麦田臭氧干沉降的观测与模拟及其风险评估

摘要

陆地生态系统是O3重要的汇，且能影响近地层O3的收支平衡。O3对植物有毒害效应，植物通过气孔吸收O3而造成自身机能的损害，而O3难于被降水冲刷，主要通过干沉降方式沉降到农田生态系统。为了深入了解本地和区域农田生态系统的O3干沉降过程和不同沉降通道的分配，并相应地进行O3风险评估，本文基于涡度相关系统对冬小麦田O3干沉降数据进行连续观测，系统研究了冬小麦主要生育期的O3干沉降过程、不同沉降通道的变化特征及分配规律，并引入和修正了Sttrfatm-O3干沉降模型，开展了冬小麦覆盖期的O3干沉降过程及其不同沉降通道分配的模拟;利用O3损耗的半机制模型和累积气孔吸收O3通量指标，评估了O3胁迫条件下的冬小麦光合损耗和产量损失;运用WRF-Chem模式自带的Wesely和本研究新加的Surfatm干沉降方案分别对长三角地区的O3干沉降过程进行了区域模拟。主要结论如下:
　　(1)冬小麦田观测期间日均O3浓度（cO3）为32.9nL·L-1;白天和夜间平均总O3通量(FO3)分别为-7.6nmol·m-2·s-1和-3.1nmol·m-2·s-1，日均FO3为-5.1nmol·m-2·s-1。逐日平均气孔O3通量（Fs）的变化范围为0-5.1nmol·m-2·s-1，日均Fs为-1.43nmol·m-2·s-1。逐日平均非气孔O3通量（Fns）的变化范围为-1.43～10.31nmol·m-2·s-1，日均Fns为-3.66nmol·m-2·s-1。日均O3干沉降速率(Vd)为0.39cm·s-1，Vd变化范围为0.17～0.63cm·s-1。
　　(2)在较强光照（太阳辐射(SR)≥400W·m-2），适度的温度(温度(T)=18℃），以及较为湿润（相对湿度(RH)＞40％)的环境条件下比较有利于O3干沉降过程。其中较强的SR、较高的T和适度湿润的条件有利于冬小麦气孔沉降;较强的SR、适度的T和湿润条件下有利于冬小麦非气孔沉降。
　　(3)整个观测期间冬小麦平均气孔和非气孔O3沉降通道所沉降的O3通量占总O3通量的分配比例分别是32％和68％，其中非气孔沉降是O3干沉降的主要沉降通道，叶面积指数(LAI)的变化和降雨的发生均会影响气孔O3沉降。
　　(4)修订后的Surfatm-O3干沉降模型对冬小麦覆盖期O3干沉降过程的模拟结果较好，实测和模拟Vd平均值分别为0.39cm·s-1和0.37cm·s-1，模拟值比实测值低估5.3％，其中每一个独立阻力参数的模拟效果均较好，通过敏感性分析表明该模型具有良好的适用性。大气中的NO对O3干沉降速率的影响甚微，而土壤排放的NO与O3的化学反应则需要在O3干沉降过程中进行考虑。
　　(5)基于O3损耗的半机制模型和累积气孔吸收O3通量指标(POD7)，对不同O3浓度水平胁迫下冬小麦光合损耗和产量损失进行了评估:基于高、低两种O3敏感度下的150nL·L-1、100nL·L-1、50nL·L-1处理组光合损耗分别为:-13％～-72％、-6％～-36％和-1％～-6％，本次试验（CK组）的光合损伤率分别为-10％和-2％;POD7与冬小麦相对产量的关系为:y=-0.065x+1（(R2=0.57)。当POD7每增加1mmol·O3·m-2，冬小麦产量损失6.5％。
　　(6)与WRF-Chem模式自带的Wesely干沉降方案模拟结果对比，新加的Surfatm干沉降方案模拟的O3干沉降结果与站点实测值更为接近，模拟效果较好;利用Surfatm干沉降方案结果可得长三角地区白天cO3均值为30～50nL·L-1;Vd均值为0.2～0.5cm·s-1;FO3均值为-2～-10nmol·m-2·s-1;FO3高值区位于长三角地区中南部和北部。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的与意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 O3干沉降的观测方法

