張紅星, 孫 旭, 姚余輝, 萬(wàn)五星,2,3, 肖 揚(yáng),2, 孫濱峰,2,William J.Manning,韓春萌,郜世奇,高付元,徐衛(wèi)華,馮兆忠,歐陽(yáng)志云,王效科,*

(1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站, 北京 100085;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；3. 河北師范大學(xué), 石家莊 050016；4. 馬薩諸塞大學(xué)；5. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 北京 100083; 6. 北京教學(xué)植物園, 北京 100061)

北京夏季地表臭氧污染分布特征及其對(duì)植物的傷害效應(yīng)

張紅星1, 孫 旭1, 姚余輝1, 萬(wàn)五星1,2,3, 肖 揚(yáng)1,2, 孫濱峰1,2,William J.Manning4,韓春萌5,郜世奇6,高付元6,徐衛(wèi)華1,馮兆忠1,歐陽(yáng)志云1,王效科1,*

(1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站, 北京 100085;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；3. 河北師范大學(xué), 石家莊 050016；4. 馬薩諸塞大學(xué)；5. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 北京 100083; 6. 北京教學(xué)植物園, 北京 100061)

臭氧是重要的空氣氧化劑，適當(dāng)濃度的臭氧可以消菌殺毒，但過(guò)高濃度的臭氧可能對(duì)生物健康構(gòu)成威脅。隨著城市汽車(chē)保有量的迅速上升，臭氧的前體物氮氧化物和VOCs排放增多，臭氧濃度隨之不斷升高，地表臭氧污染日趨嚴(yán)重。地表臭氧的分布特征以及其對(duì)植物的脅迫傷害效應(yīng)引起了人們的重視。是通過(guò)監(jiān)測(cè)北京夏季地表臭氧污染分布規(guī)律，鑒定是否有植物受到臭氧傷害，以及受傷害植物的種類(lèi)及地理分布特征，為城市與區(qū)域臭氧風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。從2012年7月4日到8月30日，采用被動(dòng)采樣分析的方法，在北京東北、西北、西南、東南郊區(qū)以及城區(qū)設(shè)置了10個(gè)研究樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)平均臭氧濃度的變化。同時(shí)，運(yùn)用“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”鑒定植物受臭氧傷害的特征。結(jié)果表明：(1)監(jiān)測(cè)期間，北京西部和北部山區(qū)的臭氧濃度高于平原地區(qū)；在平原地區(qū)，公園中的臭氧濃度高于道旁綠化帶；山區(qū)的臭氧濃度平均為105.39 μg/m3，公園中為68.49 μg/m3, 道旁綠化帶為56.54 μg/m3；(2)在北京的公園和山區(qū)發(fā)現(xiàn)了18種植物符合“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”所述臭氧傷害特征，有五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia)、 核桃(Juglansregia)、臭椿(Ailanthusaltissima)、 喇叭花(Pharbitispurpurea)、桑樹(shù)(Morusalba)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)、國(guó)槐 (Sophorajaponica)金葉槐(Sophorajaponicaf.flavi-rameus)、木槿 (Hibiscussyriacus)、重瓣棣棠花(Kerriajaponica)、 山香(Hyptissuaveolens)、 決明 (Cassiatora)、毛白楊(Populustomentosa)、 黃花柳(Salixcaprea)、大花地榆 (Sanguisorbasitchensis)、火炬樹(shù)(Rhustyphina)、大豆(Glycinemax)、向日葵(Helianthusannuus)；沒(méi)有在道旁綠化帶的植物葉片發(fā)現(xiàn)臭氧傷害癥狀；(3)臭椿(Ailanthusaltissima)幼樹(shù)臭氧傷害癥狀明顯，易于辨認(rèn)，且臭椿出現(xiàn)頻率最高，是分布廣泛的鄉(xiāng)土樹(shù)種，適合作為臭氧污染指示植物。

北京；臭氧分布；植物傷害效應(yīng)

