论文总字数：18585字

目 录

1.引言 1

2.材料与方法 2

2.1观测场地 2

2.2仪器介绍 2

2.3数据质量控制和筛选 2

2.4 公式介绍 3

2.4.1 臭氧沉积速度的计算 3

2.4.2 臭氧通量的计算 3

3.结果与讨论 3

3.1气象因子和臭氧浓度的变化 3

3.1.1 气象因子变化时间序列 3

3.1.2气象因子的日变化特征 5

3.1.3臭氧浓度变化时间序列 7

3.1.4臭氧浓度的日变化特征 7

3.1.5臭氧浓度与气象因子的关系 8

3.2臭氧通量的变化及和其他因子的关系 9

3.2.1臭氧通量变化时间序列 9

3.2.2臭氧通量的日变化特征 10

3.2.3臭氧通量与气象因子的关系 10

3.3臭氧沉积速度的变化及其和其他因子的关系 12

3.3.1 臭氧沉积速度变化时间序列 12

3.3.2 臭氧沉积速度的日变化特征 12

3.3.3臭氧沉降速率与其他因子的关系 13

4.不同沉降通道的变化 14

4.1 气孔导度的有效性检验 14

4.2 气孔和非气孔沉降通道的贡献率 14

结论 15

创新与展望 16

参考文献 16

致谢 18

南京麦田臭氧通量及不同沉降通道分配的变化特征

郑翔

，China

Abstract: In this study，we used an eddy-covariance technique to measure ozone flux, ozone concentrations, and meteorological factors in an winter wheat field located in Yongfeng experimental station of NUIST. The results showed that: (1)During the observation period (ie., from March 20^th to March 30^th, 2016), ozone concentration had a significant diurnal variation, which the minimum of17.8 ppb and the maximum of 54.8 ppb appeared at 07:30 and 16: 00, respectively. The average daytime and nighttime values were 39.7 ± 14.5 ppb and 26.3 ± 6.8 ppb, respectively., The relationship between ozone concentration and vapor pressure deficit(VPD) was more obvious than relative humidity, wind speed and friction velocity. (2) Ozone flux at night is very small and there was an oscillating and stationary process. In the morning (07: 30-12: 30) ozone flux increased rapidly firstly, reached to maximum at midday hours (12: 30-15: 00), then decreased rapidly. The average daytime (08: 00-17: 00) and nighttime values of ozone flux were -6.59 nmol m^-2 s^-1and -2.809 nmol m^-2 s^-1, respectively. (3) The average ozone deposition velocity was 0.36 cm s^-1. Ozone deposition velocity increased rapidly in the morning, decreased rapidly and kept a small value at night. The average daytime and nighttime values of ozone deposition velocity were 0.4 cm s^-1 and 0.3cm s^-1, respectively. The correlation between ozone deposition velocity and solar radiation(SR) or air temperature was more obvious. (4)When relative humidity(RH) is smaller than 60%, the contribution of stomatal uptake was 26.7%-56.5% of the total ozone uptake.

Keywords: Ozone; Dry deposition flux; Deposition velocity; Eddy-covariance technique; Winter wheat;

1.引言

平流层中约有大气中90%的臭氧，这些臭氧主要起一个“遮阳伞”的作用，可以防止高能量的紫外辐射对地面的人类和动植物造成伤害。但是近地面大气中的臭氧却是一种重要的温室气体和主要的污染气体，其主要是通过氮氧化物与挥发性有机物在太阳光照的情况下的化学反应产生的，此外大气远距离水平传输和垂直湍流输送也是臭氧的重要来源^[1]。对流层臭氧是一种强氧化剂，对人体健康、植物生长发育有着很大的危害^[2]。在过去的100年里对流层臭氧污染显著增加了^[3]，并且据专家预测在未来的几十年里还会增加^[5]。目前长期定位观测的结果表明，地球表面的臭氧浓度每年增加0.5%-2%，俨然已经变成了一个限制可持续发展的因子^[5]。

高浓度臭氧对植物的损害主要是通过损害植物内部组织和降低植物光合作用，从而削弱植物的生长和降低农作物的产量^[6]。因此研究臭氧对植物的影响很重要。不过在研究臭氧对植物的影响时，量化气孔对臭氧的吸收又显得尤为必要。臭氧的气孔吸收受许多环境因素和气象因素影响，包括太阳光、湿度、气温、风速、植物的含水量还有周边的二氧化碳浓度。大多数现存的预估气孔吸收的模型都是把太阳光、气温和湿度作为影响因素^[7]。

臭氧对植物的影响一般都是用开顶式气室(OTC)来进行研究的，也就是通过控制臭氧浓度来定量研究臭氧对植物的光合作用、生长发育以及产量的影响^[8-12]。但是臭氧对自然生态系统的影响主要是通过测量臭氧浓度、沉积速度以及臭氧通量等来进行研究的，而且提出了许多评价臭氧对生态系统影响的指标^[13]。这一系列指标大致可以分成两类：第一类是基于臭氧浓度的环境评价指标，第二类是基于臭氧通量的评价指标^[14-17]。其中第一类指标容易观测和计算，但是第一类指标却缺乏一定的科学基础，因为植被和生态系统状况(如作物生育期、叶面积大小和气孔阻抗等)没有被考虑在第一类指标里面，第二类指标有充分的科学基础但是却难以观测或估算。这两类指标都有共同的缺点^[18]：(1)由于这两类指标以及模型都是在开顶式气室等环境下得到的，所以数据和实验基础都不够充分；(2)它们的临界值的分组有点过于简单了，没有将不同的植物对臭氧的敏感程度的差异考虑进去；(3)评估模型缺乏足够的野外实验的验证。不过综合考量比较，科学家将臭氧通量(尤其是进入气孔内部的臭氧通量，简称为“气孔吸收”)作为评价臭氧对植被以及生态系统影响的最好的指标^[19]。

