臭氧浓度变化对农作物的影响

臭氧是引起气候变化的主要因子之一，是平流层和对流层中第三种重要的温室气体。尽管臭氧在大气中的含量很少，但它对地球气候和地表生态系统的影响却非常大。我国是一个农业大国，那么，臭氧浓度变化对农作物的影响如何呢？

随着全球气候持续变暖，气候变化带来的正面或负面的影响是多尺度、全方位、多层次的，气候变化的某些潜在影响可能在很长时间不被发现或认识，尤其是在农业领域的影响还远远没有认识清楚。气候变化对农业的影响是根本性的、长期性的、全局性的，这将给我国的经济社会可持续发展带来十分严峻的挑战。

　　作为对流层特别是近地层光化学氧化剂的主要成分之一，臭氧不仅是温室气体，而且还是一种广泛分布和危害严重的大气污染物。近几十年来，由于人类活动加剧，工业和农业生产的快速发展，燃烧化石燃料和使用含氮化肥，向大气排放了大量的氮氧化物和氯氟碳化合物，导致近地层臭氧浓度不断增加。对流层臭氧浓度每年以0.5%的速率增长，近地层臭氧也呈明显的增加趋势。目前，大气臭氧浓度一般约为50~60ppb，局地大气中瞬时臭氧浓度可达到或超过100~200ppb，城市大气中臭氧浓度可超过背景浓度10倍以上，最大时臭氧浓度更高达200~400ppb。预计到2020年对流层臭氧浓度可增加50%。

　　王春乙说，根据国内外定点和非定点观测资料，城市和近郊已经测得400ppb以上的小时臭氧浓度，农村臭氧浓度也有高达100ppb的记录，平均臭氧浓度达到35~50ppb，并有继续增加的趋势。尽管在大气中，臭氧含量仅为亿分之几（体积比），但对植物、尤其是人类赖以生存的农作物的生长发育和产量都有严重影响。


　　王春乙和他的研究小组历时数年分别对冬小麦、水稻、菠菜、油菜等进行田间试验，取得了比较理想的实验结果。实验结果显示，在其他环境要素基本为自然条件下，臭氧浓度为50ppb的大气环境对部分粮食作物和大部分蔬菜作物已经产生比较严重的不利影响。计算和模拟研究表明，在目前自然环境下，臭氧浓度为50ppb时，冬小麦可减产7%~15%，水稻减产5%~15%，大豆减产10%~12%；臭氧浓度增加到100ppb时，冬小麦可减产30%以上；臭氧浓度达到200ppb时，冬小麦可减产60%，水稻减产30%。菠菜在臭氧浓度分别为50ppb、100ppb和200ppb下生长1个月时，可分别减产50%、70%和90%。在高浓度臭氧下暴露3天，菠菜会失去食用价值和经济价值。

　　王春乙介绍说，臭氧对植物危害方面的研究成果国外已有不少报道，而我国在这方面的研究则相对比较薄弱。臭氧通过张开的气孔进入植物体，一旦进入，就可以影响植物组织的各个层次。当进入细胞的臭氧浓度积累超过一定阈值时，过高的活性氧积累就会破坏其防御系统，改变与膜有关的酸碱度和钾离子、钙离子浓度，破坏膜蛋白质的巯基，使膜透性增加，细胞液和细胞质外渗，出现失水、萎蔫、干枯、叶片褐斑等可见症状；进入细胞的臭氧影响植物体内活性氧代谢系统的平衡，即增加植物体内的活性氧，如超氧自由基、氢氧自由基、单态氧、过氧化氢等，这些自由基十分活跃，能对生物体膜系统产生危害。

　　当然，不同作物对臭氧的响应有很大的差异，当空气中的臭氧浓度达到50~120ppb时，就可使敏感植物受害。同样浓度臭氧对作物的影响和危害，一般来说，蔬菜大于油料作物，而油料作物又大于粮食作物。同种作物的不同品种在相同处理下，也表现出了不同的响应，即使是相同作物的同一品种在不同生育期对臭氧的敏感性也不相同。据国外专家研究表明，试验期间，变化浓度的臭氧比固定浓度的臭氧对植物的伤害更大。大量研究结果表明，不同浓度、剂量的臭氧和不同通气时间对植物的影响不同。对于植物，在一段时间内，臭氧的多次短期间断暴露比臭氧浓度稳定不变的连续暴露更加有害。

　　总之，臭氧浓度越高，熏气时间越长，对植物的伤害越重，对经济产量的影响越大。植物不仅在高臭氧浓度的大气中出现急性伤害症状，在低臭氧浓度环境长时间暴露下也可产生慢性伤害。植物可通过忍耐、适应等一系列生理、生化机制来克服臭氧的危害，然而迄今为止，还没有建立一种植物对臭氧敏感性及抗性的完整、清晰的生物化学机制。

中国气象学会秘书长研究员王春乙