稻田生態系統O3干沉積特性及其對氣孔吸收的貢獻

趙 輝,王思雨,張譽馨,劉 貞,鄭有飛 (.復旦大學環境科學與工程系,上海 2008；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室,江蘇 南京 200；.香港科技大學理學院,香港 999077；.秦皇島市氣象局,河北 秦皇島 066000)

地表臭氧(O3)作為一種二次污染物,是由氮氧化物(NOx)、揮發性有機物(VOCs)、甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)等前體物經一系列復雜的光化學反應所形成的[1].過去的幾十年里,由于人類活動的加劇、化石燃料的大規模使用、機動車尾氣的大量排放,使得大氣中O3含量與日俱增,北半球背景O3濃度正以每年 0.5%～2.0%的速度增加[2-3],某些地區的年平均 O3濃度甚至高達 85nL/L[4].Fiscus等[5]利用模型,預測至 2100年,若 NOx和 CH4排放量增加約 3倍,全球夏季平均O3濃度將達到80nL/L.近年來,華北平原、長三角、珠三角和成渝盆地 O3前體物的人為排放量不斷增加,導致地表 O3濃度顯著上升[6].Lu等[6]研究指出,2013～2017年期間我國 O3風險評估指標呈現增加的趨勢,年均增長率約為3.7%～15.3%.

陸地生態系統地表 O3主要通過氣孔途徑進入到植物組織,并直接與細胞壁和質膜上的成分發生反應,導致細胞功能受損和死亡[7].北美、歐洲和亞洲地區當前大氣 O3污染已對不同類型的植被產生負面效應,如葉片的損傷、光合作用的下降、生長速度的降低、碳分配的改變、氣孔的關閉和過早衰老等[8-10],從而對植物的生長和產量帶來影響.模型研究表明,由于O3對植被的傷害效應,使得植被對CO2的吸收下降,進而改變了溫室氣體的收支平衡,加劇了全球變暖[11-12].

常用的 O3對陸地生態系統影響的評估指標可分為2類:一類是基于O3濃度的指標,另一類是基于O3通量的指標[13].AOT40(O3濃度超過40nL/L閾值的累積量)指標因容易觀測與計算而得到廣泛應用.O3通量指標能夠反映作物對O3的吸收,但計算較為復雜,應用較少[13].目前,O3通量的獲取方法分為通量箱法與微氣象學法.通量箱法由于操作簡單,成本低廉,應用較多,國內僅有的幾項研究也是基于該方法進行的[14].利用該方法進行測量時會改變作物的生長環境,降低實驗結果的準確性.基于渦度相關技術的微氣象學法是近年來興起的測量生態尺度O3通量的先進方法,在水汽/CO2通量上得到廣泛的應用[15],但在 O3通量的應用方面還相對較少.此外,目前大多數基于 O3通量的研究主要集中在葉片水平上的氣孔吸收[16],作物對O3吸收的其他非氣孔途徑研究較少[13].因此,厘清O3干沉積特征及其在氣孔吸收與非氣孔沉積通道的分配規律對于準確評估O3對作物產量的影響至關重要.

本文以渦度相關系統結合快速 O3分析儀連續觀測長江三角洲地區水稻主要生長季期間的 O3濃度、干沉積通量及沉積速率的動態變化,分析它們與環境條件的關系,利用修訂后的水稻氣孔導度模型,估算 O3干沉積通量在氣孔與非氣孔通道的分配規律,以期為精細化量化 O3干沉積對自然農田水稻產量的影響提供參考.

1 材料與方法

1.1 觀測地與試驗材料

利用開路式渦度相關系統在南京信息工程大學永豐農業氣象試驗站(32°11′N, 118°40′E)的水稻田進行大氣O3通量的觀測,觀測時間為2017年的8月1日～10月8日.該試驗地開闊平坦,四周均無高大建筑物遮擋,長、寬分別為 250,150m.該地土壤類型為黃棕壤,pH值大約為7.0,土壤有機質含量13.1g/kg,總氮含量 0.82g/kg,有效磷含量 4.2mg/kg,有效鉀含量53.3g/kg.

