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太阳辐射降低(遮阴)对小麦产量及矿质金属元素含量的影响

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张丹罗小三赵朕胡正华索晨陈燕孙雪方笑堃

摘要：为揭示由于雾霾等气溶胶污染导致的太阳辐射强度降低对小麦产量及籽粒矿质金属元素含量的影响，开展了不同程度的大田遮阴试验，分析小麦的产量以及小麦籽粒、颖壳和不同生育时期穗部的矿质金属元素浓度。结果表明：遮阴显著降低了小麦的有效穗数、穗粒数、千粒质量等产量主要构成因素，导致产量显著下降，在遮阴率为19%和45%的处理水平下，减产率分别达到40.6%和48.2%;遮阴使小麦成熟籽粒中Zn、Fe、Mg、Ca含量增加，穎壳中Ca、Mg、Mn、Cu、Fe含量也呈增加趋势。太阳辐射强度降低，显著降低了小麦产量，虽然增加了小麦的大多数矿质元素含量，但部分重金属元素如Mn、Cu、Zn含量升高可能会危害食品安全，因此气溶胶污染对农业生产的产量和品质影响须要综合考量。

关键词：气溶胶污染;农作物;产量;矿质营养;重金属;粮食品质安全

中图分类号： S512.101? 文献标志码： A? 文章编号：1002-1302（2019）10-0075-04

到达地面的太阳辐射受到云、气溶胶、水汽等因素影响，其中气溶胶能够降低大气透明度与能见度，进而减少到达地面的太阳辐射，并影响地表生态系统。近50年来，随着工业化和城市化进程加快，我国大气气溶胶污染日趋严重，雾霾事件频发[1-3]。大气气溶胶光学厚度在空间分布上表明，华北平原、长江三角洲、中东部和四川盆地受到的污染程度较高，导致其地表接收到的太阳辐射减少，这些地区是我国重要的粮食产区，且这种现象在时间上与主要作物生长季并存，因此会对我国的粮食生产造成一定的影响[4-7]。

太阳辐射是植物进行光合作用的能量来源，长期寡照天气将会影响作物生长发育，进而影响其产量和品质。通常认为，植物接收的太阳辐射强度降低，会提高旗叶的叶绿素含量，降低植物的净光合速率、电子传输速率和最大电子传输速率[8-9]，延缓叶片衰老，推迟叶片非顺序和顺序衰老现象，提高叶面积指数、植株高度[10-11]，从而使作物产量受到不良影响[12]。

Ca、Mg是植物必需大量元素，Zn、Fe、Mn、Cu是植物必需微量元素，这些元素不仅是植物生长发育必需的矿质元素，也是人类正常生理活动必需的元素，但Mn、Cu、Zn同时也属于有害重金属元素，含量过高时，会对人体产生不良影响。人体中的矿质元素一般是由食物链被人体吸收，小麦作为我国主要的农作物，是我国居民获取矿质营养元素的主要来源之一，因此小麦的矿质金属元素含量影响着作物品质和人体健康，而在气候变化背景下，作物吸收、积累矿质元素情况较为复杂[13-15]，因此研究辐射强度降低对小麦矿质金属元素含量的影响、我国粮食品质安全具有重要意义。

鉴于以往研究主要集中在辐射强度与农作物形态、产量构成、净光合速率、蛋白质含量、面筋含量及加工品质[9，12]等因素研究，罕有关注辐射强度对作物矿质元素含量的影响，且以往试验多在室内盆栽中进行，与大田生长环境相差较大，故本研究通过田间控制试验，利用人工遮阴模拟不同强度太阳辐射，探讨气溶胶污染导致的太阳辐射强度降低对小麦的产量及矿质金属元素含量的影响，为大气污染背景下的小麦优质高产和粮食安全提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2017年11月至2018年5月在南京信息工程大学校内农业气象试验站（118.70°E、32.2°N）进行。该站位于亚热带湿润气候区，年均降水量1 100 mm，年均气温 15.6 ℃。大田土壤为潴育型水稻土，灰马肝土属。