臭氧對(duì)人類(lèi)而言有利有弊。在海拔約15—30 km范圍的平流層中，臭氧可以吸收太陽(yáng)的高能紫外輻射，從而保護(hù)地球上的生物免遭紫外線的傷害，然而，在距離地表15 km范圍內(nèi)的對(duì)流層中，當(dāng)超過(guò)一定濃度時(shí)，臭氧卻是一種對(duì)地球上的生物有害的氣體污染物。北京夏季大氣臭氧污染十分嚴(yán)重，是光化學(xué)污染的典型季節(jié)，污染狀況可能已超過(guò)歐美特大城市[1]。到2012年，北京機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已經(jīng)超過(guò)500萬(wàn)輛，隨著汽車(chē)保有量的增加，北京臭氧濃度有繼續(xù)提升的巨大潛勢(shì)。

臭氧熏蒸實(shí)驗(yàn)表明，高濃度臭氧可以影響小麥、水稻、油菜等植物的光合速率，以及葉片生理生化特征，最終影響生物量[2- 7]。植物長(zhǎng)期暴露在高濃度臭氧環(huán)境條件下的生長(zhǎng)狀況和生理反應(yīng)能反映大氣臭氧污染的程度。因此，利用臭氧對(duì)植物的傷害脅迫效應(yīng)監(jiān)測(cè)指示城市及區(qū)域臭氧風(fēng)險(xiǎn)是可靠有效的途徑。歐洲的科學(xué)家建立了一套標(biāo)準(zhǔn)的鑒定和描述方法。這套方法把傷害癥狀及葉片面積標(biāo)準(zhǔn)化，每5%為一個(gè)等級(jí)，即0，5%，10%，15%，…，100%。科學(xué)工作者通過(guò)“林業(yè)健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”反復(fù)的訓(xùn)練能夠提高判斷臭氧傷害脅迫癥狀的能力[8]。但是，地域不同，氣候類(lèi)型各異，物種組成不一，不同地區(qū)對(duì)臭氧敏感的植物可能不盡相同，選擇本地適宜的臭氧脅迫指示生物對(duì)于評(píng)估臭氧風(fēng)險(xiǎn)意義重大。歐洲和美國(guó)的科學(xué)家運(yùn)用植物的指示作用評(píng)估了臭氧風(fēng)險(xiǎn)[9- 10]，目前我國(guó)在自然狀況下觀察臭氧對(duì)植物脅迫傷害癥狀的學(xué)術(shù)報(bào)道非常有限[11]，應(yīng)用“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”在野外鑒定植物臭氧傷害的研究未見(jiàn)報(bào)道。

北京城市及附近區(qū)域是京津冀城市群的重要組成部分，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量迅速攀升，臭氧的前體物(氮氧化物)的排放量加大，臭氧污染日益加劇。研究臭氧在北京地表的分布規(guī)律，及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響非常迫切和必要。利用大范圍被動(dòng)監(jiān)測(cè)和植物指示研究北京的臭氧污染狀況及生態(tài)響應(yīng)對(duì)保障首都及周邊區(qū)域生態(tài)安全有重要意義。

本研究擬回答如下問(wèn)題：(1)在夏季臭氧高風(fēng)險(xiǎn)期，北京城市及區(qū)域尺度上，地表臭氧濃度的空間分布規(guī)律是什么？(2)在自然條件下北京是否真正有植物受到臭氧脅迫傷害？受到脅迫傷害的植物種類(lèi)及分布特征是什么？通過(guò)綜合分析北京夏季臭氧分布規(guī)律，植物傷害物種的種類(lèi)及分布特征，評(píng)估北京地表臭氧污染的現(xiàn)狀和潛在風(fēng)險(xiǎn)，篩選北京地區(qū)臭氧傷害指示植物，為利用生物監(jiān)測(cè)北京臭氧的污染狀況提供方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