水稻的種植品種為南粳 5055,由江蘇省農科院糧食作物研究所培育而成的一個優良粳稻新品種,屬早熟晚粳稻品種,該品種具有長勢旺盛、株型緊湊、分蘗力強、葉色較深和群體整齊度好等特點.株高96cm左右,結實率達91.4%,平均畝穗數20.4萬,穗粒數 121粒,千粒重 24.7g,全生育期約為 158d.于2017年5月中旬播種,至2017年10月初成熟收割.

1.2 觀測儀器

O3通量觀測儀器為開路式渦度相關系統,該儀器由美國Campbell公司生產的CSAT3三維超聲風速儀、新西蘭Sextant科技有限公司研制的快速O3分析儀以及CR3000數據采集器等組成.基于朱治林等[13]方法,利用O3絕對濃度慢速分析儀配合快速O3分析儀才能得到 O3通量.O3慢速分析儀型號為EC9810-O3監測儀,O3快速分析儀的響應頻率為10Hz,三維超聲風速儀與快慢速O3分析儀的進氣口高度均為6.5m,2臺分析儀的氣路用7m長的聚四氟乙烯管連接而成.儀器檢測的基本原理是:當分析儀內部的香豆素感應涂層與含有 O3的空氣發生化學反應后會發出熒光,之后被光電倍增管探到將其轉化為電信號輸出,從而實現對O3濃度的快速檢測.通常情況下,假設 O3快速分析儀的靈敏度在短時段內(30min)的變化可以忽略,并且發出的信號與O3絕對濃度成正比,這樣就可以計算出O3的沉積速度(Vd):

式中:w為垂直風速(m/s);X為O3快速分析儀輸出的信號(mV);'為變量的脈動;—為時間平均.由于大氣中的O3是向下沉積的,為了讓Vd保持正值,在公式前增加了負號.實際 O3通量(FO3)為 Vd和 O3絕對濃度的乘積,具體計算公式如式(2)所示:

式中:ρO3與XO3分別為O3慢速分析儀所觀測到的O3密度(ng/m3)和O3混合比(nL/L);P為大氣壓(kPa); T為空氣絕對溫度(K);MO3為 O3物質的量,取值為48g/mol,R 為氣體常數(8.314J/(mol·K)).

溫度、相對濕度和輻射等其他常規氣象要素的觀測也同步進行,并將原始數據儲存在數據采集器中.觀測期間,由于香豆素感應涂層不斷被 O3氧化,所以每4～5d必須對香豆素涂層進行更換,確保儀器能夠達到最佳工作狀態.同時,每天早晨與傍晚對儀器設備進行查看、維護與保養,以防止氣管堵塞、進水或試驗場地斷電等其他因素的影響.

利用北京天諾基業有限公司提供的EddyPro軟件對10Hz的原始數據進行處理,處理后的數據分辨率為 30min.為了確保數據的可靠性,對其實施更詳細的質量控制,具體參考黃積慶等[17]的方法.

1.3 氣孔導度與O3通量模型

引入 Jarvis氣孔導度模型計算水稻氣孔導度的連續變化.由于不同地區的氣候條件、同種作物的不同品種之間存在差異,所以在使用該模型前需要對其進行相關參數本地化,使其適用性更強.本課題組前期對水稻氣孔導度模型已進行修正和調整[18],得到了適用于本地區模型中各參數的數值,本研究利用該參數模型進行水稻氣孔導度的估算:

式中:gsto為水稻葉片氣孔導度的估算值,mmol/(m2·s);gmax為最大氣孔導度;fmin為最小氣孔導度與最大氣孔導度的比值[19];ftemp、fVPD、fPAR、fphen和fO3分別為氣溫、水氣壓差、光合有效輻射、物候期和 O3對氣孔導度的限制函數,它們的值在0～1之間.

