粉尘沉降对中国西北地区棉花叶片气孔导度和叶温的影响外文翻译资料

 2022-11-24 15:44:44

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粉尘沉降对中国西北地区棉花叶片气孔导度和叶温的影响

Shamaila Zia-Khan 1,*, Wolfram Spreer 1,2, Yang Pengnian 3, Xiaoning Zhao 4,
Hussein Othmanli 4, Xiongkui He 5 and Joachim Muuml;ller 1

摘 要：中国西北的新疆地区被称为欧亚大陆的“降尘中心”。叶表降尘影响着植物的整个生长发育过程。学者的研究重点一般放在工业粉尘颗粒对作物生长的影响上，但还未研究过自然降尘对棉花生理参数的影响。本研究旨在探究降尘对棉花叶片的影响，并估计其对作物生长和作物产量产生的影响。为此，我们设计了一个实验，包含两个处理和一个空白对照。在处理1中，棉花叶片每隔三天或自然降尘沉积后用水清洗。在处理2中，棉花叶片每隔10天用浓度为100g·m-2的降尘处理一次。空白对照既不施加降尘也不清洗叶片。然后测定所有处理中棉花叶片的气孔导度、叶温、生物量和作物产量。研究结果表明，与空白对照相比，经过降尘处理的棉花产量降低28%，叶片气孔导度降低了30%。这表明降尘堵塞了叶表顶部的气孔。此外，经过降尘处理的树冠叶温也总是高于空白对照和处理1的叶温。

关键词：新疆；沙尘暴；非生物胁迫；产量；植物生理；Gossypium hirsutum L.

  1. 引言

中国北方和西北的沙漠地区是沙尘暴(DSS)的主要来源。在国内，由于一些最大的沙漠的存在，例如南部的塔克拉玛干沙漠和北部的古尔班通古特，新疆地区也被称为欧亚大陆的“降尘中心”[1]。大约90%的沙尘暴出现在3月到9月并且主要出现在下午[2]。由于地形、植被覆盖和天气状况的变化，新疆南部每年平均发生沙尘暴的天数是北部的两倍[3]。发生沙尘暴频率最高的是塔里木盆地，每年超过30天[4]。在夏季，高温、少雨和沙质土壤为风力侵蚀提供了有利条件。由于降尘颗粒的动态特性，直径lt;10mu;m的颗粒即可被风运输数千公里[5]。中国西北地区的沙尘暴发展趋势已经有了深入的研究[6]，然而结论仍然存在争议。一些研究人员报告称近年来沙尘暴的发生有所增加[7]，另一些人则声称有减少的趋势[8]。

毫无疑问，沙尘暴会对人体健康产生很多有害的影响，例如呼吸系统疾病和心血管问题[9]。同时它也会对环境造成影响，如土壤肥力流失或对农作物造成直接损害，从而使农作物减产，造成大规模经济损失[10]。暴露在强风中的植物表现出解剖学和形态学上的变化。例如，碳同化从叶片发育转移到根和茎的生长，从而导致叶面积的减少。这种影响在干旱的环境中是具有毁灭性的，因为即使是耐旱作物，如果受到风的影响，作物由于气孔导度增加而表现出失水率增加，蒸腾屏障磨损和蒸腾量增加[11,12]。植被对环境的积极影响是它的空气过滤能力，大气降尘沉积在了叶片上，从而改善了空气质量。叶片作为降尘受体的能力取决于它们的几何形状、叶面朝向、表皮和角质层特征、叶片绒毛和植株高度等[13]。然而，与此同时，叶表降尘也影响着植物的生长发育。例如，叶表降尘可以改变它们的光学性质，特别是可见光中的表面反射率和近红外波长范围[14]。被降尘覆盖的叶片吸收到的可用于光合作用的光较少，并且干扰了叶片和空气之间的气体交换，降低了叶片气孔导度，从而影响了植物生物量的形成和产量等。Cornisch等人[15]曾得出结论，匹马棉(Gossypium barbadense L.)的产量增加与气孔导度有关。气孔导度取决于环境因素、树冠位置和叶龄[16]。这可能仅发生在较低的(背面的)表面(下叶)，仅在上(正面的)表面(高处叶片)，或在轴向和轴向表面。

此外，灰尘覆盖的树冠吸收了大量的太阳辐射，从而提高了叶温[17]。其他影响，如喷砂也会导致植物叶片的损失，从而降低光合作用并且影响粮食和水果的生长发育。长期而言，降尘也会通过土壤化学变化影响植物，也可能会造成其他胁迫，如干旱胁迫或病原体胁迫[18]。