1.2 试验设计

1.2.1 作物品种及种植方式种植小麦品种为苏麦188，2017年11月8日种植于南京信息工程大学农业气象试验站。

大田分为3种处理方式，每种处理3个重复，种植试验每小区长、宽均为2 m，种植密度为25 g/m2。采取与当地种植习惯一致的田间管理与水肥管理，并保持各小区一致的管理方式。

1.2.2 遮阴处理从小麦拔节期开始，使用不同层数的黑色尼龙遮阴网为遮阴处理小区遮阴，遮阴处理至小麦收获。由LP-80测得其遮阴效果：Y1处理遮光率为19%（即透光率为81%）;Y2处理遮光率为45%（即透光率为55%）。每周根据小麦的株高调整遮阴网的水平高度，使遮阴网与小麦冠层始终保持在50 cm左右。

对照处理小区不采取任何遮阴处理，以自然光照作为对照。

1.3 采样

当小麦生长至抽穗期、灌浆期时，按照处理和重复收获小区内部分小麦穗部样品，样品分别依次使用自来水、超纯水清洗，在105 ℃条件下杀青1 h后在60～70 ℃烘箱内烘干至恒质量，使用粉碎机将其粉碎，贮存备用分析。

在小麦成熟收获时，按照处理和重复收取小区内部分成熟期小麦穗，手工脱粒，获取成熟期小麦籽粒与颖壳。将各小区籽粒与颖壳依次使用自来水、超纯水清洗，在105 ℃条件下杀青1 h后在60～70 ℃烘箱内烘干至恒质量，使用粉碎机将其粉碎，贮存备用分析。

1.4 产量分析

在小麦成熟期收获时，在每个小区收获0.5 m×0.5 m范围内所有植株进行室内考种，分别测定每个小区收获植株穗数、穗粒数、穗粒质量等指标。根据实际收获计算每个小区小麦产量。

1.5 作物矿质金属元素含量测定

植株各部位样品通过HNO3微波消解法处理，使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES，美国PerkinElmer公司）测定Cu、Zn、Mn、Fe、Mg、Ca等元素含量，质量控制采用空白、重复和标准样品（大米GBW10043、芹菜GBW10048）。

1.6 数据处理与分析

试验数据使用SPSS 17.0进行单因素方差分析，并使用LSD法在0.05水平下进行各个处理间的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 遮阴对小麦产量与产量构成的影响

由表1可知，遮阴可以显著降低小麦单位面积有效穗数、穗粒数、千粒质量。小麦单位面积有效穗数在Y1、Y2条件下相对于CK分别减少21.46%、24.56%;小麦穗粒数在Y1、Y2条件下相对于CK分别减少14.47%、21.32%;小麦千粒质量在Y1、Y2条件下相对于CK分别降低11.27%、12.75%。遮阴显著降低了小麦的各产量构成要素，造成了小麦的减产，减产率分别达40.6%、48.2%。

2.2 遮阴对小麦矿质金属元素积累的影响

2.2.1 遮阴对小麦籽粒矿质金属元素积累的影响由图1可知，小麦籽粒中大量元素Ca、Mg含量在遮阴条件下呈增加趋势。小麦籽粒中Ca含量在Y1、Y2遮阴水平下较CK分别增加12.1%、10.7%;小麦籽粒中Mg含量在Y1、Y2遮阴水平下较CK分别增加4.8%、10.5%。

小麦籽粒中微量元素Fe含量在Y1、Y2遮阴水平下分别较CK显著增加14.6%、15.8%。在遮阴条件下，小麦籽粒中微量元素Zn含量呈增加趋势，在Y1条件下，Zn含量较CK增加10.1%，在Y2条件下，Zn含量较CK显著增加21.8%;小麦籽粒中微量元素Mn、Cu含量无明显变化。