水稻葉片累積氣孔 O3吸收通量的計算公式如式(4)所示:

式中:Fst表示葉片氣孔 O3吸收速率 nmolO3/(m2·PLA·s);Y表示氣孔O3吸收速率的閾值;AFstoY表示當氣孔O3吸收速率高于閾值Y時的累積氣孔O3吸收通量.

采用阻力相似原理,葉片氣孔 O3吸收速率的計算為:

式中:[O3]為作物冠層 O3濃度 nL/L;Rs為氣孔阻力,是氣孔導度 gsto的倒數;Rb為葉邊界層阻力,是葉邊界層導度 gb(mmolO3/(m2·PLA·s))的倒數,其計算公式如式(6):

式中:u為作物觀測高度處的風速m/s;w為葉片寬度,取值為0.02m.

非氣孔通量的計算如式(7)所示:

式中:Fns為非氣通量,它是總通量 FO3與氣孔通量的差值而獲得.

2 結果與討論

2.1 氣象因子的日變化

由圖1可見,觀測期間30min氣溫、相對濕度、總輻射與摩擦風速具有相同的變化特征.大約從上午 06:00左右,溫度和太陽輻射開始明顯上升,此時相對濕度開始持續下降,溫度于 14:00達到最大值,總輻射則提前于溫度2h左右達到最大,然后迅速下降,而相對濕度在15:00左右達到最小值后迅速上升.摩擦風速在00:00～06:00變化較為平緩,之后逐漸升高并于10:00～16:00維持在較高水平,而后又迅速降低至穩定的狀態.水稻生長季期間各氣象因子的均值分別為24.6℃、72.5%、197.2W/m2和0.21m/s.

圖1 水稻生長季期間主要氣象因子的日變化(平均值±標準誤差)Fig.1 Diurnal changes of main meteorological factors during the growing seasons of rice (mean±standard error)

2.2 觀測期間O3干沉積特征

觀測期間 O3濃度的日變化曲線均呈單峰型,夜間的 O3濃度有個緩慢下降的過程(圖 2).從早上07:00左右開始,隨著輻射強度與溫度的上升,濃度也開始不斷升高,并于15:00～16:00達到最大值后又逐漸下降.水稻生長季期間白天和夜間 O3濃度的平均值分別為40.3,23.8nL/L.

學者們通常采用干沉降速率(Vd)來比較與研究不同地區或下墊面O3的沉積規律[20].O3的Vd是指大氣中的 O3被清除的相對效率,其數值大小表示干沉積作用的強弱.從圖2中可以看出,Vd的日變化與O3濃度相比不同,Vd在00:00～03:00左右變化較為平緩,然后開始逐漸上升,至 08:30～09:00左右達到峰值,之后又迅速下降,于20:00前后達到一天中的最低值后又穩中有升.水稻生長季Vd的平均值為0.34cm/s,其中白天和夜間的平均值分別為0.42,0.24cm/s.

研究表明,大氣 O3沉積受大氣湍流交換與下墊面特征的影響[21],前者為O3的沉積提供了動力,而后者作為 O3的匯,可以使上層的 O3不斷的向匯沉積.不同下墊面類型 Vd的日變化規律研究表明,總的來說,白天Vd均高于夜晚,這與白天植被氣孔導度較大以及較強的大氣湍流活動密切相關.盡管夜間植被氣孔已完全關閉,但Vd仍然處于相對穩定的狀態,可能是由于 O3通過土壤沉積、植被莖稈或化學分解等其他非氣孔的途徑所消解[22].本研究中 Vd的最大值出現的時間與Fowler等[23]、Michou等[24]、Stella等[25]和Zhang等[26]分別對橡樹林、裸地、玉米地和森林生態的研究結果相同.不同植被類型 Vd存在很大差異,通常情況下森林生態系統的Vd要高于農田、草地等生態系統,本研究所觀測的 Vd平均值也處于Basuer等[27]在針葉林(0.38cm/s)和朱治林等[28]在玉米地(0.19cm/s)觀測的結果之間.