过去，学者的研究重点是工业粉尘颗粒对作物生长和作物生理参数的影响[19,20]，集中研究了粉尘的化学成分、粒径、植物年龄和沉积速率等因素[19,21]。例如，水泥窑粉尘降低了绿豆光合作用的73％[22]，而灰分降低了苹果树光合作用率的90％[23]。Nanos和Ilias [24]描述了水泥粉尘所带来的影响，例如降低了橄榄树的气孔导度和蒸腾速率。类似的，Shukla等[25]报告称水泥粉尘的高碱性，导致被粉尘覆盖的植物叶绿素含量降低。由于叶面积减少，气孔堵塞以及叶面上的水泥结壳引起的入射光拦截，也就导致了光合作用的降低。Thomson等[26]研究了在一系列光照强度下路边粉尘对叶片光合作用和叶片扩散阻力的影响。他们得出结论，当在叶表施撒5-10 g·m-2粉尘时，光合作用将大大降低。

水泥、煤炭或火力发电厂工业粉尘颗粒浓度的增加对人类和植物健康的严重影响引起了很大的关注。同样，新疆地区沙尘暴发展趋势也倍受关注。然而，降尘对中国西北地区主要作物棉花的生理参数的影响尚未得到研究。因此，本研究旨在探究降尘对棉花叶片的影响，并估计其对作物冠层叶温、气孔导度和作物产量产生的影响。

  1. 材料与方法
    1. 实验地点

实验在新疆农业大学库尔勒实验站进行，位于新疆库尔勒市Xinier镇（41°35N，86°09E）。该地区位于暖温带气候区，气候条件干旱，年平均降雨量60毫米，年平均蒸发量2450毫米（oslash;120cm蒸发皿）。试验站的土壤被归类为砂质壤土，田间持水量（FC）和永久萎蔫点（PWP）分别为0.25 m3·m-3和0.09 m3·m-3。不同深度土壤的详细分析见表1。该地点的气象站在生长季节每小时对太阳辐射，降雨量，气温，相对湿度和风速进行测量，整个生长季的月平均值见表2。

表1.库尔勒实验站的土壤化学和物理特性：阳离子交换容量（CEC），体积密度（BD），电导率（ECe），有机碳（Corganic），总氮量（Ntotal），碳酸钙（CaCO3），碳酸盐（CO32-）碳酸氢盐（HCO-3），氯化物（Cl-），钠（Na ），钙（Ca2 ）钾（K ），镁（Mg2 ）和硫酸盐（SO42-）。

表2.整个播种季节库尔勒实验站的气象信息：平均最大值（Tmax）和最小空气

温度（Tmin），平均温度（Tavg），相对湿度（RH），平均风速（u2），日平均太阳辐射（Rs）和降雨量（P）。

2.2实验设计

2012年5月4日播种棉花（Gossypium hirsutum L.，Xinluzhong-21），覆盖0.08-mm透明聚乙烯膜作为覆盖物。塑料覆盖物覆盖四个宽度为140cm的棉花行（N-S方向）。行间距为20-40-20cm，裸土宽度为60cm（图1）。因此，地面覆盖了约80％的塑料覆盖物。两根滴灌管分别放置在两排棉花下方，滴水距离为29cm，排放率为1.6L·h-1。塑料覆盖物和滴灌管用特别配备的播种机放置。从6月中旬至8月底，总共进行24次灌溉。

图1.滴灌技术和塑料地膜并用的种植模式

该实验由两个处理和一个对照组成。在处理1中，棉花叶子每隔3天或自然降尘沉积后用水清洗。在处理2中，每隔10天施加100g·m-2的粉尘。为了获得人工施用的降尘颗粒，将纸张放置在棉花田中来收集降尘，随后将其过筛获得均匀粒径的降尘颗粒。对照组中既没有人工施用降尘也没有用水清洗，而是暴露在自然条件下。处理和对照各重复3次，每个区域大小为5mtimes;5m（图2）。只有处理2的田块被1.5米高的聚乙烯围栏所包围，称为“降尘施加室”。降尘施加室将降尘限制在指定的范围内，在每个降尘施加时间放置并在人工施用结束后移除。所有植物样品取自3mtimes;3m的中心区域。每隔十天在早晨对叶片进行人工降尘施加处理并一直持续到实验结束。与对照组和处理1的植物相比，经人工降尘处理的植物明显多尘并且人工施加的降尘留在了叶片上（图3）。

