的产
量结构和提高水稻的产量。由表还可以看出, 高浓度的O 3 有利于有效穗数的形成。
2. 5　大气中O 3 浓度变化对水稻品质的影响
水稻成熟后将收获的种子在常温下风干, 然后测定种子的主要营养成分 (表 4)。由表 4
可见, 虽然大气中O 3 浓度的升高不利于水稻产量的增加, 但却有利于水稻品质的提高, 主要
表现在氨基酸和蛋白质含量的增加上。当大气中O 3 浓度为 200×10- 9和 100×10- 9时, 氨基
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酸含量分别比 50×10- 9增加 26. 61% 和 9. 42% , 蛋白质含量分别比 50×10- 9增加 25. 72% 和
11. 15%。由此可见, 大气中O 3 浓度的升高可能有利于提高水稻籽粒的品质。
表 4　　不同O 3 浓度 (×10- 9)下水稻的品质差异
Table 4　　The qual ities difference of r ice in
differen t O 3 concen tration
O 3 浓度 (×10- 9)
O 3 concentration
200 100 50 CF AA
17 种氨基酸 (gö100g)
17 am ino acids (gö100g) 7. 66 6. 62 6. 05 6. 40 7. 04
粗蛋白 (gö100g)
P ro tein (gö100g) 9. 56 8. 47 7. 62 8. 08 7. 89
维生素B1 (m gökg)
V itam in B1 (m gökg) 5. 20 3. 99 4. 50 5. 06 5. 31
维生素B2 (m gökg)
V itam in B2 (m gökg) 0. 65 0. 94 0. 72 0. 62 0. 63 3　主要结论和讨论大气中O 3 浓度的升高对水稻叶片的气孔阻力产生显著影响, O 3 浓度升高使水稻叶片的气孔阻力增大, 从而对叶片光合作用速率产生明显的抑制作用, 不利于提高作物的生物量。但气孔阻力的增加, 使得叶片的蒸腾速率减小, 可以提高作物的水分利用效率, 同时, 蒸腾速率的减小, 也有利于作物抗旱能力的提高。
大气中O 3 浓度的升高对水稻的生
长发育产生显著的抑制作用, 无论是地上生物量还是地下生物量都比低O 3 浓度的低。且随
着O 3 浓度的升高, 水稻叶片受伤害的程度要比低O 3 浓度下的重, 而且受害的时间要早。由
于上述对水稻的不利影响使得水稻的最终产量下降, 但同时也使得水稻的品质有所提高。
上述结论只是初步的, 由于本试验是在开顶式气室中利用盆栽的方式进行的, 气室本身
会阻挡辐射, 使室内的辐射有所减小, 而气温比室外略有升高, 但不同气室之间的差异很小。
因此, 气室内和大田相比在环境条件上有一定的差异, 但不同气室之间具有较好的一致性,
所以, 试验结果是可靠的。此外, 盆栽试验也有一定的局限性, 对试验结果也有一定的影响,
待有条件时应在大田中进一步验证。
参　考　文　献
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