圖 3中,負號表示 O3向下沉積運動.整體來看,FO3的平均日變化呈先上升后下降的單峰曲線變化趨勢,這與其他研究結果類似[22,29].由于夜間的O3濃度與Vd相對白天較小且變化平穩,因此FO3在夜間處于較低的狀態.上午隨著 O3濃度與 Vd的快速升高,FO3也一直保持不斷上升的趨勢,于 14:00左右達到一天中的最高值,此后 FO3快速減弱.下午 13:00～17:00期間 O3的變化較為穩定且濃度值也較高(圖2),說明 FO3在這階段的降低并不是主要取決于 O3濃度,可能與溫度、輻射、Vd或作物的氣孔吸收等其他因素有關[30].觀測期間,冬小麥 FO3的平均值為-0.0044μmol/(m2·s),變化范圍為-0.0023～-0.0088 μmol/(m2·s),該觀測結果介于其他研究結果-0.0018～-0.0095μmol/(m2·s)之間[31-32].此外,白天與夜間 FO3的平均值分別為-0.0073,-0.0024μmol/(m2·s).

圖2 水稻生長季期間O3濃度與干沉積速率的日變化Fig.2 Diurnal variation of O3 and dry deposition rate during the rice growing season

圖3 水稻生長季期間O3干沉積通量的日變化Fig.3 Diurnal variation of O3 dry deposition flux during the rice growing season

2.3 環境因子對O3干沉積通量的影響

由于夜間的通量數據缺失較多,為了分析環境因子對 O3干沉積通量的影響,將觀測期間白天時段的氣溫(T)、太陽輻射(SR)、O3濃度(C)與摩擦風速(u*)分成不同的區間,分析不同區間下 O3干沉積通量的變化,見圖4.

圖4 不同環境條件下O3干沉積通量的變化Fig.4 Changes of O3 dry deposition flux under different environmental conditions

一般情況下,溫度可以誘導作物葉片氣孔的開放促進氣孔對 O3的吸收,從而加快 O3向下沉積.但當溫度過高時,作物葉片氣孔就會受到抑制,導致氣孔O3吸收通量下降.從圖4可見,隨著氣溫的上升,O3沉積通量不斷增大,當水稻生長季期間的氣溫在30～35℃時,通量值達到最大,之后通量值隨著氣溫的上升而下降.研究表明,較高的相對濕度不利于作物的蒸騰,導致葉片氣孔內外氣體交換的阻力增大[28],所以 O3沉積通量隨相對濕度的增加而降低.隨著太陽輻射強度的增加,O3沉積通量總體上呈現增大的趨勢,表明較高的太陽輻射有利于 O3的干沉積.一方面,太陽輻射作為 O3生成的重要驅動因子,可以促進O3前體物的光化學反應,從而影響O3濃度的變化[33].另一方面,白天作物的光合作用強度隨光照強度的增加而增加,使得作物氣孔 O3吸收通量也隨之增加[34].由于 O3的分子量比較大,所以隨著 O3濃度的增加,O3沉積通量總體上也在逐漸增加.摩擦風速表征了大氣湍流交換的強弱,當摩擦風速較小時,大氣穩定度較高,空氣較為停滯,使得作物冠層上方的O3向下沉積受到抑制,而當摩擦風速較大時,大氣湍流運動強烈,有利于O3在作物冠層的沉積.

2.4 O3氣孔吸收與非氣孔沉積通量

從圖5可以看出,水稻O3氣孔導度在生長季前期與中期均較高,雖然生長季前期水稻的生理活動沒有中期時活躍,然而生長季前期的光照、溫度、水汽壓差等環境因子更能誘導氣孔導度的開放,所以該時期的氣孔導度也較高.至成熟期時,葉片開始老化,氣孔導度也隨之變小.