图2.各处理布局与降尘施加室设计（缩小）

图3.对照组和不同处理下的棉花叶片

2.3冠层温度和气孔导度的测量

使用高分辨率（384times;288像素）热成像仪（VarioCAM, Infra Tech GmbH, Dresden,
Germany）测量冠层温度（Tc）。所有图像均在12:00至14:00之间获得。使用IRBIS-PROFESSIONAL-3软件（(Infra Tech GmbH, Dresden, Germany）分析热图像，它允许校正物体发射率，物体距离和温度。手动对红外图像进行预处理，以排除叶片温度分析中的任何外来表面的干扰，例如标记棒、塑料覆盖物和土壤。土壤和上部叶片之间的温差在15至25℃的范围内。由于土壤（53℃）和塑料覆盖物（52℃）的温度（红色和蓝色）比叶片（30℃）高（紫色），在图像分析过程中很容易区分，如图4所示。选中区域由垂直虚线画出，统计参数如最大值、最小值、平均温度和标准偏差，由图像处理软件计算。

图4.棉花行的数字图像及相应红外图像

用红外光谱仪拍摄红外图像的同时使用便携式气孔计(SC-1; Decagon devices, Washington, DC, USA)测量气孔导度（gs）。测量时在每个田块随机选择三个完全发育的，受到阳光照射的叶片的背面。在每次测量之前，根据制造商的说明对仪器进行校准。

2.4 土壤含水量、植物干重与产量

体积土壤含水量用TDR-TRIME试管接入探针（IMKO GmbH，Ettlingen, Germany）进行测量。每个试验小区安装一根接入管，测量值降至深度为0.7米，间隔为0.1米。测量每3天进行一次，在灌溉前后和发生降雨事件时也需进行测量。田间的灌溉量是基于土壤含水量决定的：每当含水量低于65％FC时，灌溉至100％FC。假定棉花的最大生根深度为1m，总有效含水量（TAW）估计为110mm[27]。速效水（RAW）在贫化系数0.5的基础上计算为55mm。随后在每个试验小区随机选择剪取三株植物获得鲜生物量，然后在70℃下烘干48小时以获得干重。

在生理成熟时，所有棉铃手动采摘，种植密度（Dp），含有棉花的荚（Cc），无棉花的荚 （Cwc）和小于2cm的荚（Nsc）取决于不同的处理。在70℃烘箱干燥24小时之前和之后分别测定每个荚的重量（mc）。计算每株棉花的平均荚数量（Nc）和棉花种子产量（Ycs），单位为t·ha-1，计算采用中国农业部描述的方法[28]。

Ycs = Dp times; Nc times; mc times; 85% (1)
Nc = Cc Cwc 1/3 Nsc (2)

2.5 数据分析与统计

进行方差分析（ANOVA）以评估不同处理对冠层温度，气孔导度和产量的影响。计算冠层温度和产量之间的线性相关系数以分析二者之间的关系，相关性使用Pearson系数分析确定。

  1. 结果

3.1灌溉和土壤水分含量

从播种日期到收获期的潜在蒸散量（ET0）达到693mm，总灌溉量为631mm。其中不包括种植前的过滤盐度管理。作物在整个生长季节共获得40mm的降雨量（图5）。

3.2 冠层温度和气孔导度

人工施加降尘处理的棉花作物与用水清洗的棉花作物之间的最大温差为4.1℃，而人工施加降尘的棉花和对照组棉花之间的温差为2.9℃。各处理间的冠层温度差异（图6）表明，与用水清洗叶片处理和空白对照处理相比，人工施加降尘处理的植物一般具有较高的冠层温度。图7显示了冠层（Tc）和环境空气（Ta）之间的温度差异，其中人工施加降尘处理显示出比无尘处理更高的值。在所有测量日期内，对照组、用水清洗处理和人工施加降尘之间的冠层温度差异均发现显著（p lt;0.001）。为了探究降尘量对树冠温度的影响，将积累的降尘量以施加降尘的总天数进行划分。如图8所示，在不同降尘量下观察到冠层温度随尘埃量的增加趋势在开始时和后期都无明显变化。

图5.整个生长季节的潜在蒸散量（ET0），灌溉水和体积土壤含水量（DOY =每年的天数）

图6.整个生长季节的各处理和对照之间的冠层温度差异

图7.各处理和对照冠层温度（Tc）和空气温度（Ta）的差异

图8.降尘沉积对冠层温度（Tc）和环境温度（Ta）差异的影响

在整个生长阶段中，人工施加降尘的植物的气孔导度（gs）均低于对照组植物的气孔导度（gs）。处理之间的gs差异如图9所示。清洁叶子的g<su

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