中国西北 – 山东平原上的小麦生长期臭氧浓度，通量和潜在效应外文翻译资料

 2022-12-26 19:52:55

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中国西北 - 山东平原上的小麦生长期臭氧浓度，通量和潜在效应

1.中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与建模重点实验室，北京100101。电子邮件：zhuzl@igsnrr.ac.cn

2.生物地球化学系，Max-Planck-Institute for Chemistry，55128 Mainz，Germany

一、文章资讯

文章历史：

收到日期2014年10月10日

修订日期2014年12月8日

接受日期2014年12月15日

在线可于2015年5月5日

关键词：

臭氧浓度

臭氧通量

沉积速度

涡度协方差

收益损失估计

农田生态系统

摘要：

在中国西北 - 平原的麦田中使用涡度协方差技术测量臭氧（O3）浓度和通量（Fo）。通过利用O3暴露反应模型估计O3诱导的小麦产量损失。结果表明：（1）在生长季节（2012年3月7日至6月7日），O3浓度最低（16.1 ppbV）和最高（53.3 ppbV）分别在6:30和16:00发生。所有测量的O 3浓度的平均值和最大值分别为31.3和128.4ppbV。 O3浓度的变化主要受太阳辐射和温度的影响。 （2）沉积速度（Vd）的平均日变化可以分为四个阶段，最大发生在中午（12:00）。白天（6：00-18：00）和夜间（18：00-6：00）的平均Vd分别为0.42和0.14cm / sec。测得的Vd的最大值为约1.5cm / sec。 Vd的大小受小麦生长阶段的影响，其变化与全局辐射和摩擦速度显着相关。 （3）最大平均Fo出现在14:00，测得的最大Fo为-33.5nmol /（m2·sec）。白天和夜间的平均Fo分别为-6.9和-1.5nmol /（m2·sec）。 （4）利用从美国，欧洲和中国获得的O3暴露响应函数，该地区O3诱导的小麦产量降低估计为12.9％（5.5％-23.3％）。大的不确定性与导出暴露 - 反应函数涉及的统计方法和环境条件有关。

copy;2015中国科学院生态环境科学研究中心。由Elsevier B.V.出版

  1. 介绍

通讯作者。电子邮件：sunxm@igsnrr.ac.cn（孙晓敏）。

地面臭氧（O3）是一种二次污染物，对植物生长，光合作用和作物产量有不利影响（Heck et al。，1982; Cape，2008; Feng et al。，2008）。 O3浓度通过其与NOx（NO NO2）和VOC（挥发性有机化合物）以及水平和垂直大规模运输的光化学反应来确定（Crutzen等人，1999; Cape，2008）。根据全球的长期观察，地面O3浓度水平在过去几十年一直在增加（Monks，2000; Vingarzan，2004）。在中国，快速工业化和不断增加的化石燃料车辆产生大量的VOC和NOx，这导致大气O3浓度的迅速增加（Wang等人，2009; Li等人， 2014）。 O3浓度的升高威胁着中国作物的生产（Aunan et al。，2000; Wang and Mauzerall，2004; Wang et al。，2007; Zhu et al。，2011）。应用两种度量，O3浓度或基于暴露的指数和通量指数，以评估O3对植物和生态系统的影响效果。（Musselman et al。，2006; Pleijel et al。，2007）。前者是与不考虑植被和生态系统状态的大气环境有关的度量，例如气孔导度，叶面积指数和生长阶段。植物对O3的响应与吸收到叶组织中的量密切相关，因此认为气孔O3摄取是比环境O3浓度更好的度量以评价O3诱导的产量损失（Pleijel等人，2004; Paoletti和Manning，2007） 。量化气孔O3吸收的一个成熟的方法是测量生态系统上的总O3通量（Fo），然后使用电阻模型将Fo分成气孔（Fst）和非气孔吸收（Fns）（Gerosa et al。 ，2003; Lamaud et al。，2009）。