目前国外对臭氧对生态系统的影响评价的研究已经做了很多，但是国内这方面的研究则少之又少，甚至可以说几乎是空白^[20]。臭氧对生态系统的风险评估主要通过两种途径进行，一种是基于大田控制试验的评估，另一种是基于自然生态系统臭氧浓度以及臭氧通量观测的评估。本文主要采用基于自然生态系统臭氧浓度以及臭氧通量观测的评估来评估臭氧对生态系统的风险。本文将采用涡度相关方法来测量永丰田间试验场冬小麦田的臭氧的沉积通量。涡度相关方法是目前公认的测量地气交换的最好的方法，并且被广泛应用于测量二氧化碳通量和水汽通量。但是涡度相关方法在观测臭氧通量时不是很成熟，主要是因为臭氧浓度的脉动仪还没有大量地投入商业生产，许多仪器都是科学家以及技术人员自主研发和改良的，只在有限的范围内使用。这些仪器需要有人经常去维护，而且仪器的灵敏度会随着反应物的消耗以及环境条件的变化而产生变化，但是经过一定的校正可以使之达到短期科学研究的要求。

本文以冬小麦为例，基于涡度相关系统来初步分析南京麦田臭氧沉降通量的变化及不同臭氧沉降通道的贡献率，为评价臭氧对生态系统的影响，为臭氧胁迫对作物生长，农业生产影响的防治工作提供一定理论依据。

2.材料与方法

2.1观测场地

试验于永丰试验站试验田(118°42’25’’E，32°11’6’’N，海拔22米)。试验站属于北亚热带湿润气候，季风明显，四季分明，年均降水量1107 mm；年均气温15.6 ℃，1、7月的平均气温分别为2.2 ℃、27.8 ℃；日照资源比较丰富。耕作土壤类型为黄棕壤，土质细腻均匀。永丰试验站观测试验介于冬小麦拔节期，所用冬小麦为江苏省里下河地区农科所采用综合育种技术路线培育的扬麦13(Yamgmai 13)，具体观测时间为2016年3月20日到2016年3月30日。在观测期间，试验站的下垫面的状况没有明显的变化，所以观测得到的臭氧干沉降的数据能够基本反应对应时段的臭氧在冬小麦覆盖期的干沉降特征。

2.2仪器介绍

臭氧通量的观测主要包含涡度相关系统，紫外慢速臭氧分析仪，快速臭氧传感器和数据采集系统。涡度相关系统是用来测量臭氧生态系统的感热、二氧化碳以及水汽通量的，主要由一套水/二氧化碳浓度红外分析仪(LI-7500，LI-COR Biosciences，美国)和一个三位超声风速仪(CSAT3，Campbell Sci.Co，美国)组成。鉴于现在的技术水平，采用涡度相关法测量臭氧通量的时候会用到两个仪器，一个是臭氧相对浓度快速脉动仪，另一个就是臭氧绝对浓度慢速分析仪。在本文中，大气臭氧的绝对浓度是用紫外慢速臭氧分析仪(英国Casella公司/澳大利亚Ecotech公司生产的Ecotech EC9810型)进行测量的；测量臭氧的相对浓度的快速变化的脉动仪是采用新西兰Sextant技术公司的FOS型。该仪器的基本原理是：当空气中的臭氧快速通过仪器腔体的时候，一个涂有乙烯基以及芳香物的感应面会和空气中的臭氧发生化学反应然后产生蓝光，之后借助光电放大器把光信号输出转为电信号从而完成对臭氧浓度的快速变化的测量。上述的两种臭氧浓度的测量都是采用的闭路方式，输气管的材料是惰性材料氟龙。原始涡度系统数据的采样频率是10赫兹。通过TBQ-1型线性光量子仪(上海杰韦弗仪器公司生产)对太阳辐射(SR)进行24小时连续观测，每1 min 记录一次数据。由 HOBO U23-001环境温度/相对湿度数据记录仪(美国Onset公司生产)对空气温度(T)、相对湿度(RH)进行连续观测，每次记录的时间间隔为10 min。利用watchdog自动观测站对降雨量、5 cm的土壤温度和水分含量进行连续观测，每次记录时间间隔为10 min。

2.3数据质量控制和筛选

为了确保臭氧干沉降的结果的有效性，本文对观测阶段的观测数据进行了必要的质量控制以及筛选，从而达到最大限度减少气象条件以及观测仪器信号噪声的影响个效果。具体的操作步骤如下所示：(1)检查观测的一秒钟数据并去除数据中的明显野点(大于方差的3倍)，同时去掉缺测时段；(2)对观测数据求半小时平均同时去除相对湿度过高(RHgt;90%)、摩擦风速过小(u*lt;1。5 m/s)以及臭氧浓度过低(Clt;10)的时段；剔除的理由主要是因为，摩擦风速过小(u*lt;1.5 m/s)时，湍流输送能力弱；当对湿度过高(RHgt;90%)时，植被表面状况改变；当臭氧浓度过低(Clt;10)时，信号噪音干扰大。(3)使用湍流资料来计算稳定度参数，将0lt; lt;0.005的时段近似认为是静力中性情况。数据经过质量控制后的数据占原始数据的81%。

2.4 公式介绍

2.4.1 臭氧沉积速度的计算

臭氧沉积速度等于臭氧通量除以臭氧浓度。因为FOS的灵敏度是不断变化的，所以使用该仪器配合超声风速仪时不能直接测出臭氧通量，因此我们通常要假设该仪器的灵敏度在某个短时段之内(例如30分钟)的变化是可以忽略不计的，臭氧的沉积速度V_d如下^[21]：

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