基于气孔导度模型下大豆气孔O3吸收通量的时空分布

论文总字数：19926字

目 录

1 引言 1

1.1研究的目的和意义 1

1.2国内外研究进展 1

1.2.1 O₃胁迫对农作物气孔导度和气孔吸收通量的影响研究 1

1.2.2 O₃胁迫对农作物影响的风险评估模型研究 2

1.3国内外研究存在的不足 3

1.4研究目标与内容 3

2 材料与方法 3

2.1试验设置 3

2.2测定项目及其方法 4

2.3数据来源 4

2.4模型介绍 4

2.4.1气孔导度模型介绍 4

2.4.2 O₃吸收通量模型介绍 5

3 结果与分析 5

3.1 O₃胁迫对大豆气孔导度的影响 5

3.2环境因子变化特征 7

3.3气孔导度模型的模拟与验证 9

3.4气孔O₃吸收通量的变化特征 10

3.5基于气孔导度模型下江苏省大豆O₃吸收通量的时空分布 10

3.5.1江苏省环境因素的时空分布 10

3.5.2大豆气孔导度和气孔O₃吸收通量的时空分布 13

4 结论与展望 15

4.1研究结论 15

4.2不足与展望 16

参考文献 16

致谢 19

基于气孔导度模型下大豆气孔O₃吸收通量的时空分布

黄昀

,China

Abstract: Ozone in surface layer is a kind of important secondary pollutants, plays an important role in plant physiological and biochemical , what’s more, it has varying degrees of impact on growth and development of plant. This paper using soybean as the object of study by the open top chamber (OTC) field experiment was carried out. At the same time ues the stomatal conductance model and ozone absorption flux model to simulative soybean stomatal conductance and stomatal uptake flux, explore the stomatal uptake flux of the temporal and spatial distribution characteristics. Main research results are as follows:

1. The increase of ozone concentration restrictions on soybean leaf stomatal conductance, The higher the concentration ,the more obvious the restriction .

(2)Through continuous observation of soybean on stomatal conductance of hourly variation,the measured values is compare with the simulation value about the stomatal conductance model.And then verify the model.In the ozone concentrations were CK group (natural atmospheric background value, the ozone concentration of about 50nL/L), T100 group (regulation of ozone concentration in the 100 8nL/L) and T150 group (the ozone concentration in the regulation of 150 11nL/L)， the accumulation flux respectively for 14.46mmolO₃·m^-2,15.86mmolO₃·m^-2 and 16.69 mmolO₃·m^-2 in the ozone fumigation.

(3)Soybean in Jiangsu Province during the growing season, with increasing ozone concentration, temperature, water vapor pressure difference and relative humidity from the early to the late decreased gradually. Variation characteristics of soybean stomatal conductance : pre gt; middle gt; late.The variation characteristics of O₃ absorption flux are as follows: pre gt; middle gt; late.

Key words: ozone (O₃); soybean; stomatal conductance; stomatal absorption flux; model

1 引言

1.1研究的目的和意义

人类社会飞速发展，随着工业化城市化的推进，人类的活动趋于多样化。人类活动中利用各种化石燃料、含N化肥将会加速大气中的NOx与VOCs等臭氧前体物的浓度的升高，致使近地层O₃浓度也随之有明显的升高。相关研究表明，北半球中纬度地区的O₃浓度每年增加0.5%~2.5% ^[1]，预计到2100年，对流层O₃浓度将增加40%~60%^[2]，届时O₃浓度值可达80nL·L^{-1 [3]}。

近地层大气中O₃浓度的持续增长，将会给人类社会带来严重的生态环境问题。研究表明，高浓度的O₃将会降低作物叶面积、加速叶片老化、抑制光合作用，并降低生物量^[4-6]，影响着农作物的生长繁育。O₃对植物的这些伤害是在O₃进入作物体之后，在其内部产生的一系列生物化学反应所引起的，那么气孔则是身兼起内部与外部的交流平台的角色。气孔影响着植物的蒸腾、光合、呼吸等重要生理过程，臭氧要进入植物内部，就必须通过气孔来进行气体交换。因此气孔在控制植物对臭氧吸收方面起着重要的作用^[7]，是臭氧对植物影响的主要因子^[8]。当近地层臭氧浓度升高，作物的气孔导度会降低并且可能导致气孔关闭，CO₂将难以进入叶片，造成作物光合速率降低^[9-10]，进而导致农作物减产，严重威胁到我国粮食生产安全^[11-12]。并且将直接或者间接地对全球的粮食生产安全产生严重威胁^[13]。研究表明，全球每年由于O₃浓度增加对作物影响带来的经济损失达110-180亿美元。而我国在近地层O₃浓度日渐升高的影响下，农作物受到严重的影响导致其产量损失较大。部分研究结果表明大豆、小麦、水稻、和玉米等农作物都已经严重减产，其中大豆的减产率最高可达23%。1990年全国大豆、小麦等作物因近地层臭氧污染就已经减产造成约327.6亿元的经济损失^[14]，这种农作物减产的形势十分严峻。

因此，本文以大豆为实验对象，从作物直接受影响部位的气孔臭氧吸收通量方面入手，研究大豆气孔导度和气孔吸收通量的变化特征，明确作物气孔吸收通量对研究的重要性，并利用模型模拟江苏地区的臭氧吸收通量的时空分布，由点扩展到区域，预测O₃污染下作物的产量损失，以此建立科学的O₃风险评价。

1.2国内外研究进展

1.2.1 O₃胁迫对农作物气孔导度和气孔吸收通量的影响研究

　　随着人类生活生产的多样化，各区域的发展水平不一，导致O₃污染在各个区域的污染程度不一，其对农作物产生的伤害也呈现出区域性特征。通过模型模拟的方法来预测O₃浓度升高对农作物造成的伤害，进而得出其产量损失，能为农业生产提供较科学的依据。气孔是作物CO₂交换和水分循环的主要部位，其大小将由作物生理和环境等因子一同决定^[15]。如温度（T）、水汽压差（VPD）、光合有效辐射（PAR）等，这些环境因子综合表现出来即为气孔导度。气孔导度反映出农作物气孔张开的程度，作物的气孔导度越小，张开程度就越小，O₃则更难进入作物内部对其造成影响，因此作物受到的伤害就越小^[16]。目前国内外已经对农作物叶片的气孔导度与影响其生长繁育的环境因子之间的关系开展了相关研究^[17]，其中对于气孔导度的大小既可以测量取得，也可以模型模拟。

　　国内外研究表明，随着O₃浓度不断上升，农作物受到O₃胁迫的程度也越来越严重。有学者研究认为，O₃胁迫的程度和作物的吸收通量有直接关系^[9]。气体吸收通量是研究植物体受伤害程度的一个重要指标，其影响途径分为气孔吸收与非气孔吸收。气孔吸收是其主要的影响途径，其臭氧气孔吸收通量占总通量的约50%^[18]。臭氧气孔吸收通量将受到O₃浓度和环境因素的共同作用^[19]。臭氧浓度升高会降低作物的气孔导度，进而减少臭氧气孔吸收通量。而环境因素将会直接影响气孔导度，从而间接影响气孔吸收通量。进一步欧洲的OTC实验研究发现，在臭氧浓度大于40 nL·L⁻¹ 时，植物将受到O₃的伤害，所以学者们就普遍使用AOT40(即臭氧浓度大于40nL·L⁻¹的部分)来衡量O₃对植物的伤害程度。近来有研究证明气孔导度与作物减产率的关系比AOT40与作物减产率的关系更密切^[20]，因而气孔导度更能真实地反映出作物受到的生理伤害和产量损失。

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