北京市中心位于北緯39°.54′，東經(jīng)116°.23′，居于華北平原北端。北京的西、北和東北，群山環(huán)抱，東南是平原，地勢(shì)西北高、東南低。西部是太行山余脈的西山，北部是燕山山脈的軍都山，兩山在昌平南口關(guān)溝相交，形成一個(gè)向東南展開(kāi)的半圓形大山彎，人們稱(chēng)之為“北京灣”，它所圍繞的平原即北京平原，北京城的核心及外延城區(qū)主要坐落于山前平原上。

北京的氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均氣溫10—12 ℃，1月-7—4 ℃，7月 25—26 ℃。極端最低-27.4 ℃，極端最高42 ℃以上。全年無(wú)霜期180—200 d，西部山區(qū)較短。年平均降雨量600 mm，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一，山前迎風(fēng)坡可達(dá)700 mm以上。降水季節(jié)分配不均勻，全年降水的75%集中在7、8、9等3個(gè)月。

北京屬于東亞季風(fēng)區(qū)，冬夏風(fēng)向相反。因地理位置關(guān)系,北京冬季是西北風(fēng)，夏季是東南風(fēng)。有的地方可能是冬季東北風(fēng)，夏季西南風(fēng)。又因北京地處西風(fēng)帶，冬季隨著氣壓中心的位移形成西北風(fēng),夏季低氣壓中心位移大陸中心,大洋暖濕氣流與之形成對(duì)流,時(shí)而東南時(shí)而偏西風(fēng)。這樣，夏季時(shí)北京的西部、北部、東北部的山區(qū)就處于下北京城的下風(fēng)向。

1.2 監(jiān)測(cè)樣地選擇

為了評(píng)估北京城市與區(qū)域尺度上地表臭氧污染的空間分布規(guī)律及其植物脅迫傷害狀況，共建立了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這10個(gè)地點(diǎn)分布于大興區(qū)、東城區(qū)、海淀區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)、順義區(qū)、昌平區(qū)、延慶縣等7個(gè)區(qū)縣(圖1)。

圖1 臭氧監(jiān)測(cè)地點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of ozone monitoring sites 1—4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于山上，周?chē)尘盀樯郑?—8號(hào)位于公園內(nèi)，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)遠(yuǎn)離交通繁忙線路；9、10號(hào)位于城市環(huán)路綠化帶，監(jiān)測(cè)點(diǎn)毗鄰北京四環(huán)路，交通繁忙

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)介紹

1—4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于北京西北方向山區(qū)，遠(yuǎn)離交通干線，周?chē)脖桓采w率在95%以上。1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于北京西北部的延慶山區(qū)大莊科鄉(xiāng)董家溝(116°11′29″， 40°25′28″)，距離北京核心城區(qū)約60—70 km，海拔約640 m；2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于北京西北部昌平和延慶交界處的山梁((116°14′29″，40°23′3″)，海拔約647 m；距離北京約60 km；3號(hào)樣地位于昌平區(qū)蟒山國(guó)家森林公園(116°16′43″，40°16′35″)，距離北京約40 km，海拔約588 m；4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于北京城的西南山區(qū)戒臺(tái)寺(116°4′53″，39°52′10″)，距離北京約30 km，海拔369 m。

5—8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都位于核心城區(qū)和郊區(qū)的公園或教學(xué)科研園區(qū)內(nèi)，離交通繁忙線路較遠(yuǎn)。5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于順義奧林匹克水上運(yùn)動(dòng)中心，鄉(xiāng)村高爾夫俱樂(lè)部(116°40′58″，40°10′7″)，距離北京核心城區(qū)約40km,周?chē)G化率90%以上；6號(hào)監(jiān)測(cè)樣地位于海淀區(qū)中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心院內(nèi)(116°20′15″，40°00′26″)，西北方向距離交通主干道雙清路約300 m，海拔約45 m，其他方向是植被和建筑物鑲嵌的格局，植被覆蓋率約50%；7號(hào)位于東城區(qū)北京教學(xué)植物園(116°25′39″，39°52′22″)，南方距離二環(huán)主干道約300 m，周?chē)脖桓采w率90%以上；8號(hào)位于大興區(qū)，北京東南五環(huán)外涼水河濱河公園，植被覆蓋率90%，代表北京城夏季上風(fēng)向的情況。