圖5 水稻生長季期間O3氣孔導度的變化Fig.5 Changes of O3 stomatal conductance during the rice growing season

從圖6可見,FO3、Fst和Fns的變化趨勢大致相同.水稻的氣孔 O3通量明顯都要低于非氣孔通量.水稻生長季期間日累積FO3、Fst和Fns分別為0.22～0.66,0.01～0.29,0.15～0.45mmol/(m2·d),平均日累積通量分別為 0.40,0.14, 0.26mmol/(m2·d).根據逐日累積 FO3、Fst和 Fns,分別計算出了 FO3、Fst和 Fns在整個觀測期間的累積情況,可見水稻生長季期間 FO3、Fst和 Fns的累積值分別為 27.8,9.8,18.0mmol/m2.

圖6 水稻生長季期間O3累積通量的變化Fig.6 Changes of O3 cumulative flux during the rice growing season

2.5 不同O3沉積通道的分配比例

由圖7可知,觀測期間2種作物氣孔O3通量所占總通量的比例明顯低于非氣孔 O3通量,表明非氣孔沉積在 O3干沉積過程中占主導作用.水稻生長季期間日氣孔O3通量和非氣孔O3通量所占比例的變化范圍分別為 3.8%～54.2%和 45.8%～96.2%,平均值分別為 34.0%和 66.0%.研究表明,O3干沉積通量的分配主要取決于作物的冠層結構[35],通常情況下,隨著作物生育進程的推移,冠層高度和葉面積指數增加,導致氣孔O3通量上升明顯,從而使得從大氣進入地表的O3傳輸等非氣孔沉積通量下降[36-39],此后隨著作物的衰老,氣孔 O3通量逐漸下降.由于氣孔 O3通量由氣孔導度與O3濃度共同決定[34],結合圖5可知,水稻氣孔導度在前期與中期較高,因此水稻生長季前期與中期氣孔 O3通量所占總通量的比例均較高,盡管生長季中期水稻的生理活動最強,然而生長季前期環境因子驅動下的水稻 O3氣孔導度較高,因此氣孔O3吸收通量也較高.

圖7 水稻生長季期間不同沉積通道分配比例的變化Fig.7 Changes in the distribution ratio of different channels during the rice growing season

由于夜間作物葉片氣孔關閉,因此氣孔 O3吸收通量為零,此階段的O3均表現為非氣孔沉積.水稻生長季白天時段 O3氣孔吸收通量與非氣孔沉積通量所占總通量比例分別為 4.8%～65.0%與 35.0%～95.2%,平均比例分別為49.0%與51.0%.盡管白天時段水稻的生理活動較為旺盛,氣孔 O3吸收通量也較高,然而非氣孔通道仍然是O3干沉積的主要方式,這與其他生態系統的研究結果一致[40-42].

3 結論

3.1 觀測期間O3干沉積速率與沉積通量均表現出明顯的日變化特征,夜間變化平緩,白天變化劇烈,峰值分別出現在09:00與12:30.水稻生長季O3沉積速率的平均值為 0.34cm/s,其中白天與夜間分別為0.42,0.24cm/s.此外,O3干沉積通量的平均值為-0.0049μmol/(m2·s),其中白天與夜間分別為-0.0073,-0.0024μmol/(m2·s).

3.2 水稻觀測期間平均日累積O3總通量、氣孔通量與非氣孔通量分別為 0.40,0.14,0.26mmol/(m2·d),其累積值分別為27.8,9.8,18.0mmol/m2.

3.3 無論是全天還是白天,觀測期間的非氣孔沉積在 O3干沉積過程中均占主導作用.水稻生長季期間平均O3氣孔通量和非氣孔通量所占總O3通量的比例分別為 34.0%和 66.0%,其中白天的比例分別為49.0%與51.0%.