1．2．2 O3干沉降模拟模型

1．2．3 陆地生态系统O3干沉降观测和模拟的研究进展

1．2．4 O3胁迫对作物影响的评估和模型

1．2．5 存在的问题

1．3 研究目标与主要内容

参考文献

第二章 材料与方法

2．1 试验地状况

2．2 试验材料

2．3 试验仪器和观测方法的介绍

2．3．1 涡度相关系统

2．3．2 常规气象要素观测仪器

2．3．3 土壤排放的NO通量(FNO)的观测方法

2．3．4 冬小麦生物要素的测定方法

2．4 实测数据的计算方法

2．4．3 气孔O3通量(Fs)的观测与非气孔O3通量(Fns)的计算

2．5 Surfatm-O3干沉降模型的介绍

2．6 WRF-Chem模型的介绍

2．7 数据质量控制

2．7．1 原始通量数据的校正

2．7．2 通量数据的剔除

2．7．3 通量数据的插补

参考文献

第三章 麦田O3干沉降过程的观测及不同沉降通道的分配

3．1 观测期间气象要素的变化

3．2 冬小麦生物要素的变化

3．3 冬小麦O3干沉降过程

3．3．2 O3通量的变化

3．3．3 O3干沉降速率的日变化及与主要气象因子的关系

3．4 冬小麦气孔O3沉降和非气孔O3沉降过程

3．4．2 气孔O3通量和非气孔O3通量的变化

3．4．3 气孔O3沉降速率和非气孔O3沉降速率与主要气象因子的变化

3．5 冬小麦不同O3沉降通道的分配

3．6 累积O3吸收通量的变化

3．7 讨论

3．7．1 O3干沉降过程

3．7．2 O3沉降速率与主要因子的关系

3．7．4．不同O3沉降通道的分配规律

3．8 本章小结

参考文献

第四章 基于Surfatm-O3模型的麦田O3干沉降过程及不同沉降通道分配的模拟

4．1．3 表面阻力Rcut

4．2 化学反应时间(tchem)和气体分子传输时间(ttrans)的计算

4．3 Surfatm-O3模型不同阻力的参数化修订

4．3．2 土壤阻力Rsoil的参数化修订

4．3．3 表面阻力Rcut的参数化修订

4．4 Surfatm-O3模型的验证

4．5 不同O3沉降通道的分配比例

4．6 讨论

4．6．1 Surfatm-O3干沉降模型的敏感性分析

4．6．2 化学O3干沉降通道的探究——-NO与O3的化学反应

4．7 本章小结

参考文献

第五章 O3胁迫下的冬小麦光合损耗和产量损失的评估

5．1 数据计算方法

5．1．1 总初级生产力(GPP)的计算方法

5．1．2 作物光合损耗的计算方法

5．1．3 累积气孔吸收O3通量指标及与冬小麦相对产量关系的建立

5．2 O3胁迫下的冬小麦光合损耗评估

5．2．1 GPP的计算

5．2．2 观测期间GPP的变化过程

5．2．3 不同O3浓度水平下冬小麦气孔吸收O3通量和有效气孔吸收O3通量

5．2．4 不同O3浓度水平下的冬小麦光合损耗评估

5．3 O3胁迫下的冬小麦产量损失评估

5．3．1 不同O3浓度组千粒重的年变化

5．3．2 不同年份环境因子的日变化过程

5．3．3 不同年份的环境变量胁迫系数的变化特征

5．3．4 不同年份不同O3浓度组累积气孔吸收O3通量(POD0)的时间序列变化

5．3．5 冬小麦累积气孔吸收O3通量临界值的分析和确定

5．4 讨论

5．4．2 O3胁迫下的冬小麦产量损失评估

5．5 本章小结

参考文献

第六章 长三角地区O3干沉降的区域模拟

6．1．2 O3干沉降方案

6．2 模式结果验证

6．2．1 模型验证的计算方法

6．2．2 O3干沉降的站点验证

6．3 长三角地区O3干沉降的时空分布

6．3．1 长三角地区O3浓度的时空分布

6．3．3 长三角地区总O3通量的时空分布

6．4 讨论

6．4．1 两种干沉降方案的对比

6．4．2 Surfatm方案模拟的一些不确定性

6．5 本章小结

参考文献

7．1 主要结论

7．1．2 基于Surfatm-O3模型的麦田O3干沉降过程及不同沉降通道分配的模拟

7．1．3 O3胁迫下的冬小麦光合损耗和产量损失的评估

7．1．4 长三角地区O3干沉降的区域模拟

7．2 特色与创新之处

7．3 论文不足之处及今后的研究展望

作者简介

致谢