9—10號(hào)位于海淀區(qū)，都位于四環(huán)路綠化隔離帶中，距離四環(huán)主干道約30 m，交通繁忙。9號(hào)位于海淀橋北和北京大學(xué)南門(mén)之間的綠化隔離帶(116°18′1″，39°59′4″)，海拔51 m；10號(hào)位于四季青橋南綠化隔離帶(116°16′1″，39°56′39″)，海拔53 m。

1.4 氣象因子的測(cè)定

從2012年7月1日到8月30日的氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站的數(shù)據(jù)。

1.5 臭氧濃度測(cè)定

在本研究中，從2012年7月4日到8月30日采用被動(dòng)采樣的方法測(cè)定臭氧的平均濃度，臭氧濃度測(cè)定的原理、方法參見(jiàn)“用臭氧被動(dòng)采樣膜片測(cè)定臭氧濃度”的說(shuō)明書(shū)(Ogawa & Co., USA, Inc.)[12]。

1.5.1 被動(dòng)采樣器的準(zhǔn)備和野外安裝及回收

在超凈工作臺(tái)上，用鑷子打開(kāi)采樣器殼體，將樣品膜片裝入被動(dòng)采集器圓柱體兩端。操作過(guò)程中不要破損污染采樣膜片。設(shè)置空白(實(shí)驗(yàn)室空白和運(yùn)輸空白)，膜片從藥瓶中取出要迅速，并迅速安裝。裝置好樣品后，將采樣器密封，避光保存。將在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備好的采樣器在密封、避光的條件下，運(yùn)輸?shù)綔y(cè)定現(xiàn)場(chǎng)。把采樣器安放到監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的風(fēng)雨帽中的彈簧夾上。記錄好安裝采樣器的位置、安裝時(shí)間，安裝時(shí)的天氣情況。在1周后的同一個(gè)工作日，同樣的時(shí)間出發(fā)，同樣的交通線路，把被動(dòng)采樣器取下來(lái)，密封、避光運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)布置下一個(gè)測(cè)定周期的采樣器。

1.5.2 室內(nèi)分析

采樣結(jié)束后樣品運(yùn)回中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，在2 d內(nèi)進(jìn)行集中分析。運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室空白樣品盡可能在相同溫度下操作。樣品經(jīng)提取后均采用 Dionex 公司 戴安2000i型離子色譜進(jìn)行定量。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.5 mol/L的Na2CO3和NaHCO3溶液配置淋洗液，實(shí)驗(yàn)過(guò)程用水為 MilliQ純水儀 產(chǎn)生的電阻率為 18. 2 MΩ·cm 的高純水。

(1) 淋洗液配置

(2)樣品溶液的提取

用鑷子將膜片取出置于25mL的比色管中。每支比色管事先加入10mL的高純水。保證膜片完全浸入到水中。將比色管置入超聲水浴鍋中，保證水浴鍋中水面超過(guò)比色管中水面高度。超聲15 min，每5 min旋轉(zhuǎn)比色管90度。超聲完畢后，用0.45 μm濾膜過(guò)濾。將樣品溶液轉(zhuǎn)移至離子色譜瓶中準(zhǔn)備上離子色譜儀分析。按照純水空白、標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液、實(shí)驗(yàn)室空白、運(yùn)輸空白、樣品溶液的順序放置于離子色譜分析儀中。