由此可以看出，在遮阴条件下小麦籽粒中Ca、Mg、Zn、Fe含量呈增加趋势，Mn、Cu含量在遮阴条件下无明显变化。

2.2.2 遮阴对小麦颖壳中矿质金属元素吸收的影响由图2可以看出，小麦颖壳中大量元素Ca、Mg含量在遮阴条件下呈增加趋势。小麦颖壳中Ca含量在Y1条件下无明显变化，在Y2条件下较CK显著增加40%;小麦颖壳中Mg含量在Y1、Y2遮阴水平下较CK分别增加3.2%、21.0%。

在遮阴条件下，小麦颖壳中微量元素Fe含量呈增加趋势，在Y1、Y2条件下，Fe含量较CK分别增加23.5%、36.1%。

在遮阴条件下，小麦颖壳中微量元素Mn、Cu含量呈增加趋势，在Y1条件下，Mn含量较CK增加14.4%，在Y2条件下，Mn含量较CK显著增加50.3%;小麦颖壳中Cu含量呈增加趋势，在Y1、Y2条件下较CK分别增加17.1%、23.2%。小麦颖壳中Zn含量无明显变化。

由此可看出，在遮阴条件下，小麦颖壳中Ca、Mg、Fe、Mn、Cu含量有增加趋势。

2.2.3 遮阴对小麦不同生育时期穗部矿质金属元素含量的影响由图3可以看出，在Y1、Y2遮阴条件下，小麦抽穗期穗中的Ca含量较CK分别增加16.7%、18.8%;Mg含量较CK分别显著增加14.3%、14.7%。在遮阴条件下，小麦抽穗期穗中Zn、Fe、Mn含量呈增加趋势，在Y1条件下，Zn、Fe、Mn含量较CK分别增加11.4%、19.2%、13.6%;在Y2条件下，Zn、Fe、Mn含量较CK分别显著增加31.6%、42.0%、27.9%。

在遮阴条件下，小麦抽穗期穗中Cu含量呈增加趋势，在Y1、Y2条件下较CK分别增加11.0%、9.9%。

小麦灌浆期穗部Ca、Mn、Fe含量在Y1和Y2条件下较CK分别增加15.0%、14.8%、6.6%和19.2%、12.8%、14.1%。小麦灌浆期穗部其他矿质金属元素含量在遮阴条件下变化不明显。

整体上来说，小麦灌浆期的穗部矿质金属元素含量大于小麦抽穗期;受遮阴条件影响，小麦抽穗期穗部矿质金属元素含量在各处理间变化较为明显，小麦灌浆期穗部矿质金属元素含量在各处理间变化较小。

3 讨论与结论

植物生长发育受到环境条件的显著影响，其中辐射强度是重要的影响因素[13]。光照是植物生产的原动力，是植物进行光合作用的能量来源。国内外学者已经对光照度降低对作物的生长发育、生理生化、产量等方面做了大量研究[8-12]。有研究表明，植株旗叶的光合速率受到光照度的显著影响，旗叶气孔形态在弱光条件下发生变化，影响了植株蒸腾速率和气孔导度，使光合作用产物合成受到抑制，从而导致灌浆速率显著下降，产量显著降低[14]，这与本研究结果一致。本研究结果显示，在Y1、Y2条件下，小麦接受到的光照不足，小麦的光合作用受损，导致小麦穗的形成受到影响，致使小麦的有效穗数、穗粒数、千粒质量等产量主要构成因素显著下降，小麦产量明显下降，减产率分别达到40.6%、48.2%。辐射强度降低能够使小麦产量显著下降，并且不同程度的辐射强度对小麦生长的抑制程度也将不同。在2个不同程度的遮阴试验中，Y2产量较Y1有下降的趋势，因此在辐射强度降低等不良环境条件下，应多关注小麦的生长发育及各产量构成因素，这些影响因子对小麦产量的形成有着较大的影响。