目前，涡度协方差方法被认为是测量生态系统通量的最佳微气象技术（Gruuml;nhageet al。，2000; Baldocchi，2003）。由于缺乏可以长期部署在现场的鲁棒和高性能快速响应气体分析仪，在过去几十年中已经进行了几个短期O 3通量测量（Gerosa等人， 2003; Lamaud等，2009）。在中国，O3对植物的影响研究主要集中在OTC（开放顶室）或FACE（自由空气浓缩增强）实验（Feng et al。，2003; Zhu et al。，2011; Feng et al。 al。，2012）。据我们所知，中国生态系统水平的O3通量研究很少。

研究农田生态系统中O3浓度和通量的一个目的是评估由O3引起的产量损失。为了量化这些损失，使用OTC或FACE实验产生了一些O3暴露/通量响应模型（Heck et al。，1982; Mills et al。，2007; Feng et al。，2012; Wang et al。 ，2012）。虽然基于通量的指数具有优于基于暴露的指数的优点，因为它们与植物的气孔吸收相关，但是存在一些实际的限制，阻碍它们在当前研究中的使用。这些限制包括缺乏连续的气孔O 3通量估计和合适的基于通量的评估模型。相比之下，利用O3暴露反应函数的产量损失估计相对容易（Wang和Mauzerall，2004; Van Dingenen等人，2009; Avnery等人，2011）。

中国的西北 - 山东平原是一个重要的粮食生产基地，小麦是高O3敏感性作物（Mills等，2007）。为了研究农田生态系统的当前O3状态并评估O3对作物产量的影响，通过使用涡旋协方差技术测量了小麦田中的O3浓度和通量。本研究的目的是研究：（1）O3浓度与环境因素的关系以及O3浓度的日变化和季节变化; （2）O 3沉积速度和通量与环境因素或其他通量以及它们的昼夜和物候变化的关系;和（3）O3诱导小麦产量损失在当前O3水平通过使用曝光响应函数。

  1. 材料与方法

1.1网站说明

在Yucheng综合实验中在冬小麦（Triticum aestivum L.）田地上进行观察

中国科学院站（36°50N，116°34E，28米;山东省，中国）。该地块位于华北平原的黄河冲积平原，其特征是壤土质地以及半干旱和温暖的温带气候。年平均气温和降水分别为13.4℃和567mm。冬小麦的主要生长季节是从3月到6月初。实验地点相当平坦，并且对涡流协方差测量的获取要求在仪器位置的200m内很好地满足。在2012年3月7日至6月7日的实地试验期间，冬小麦的冠层高度从0.05m增加到0.75m。

1.2数据采集

使用基于慢响应便携式UV吸收的O 3分析仪（205型，2B Technologies Inc. CO。，Boulder，Colorado，USA;以下称为M205）测量环境O 3的绝对浓度。它的检测限为1 ppbV，其输出速率设置为2秒。结合来自中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX）的观测，用涡度协方差法测量臭氧通量（Yu et al。，2006）。仪器包括3D声波风速计（CSAT3，Campbell Scientific Instruments，Logan，Utah，USA）和开路CO 2 / H 2 O气体分析仪（LI-7500，LI-COR Biosciences，Lincoln，Nebraska，USA）。 O3波动用快速响应O3分析仪（Enviscope GmbH，Frankfurt am Main，德国）测量，以下称为ENVI。测量原理基于O3与放置在电池中的铝板上的臭氧敏感染料层的化学发光反应。虽然其响应时间可以达到0.1秒，但灵敏度受染料和环境条件，特别是空气湿度的影响（Guuml;sten等人，1996; Muller等人，2010）。有关分析仪的更多信息可以在Zahn et al。 （2012）。通过两个长度为3m，内径为4mm的PTFE（特氟隆）管将空气吸入两个分析仪中。通过最大协方差法计算平均延迟时间（2.8秒）。 ENVI的输出信号（mV）由环境O3浓度校准。还测量了微气象和辐射变量，包括空气温度和相对湿度（HMP45C，Vaisala Co.，Finland），风速（A100R，Vector Instruments，UK），净辐射（CNR1，Kipp＆Zonen，活性辐射（LI-190SB，LI-COR Biosciences，USA）。所有传感器安装在2.2米高度。采样频率为10Hz。两个进气管安装在声波风速计中心旁边，水平间距为0.2 m。由于有机染料的连续消耗，ENVI的灵敏度随时间缓慢下降。为了保持高灵敏度，我们每3至4天更换有机染料盘。通过数据记录器（CR5000，Campbell Scientific Instrument，Logan，Utah，USA）记录来自涡流协方差（EC）系统的10Hz原始数据和30分钟平均数据。