(3)離子色譜分析

1.6 植物臭氧傷害癥狀鑒定方法

2012年8月15日到8月19日，專(zhuān)家組依據(jù)“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”，對(duì)污染監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)區(qū)域周?chē)参镞M(jìn)行考察鑒定，通過(guò)觀察葉片的表型受害特征，判斷植物葉片是否受到臭氧傷害。方法和步驟如圖2[8]。為了判定植物是否受到臭氧傷害，需要在同一個(gè)枝條上比較新老葉癥狀，有個(gè)枝條表現(xiàn)出癥狀，即視為該植物受到臭氧傷害。2013年8月對(duì)同樣區(qū)域再次考察鑒定。

1.7 數(shù)據(jù)分析處理

依據(jù)下述公式，計(jì)算得出臭氧平均濃度：

C=2.144×(n×10/T×18.09×1000)μg/m3

采用SPSS13.0的ANOVA程序分析比較10個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)之間臭氧濃度的差異；采用Sigmaplot10.0 繪制風(fēng)場(chǎng)雷達(dá)圖以及氣象因子的變化圖；采用ArcGIS9.3軟件繪制監(jiān)測(cè)地點(diǎn)分布圖，以及臭氧濃度的空間分布特征。

圖2 森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)Fig.2 Forest Health Expert Advisory System

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子變化

2.1.1 氣溫

圖3 實(shí)驗(yàn)期間氣溫變化情況Fig.3 Daily air temperature variation

氣溫是臭氧生成的重要環(huán)境條件，從7月1日到8月30日，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的平均氣溫為26.92 ℃，最高溫度為31.75 ℃，最低溫度為20.47 ℃。監(jiān)測(cè)臭氧濃度變化期間的溫度變化情況如圖3。

2.1.2 全輻射

太陽(yáng)輻射是光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧的必要條件，從7月1日到8月30日，平均輻射為185.01 W/m2，最高輻射為327.18 W/m2，最低輻射為20.26 W/m2。輻射變化情況如圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)期間輻射變化Fig.4 Daily total radiation variation

2.1.3 降雨和空氣濕度

降雨直接影響空氣濕度，而空氣濕度影響生成臭氧的光化學(xué)反應(yīng)。從7月1日到8月30日，平均濕度為61.35%，最高濕度為90.38%，最低濕度為26.55 W/m2。期間，降雨總量為416.5 mm，單日最大降雨量是169.6 mm，出現(xiàn)在7月21日。測(cè)定臭氧期間每天的降雨情況和平均空氣濕度見(jiàn)圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)期間降雨及空氣濕度 Fig.5 Rainfall and air humidity variation

2.1.4 風(fēng)向

風(fēng)向決定污染物向什么方向遷移，是臭氧污染分布規(guī)律的重要驅(qū)動(dòng)因素。在測(cè)定臭氧期間，把中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心每天的平均風(fēng)向數(shù)據(jù)做成雷達(dá)圖(圖6)，從7月1日到8月30日，在測(cè)定臭氧期間，北京的主要風(fēng)向是東南風(fēng)，這樣的結(jié)果是，北京的西部山區(qū)和北部山區(qū)都介于北京城區(qū)的下風(fēng)向。

圖6 實(shí)驗(yàn)期間北京的風(fēng)向玫瑰圖Fig.6 Wind fields rose diagram during experimental period0是正北方向，順時(shí)針?lè)较蚍殖?6個(gè)方向，分別是N(0)、NNE(22.5)、NE(45)、ENE(67.5)、E(90)、ESE(112.5)、SE(135)、SSE(157.5)、 S(180)、SSW(202.5)、SW(225)、WSW(247.5)、W(270)、WNW(292.5)、NW(315)、NNW(337.5)

2.2 地表臭氧濃度變化

圖7 北京城市與區(qū)域臭氧空間格局Fig.7 The ozone distribution pattern in urban and districts of Beijing