外界环境条件的变化也将影响着植物中矿质金属元素含量的变化[15-17]，从而威胁着食品安全和人类健康。Ca、Mg是人体必需的大量元素，Fe、Zn、Cu、Mn是人体必需微量元素，这些元素在人类正常的新陈代谢中发挥着重要的作用，是人类预防疾病、维持身体健康必不可少的物质。在全世界约有15亿人缺乏1种或多种微量营养素[18]，其中铁缺乏是当今世界上最常见的微量营养素缺乏，据估计约有50%的贫血是由缺铁引起的，我国6岁及以上居民的贫血率为9.7%，其中 6～11 岁儿童和孕妇贫血率分别为5.0%和17.2%[19]。在全球有25%以上的人口受到缺锌的影响，锌元素缺乏是影响发展中国家居民健康的第五大重要危险因素[20]。虽然Cu、Mn、Zn是人类正常生理活动所必需的微量元素，但当其含量过高时会对人体健康产生一定的伤害[21]。小麦作为我国主要粮食作物之一，是我国居民补充矿质元素的一个重要途径。因此，粮食作物中矿质元素含量将会影响我国居民的矿质元素的吸收。

有研究表明，小麦和水稻籽粒中大量元素和微量元素的平均含量随大气CO2浓度升高而有下降趋势[22-23]。有学者认为，高CO2浓度能够显著增加水稻穗分化期植株的K、Ca、Mg和Se的吸收量;在成熟期Se吸收量增加显著[24]。另有研究表明，在温度升高3 ℃的情况下，痕量元素在土壤中溶解性将会发生变化，3个品种春小麦的籽粒中Cd含量相比对照分别下降43.4%、11.1%和13.4%，Cu含量相比对照处理分别下降30.4%、25.1%和10.8%[25]。众多试验结果预示着环境变化将会导致粮食作物中矿质金属元素含量的变化，威胁着人类的粮食安全问题。本研究发现，在辐射强度降低的条件下，小麦的产量显著下降，但其部分矿质金属元素含量呈增加趋势。在小麦籽粒中Zn、Fe、Mg含量在遮阴条件下显著增加，Ca含量也呈增加趋势;在小麦颖壳中Ca、Mn含量在遮阴条件下显著增加，Mg、Zn、Fe、Cu含量也呈增加趋势。考虑到可能是由于在辐射强度降低条件下，光照度处于光饱和点之下，使小麦光合作用生产效率降低，光合作用产物的化学成分积累发生变化，致使小麦籽粒中矿质金属元素含量与质量的比例发生变化，导致小麦籽粒中大部分矿质金属元素含量增加，最终提高了小麦籽粒的品質。在2个不同程度遮阴试验中，Y2条件下小麦籽粒的矿质金属元素含量较Y1条件有增加的趋势，可能是由于上述动态变化导致其矿质金属元素含量增加幅度大于Y1条件。小麦抽穗期穗部矿质金属元素含量变化与小麦灌浆期相比，小麦抽穗期穗部矿质金属元素含量变化较为明显。在小麦抽穗期穗部，Mg、Zn、Fe、Mn在2种遮阴条件下与对照水平相比较，元素含量显著增加，Ca、Cu在2种遮阴条件下元素浓度也有明显的增加趋势，而在小麦灌浆期，只有Fe、Mn、Ca含量在2种遮阴条件下较CK有增加趋势。可见在小麦抽穗期，穗部矿质金属元素含量对太阳辐射的变化更加敏感。

綜上，在太阳辐射强度降低的情况下，小麦的有效穗数、穗粒数、千粒质量等产量主要构成因素显著降低，最终造成小麦产量显著下降，对我国的粮食生产产生了一定的负面影响。而小麦的矿质金属元素含量是小麦重要的品质因素，在太阳辐射强度降低的情况下，小麦部分矿质金属元素含量呈增加趋势，小麦的品质得以提高。但是，在牺牲作物产量的情况下提高作物品质能否真正改善作物品质有待进一步研究。应当全面看待辐射降低对小麦生产的影响，为大气污染背景下小麦优质高产和粮食安全提供理论基础，从而达到解决环境、人口、粮食安全问题。

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