1.3涡流协方差O3通量计算和数据后处理

涡度协方差方法基于标量的垂直湍流交换中涉及的统计。因为ENVI的信号输出是O3的相对测量，其稳定性受O3-敏感染料的消耗和环境条件的影响，需要使用绝对O3浓度同时校准。在本研究中，“比率法”用于校准ENVI的信号输出（X），这意味着X（以mV为单位）与绝对环境O3浓度在30分钟内成比例。基于这一假设，定义为O 3通量除以O 3浓度的臭氧沉积速度（Vd，cm / sec）可以通过（Muller等人，2010）计算：

Vd = - wXeth;1THORN;

X

其中，w为垂直风速。上标表示时间平均值，主要符号表示每个变量的波动。负号在方程中的作用。 （1）是维持正的Vd，因为O3通量总是指向下（负）。 Vd可以理解为归一化O3通量，并且经常用于比较不同表面处的沉积特性（Wesely和Hicks，2000; Fowler等人，2009）。原始O 3通量Fo_raw（nmol /（m 2·sec））可以表示为：

wXeth;2THORN;

Fo raw = - rho;oVd=rho;oX

其中，rho;o是通过组合M205输出（ppbV）和大气温度和压力导出的平均O 3密度（nmol / m 3）。

在实践中，O3通量由具有一系列校正的软件（LI-COR，Lincoln，NE，USA）处理。使用双旋转来校正倾斜误差（Wilczak等人，2001）。执行闭环路径系统的Webb，Pearman和Leuning（WPL）校正以考虑O 3通量（Webb等人，1980）。

1.4计算基于O3浓度的指数

在本研究中，使用两个基于浓度的指数来评估生长季节（3个月）的小麦产量损失。 M7指数（ppbV）是7小时（9：00-16：00）平均O3浓度，AOT40指数（ppmV.hr）是累积的小时臭氧浓度高于40ppbV阈值。它们根据Van Dingenen等人（2009）：

M7 = 1 Neth;3THORN;

CO3frac12;9-16＆

1

N

AOT40frac14;eth;CO3-40THORN;CO3gt; 40 ppbVeth;4THORN;

其中，CO 3（ppbV）是小时平均O 3浓度。使用两种方法填充由仪器故障和功率短缺引起的O 3浓度间隙。如果遗漏数据跨越少于4个连续间隙，则使用线性插值法，否则应用平均日变化法（Falge等人，2001）。

1.5数据统计方法

使用MATLABreg;2011（Mathworks）和Microsoft Office Excel 2003 for Windows进行统计分析。我们使用标准偏差（std）来表示时间单个变量的方差。在随后的分析之前去除异常值。主要筛选标准是：对于O 3浓度为0至200ppbV，对于O 3通量为-35至0nmol /（m 2·sec）。删除了与仪器故障，仪器校准和光盘更换周期相对应的数据。

2.结果和讨论

2.1 O3浓度对环境因素的响应

2.1.1。 O3浓度的平均日变化

图1a显示了整个生长季节30分钟平均O3浓度的平均日变化。为了比较其变化与其他环境因素，我们还提出了全球辐射（Q）和空气温度（T）的平均昼夜变化（图1b）。平均O 3浓度的最低值（16.1ppbV）发生在6:30左右，比平均日出时间晚约半小时。然后在上午和下午持续增加。最高值（53.3 ppbV）出现在16:00，比全球辐射峰（〜12:00）晚4小时，稍晚于空气温度峰（图1b）。 O3然后迅速下降，直到大约20:00。在晚上，O3总是有一个下降趋势，直到第二天早上。白天（6：00-18：00）和夜间（18：00-6：00，以下），平均O 3浓度分别为39.5plusmn;22.1和20.7plusmn;14.1ppbV（平均值plusmn;标准差）。生长季节的平均O3浓度为31.3plusmn;22.3 ppbV。

O3浓度的日变化取决于影响O3形成（例如，局部光化学反应和水平或垂直传输）和破坏（例如沉积或化学反应）的许多因素的平衡（Crutzen等，1999;

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