從北京的西北遠(yuǎn)郊山區(qū)到核心城區(qū)，再到東南郊區(qū)，1—10號(hào)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)測(cè)到的平均臭氧濃度依次為：118.79、113.87、102.14、86.72、74.60、73.21、64.06、62.07、56.07、57.02 μg/m3。從區(qū)域尺度看，根據(jù)臭氧濃度相對(duì)高低，通過(guò)多重比較，把北京的臭氧濃度分為紅黃藍(lán)三級(jí)，繪制臭氧濃度分布格局圖(圖7)。北京西北部山區(qū)的臭氧濃度最高，為第Ⅰ級(jí)(圖7中紅點(diǎn))；其次是中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))、城里的園區(qū)北京教學(xué)植物園(7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))、東南五環(huán)外大興亦莊涼水河(8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))等遠(yuǎn)離交通干線的區(qū)域，為第Ⅱ級(jí)(圖7中黃點(diǎn))；交通干線附近區(qū)域的北四環(huán)(9、10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))最低，為第Ⅲ級(jí)(圖7中藍(lán)點(diǎn))。整體而言，監(jiān)測(cè)期間，北京西部和北部山區(qū)的臭氧濃度高于平原地區(qū)；在平原地區(qū)，公園中的臭氧濃度高于道旁綠化帶；山區(qū)的臭氧濃度平均為105.39 μg/m3，公園中為68.49 μg/m3, 道旁綠化帶為56.54 μg/m3。

2.3 植物傷害效應(yīng)

2.3.1 受到臭氧傷害的植物的種類(lèi)

2012年8月份，分別在10個(gè)臭氧監(jiān)測(cè)地點(diǎn)方圓3km范圍內(nèi)沿道路進(jìn)行了線性踏勘，隨機(jī)調(diào)查是否有植物受到臭氧傷害，鑒定植物傷害特征，對(duì)確認(rèn)是臭氧傷害的植物葉片進(jìn)行拍照。依據(jù)野外臭氧傷害鑒定手冊(cè)中記錄的“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)” 以及手冊(cè)中刊錄的圖片，判斷植物是否受到傷害[8]。在10個(gè)地點(diǎn)共發(fā)現(xiàn)受到傷害的植物18種，其中臭椿、桑樹(shù)、五葉地錦、榆樹(shù)、金葉槐傷害特征最為明顯，臭椿、桑樹(shù)出現(xiàn)頻率最大。在9號(hào)和10號(hào)地點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有發(fā)現(xiàn)明顯受到臭氧傷害的植物。

2.3.2 受傷害植物的癥狀

調(diào)查發(fā)現(xiàn)有18種植物的臭氧傷害癥狀和“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”的判斷標(biāo)準(zhǔn)基本一致，其傷害特征首先表現(xiàn)為葉片出現(xiàn)均勻細(xì)密斑點(diǎn),多為黃色至褐色，特別是，傷害發(fā)生在葉脈之間，老葉比新葉傷害癥狀嚴(yán)重，沒(méi)有明顯蟲(chóng)子和霉斑。臭椿、桑樹(shù)、五葉地錦和鑒定手冊(cè)上的癥狀基本一致。各個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)周?chē)l(fā)現(xiàn)的臭氧傷害植物狀況見(jiàn)表1和圖8。

3 討論與結(jié)論

3.1 北京城市與區(qū)域地表臭氧濃度特征

盡管被動(dòng)采樣方法因?yàn)橄到y(tǒng)誤差的原因造成整體上低估臭氧濃度[13]，但不影響不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位相對(duì)高低的比較。研究表明，整體上北京平原區(qū)域的臭氧濃度低于西部、北部山區(qū)的臭氧濃度。劉希文在北京東北方向密云上甸子測(cè)到的臭氧濃度比海淀區(qū)高[14]，徐敬也發(fā)現(xiàn)密云上甸子臭氧濃度顯著高于平原區(qū)域(順義、海淀、豐臺(tái))[15]。不同之處是，徐敬等的研究認(rèn)為，在區(qū)域尺度上，從西南到東北方向臭氧濃度有隨輸送方向升高的趨勢(shì)，而本文的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明戒臺(tái)寺(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位4)的臭氧濃度比位于其東北方向的順義奧林匹克水上運(yùn)動(dòng)中心(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位5)高。原因可能是景觀及地形特征影響臭氧的傳輸和富集。戒臺(tái)寺周?chē)坝^為森林，其因?yàn)榈匦魏惋L(fēng)向的原因成為臭氧富集區(qū)域，順義奧林匹克水上運(yùn)動(dòng)中心可能是臭氧及其前體物遠(yuǎn)程輸送的路徑，而非富集場(chǎng)所。北京屬于東亞季風(fēng)區(qū)，因?yàn)榈乩砦恢藐P(guān)系，北京夏季是東南風(fēng)。有的地方可能是西南風(fēng)。又因?yàn)楸本┑靥幬黠L(fēng)帶，冬季隨著氣壓中心的位移形成西北風(fēng),夏季低氣壓中心位移大陸中心,大洋暖濕氣流與之形成對(duì)流,時(shí)而東南時(shí)而偏西風(fēng)。這樣，夏季時(shí)北京的西部、北部的山區(qū)就處于下北京城的下風(fēng)向(圖6)，臭氧前體物向西部、北部遠(yuǎn)程輸送，邊輸送邊反應(yīng)，因?yàn)榈匦卧?，最終在山地富集，形成西部、北部山區(qū)臭氧濃度高的格局。

表1 北京受到臭氧傷害的植物的種類(lèi)

“ —”表示在此地點(diǎn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)臭氧傷害的植物

山區(qū)臭氧濃度高的另外一個(gè)可能原因是平流層臭氧向下輸送。相對(duì)于平原地區(qū)，山區(qū)海拔較高，還原性氣體較少，平流層向下輸送的臭氧容易到達(dá)且不容易被還原。遠(yuǎn)郊山區(qū)臭氧來(lái)源如何辨析，需要深入研究。9、10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位離交通繁忙的道路距離較近，容易受到道路“滴定作用”作用的影響，可能是這兩個(gè)地方臭氧濃度相對(duì)最低的原因。

3.2 植物傷害效應(yīng)

不同植物對(duì)臭氧的敏感性不同，敏感性大小受植物自身特性及環(huán)境因素的影響[16]。在北京山區(qū)和平原都發(fā)現(xiàn)了有典型臭氧脅迫傷害特征的植物。值得注意的是，無(wú)論在平原還是山區(qū)，發(fā)現(xiàn)的受到臭氧傷害的植物有如下特征：(1)分布在硬化道路旁邊，或向陽(yáng)干旱山坡；(2)傷害多發(fā)生在孤立幼樹(shù)、低矮植物、片林邊緣；(3)在林下、陰坡沒(méi)有發(fā)現(xiàn)臭氧傷害脅迫的植物。高濃度臭氧和地表反射輻射特征可能共同作用，造成植物傷害。氣孔是臭氧進(jìn)入植物葉片的途徑，孤立幼樹(shù)、低矮植物、片林邊緣所處硬化地表的反射輻射可能增加植物的蒸騰作用，葉片為了維持正常的溫度被迫通過(guò)蒸騰作用降溫，氣孔處于被迫開(kāi)放狀態(tài)，臭氧能夠更多的進(jìn)入葉片，引起傷害。不同硬化地表的反射輻射特征及其對(duì)植物氣孔的影響機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

圖8 臭氧傷害植物的照片F(xiàn)ig.8 Pictures of ozone injured plants leaves1- 1: 大豆Glycine max; 2- 1: 五葉地錦Parthenocissus quinquefolia; 2- 2: 核桃Juglans regia; 2- 3: 臭椿Ailanthus altissima; 3- 1: 喇叭花Pharbitis purpurea ; 3- 2: 桑樹(shù)Morus alba; 3- 3: 臭椿Ailanthus altissima; 3- 4: 榆樹(shù)Ulmus pumila; 4- 1: 臭椿Ailanthus altissima; 5- 1: 國(guó)槐Sophora japonica ; 6- 1: 金葉槐Sophora japonica f. flavi-rameus; 6- 2: 木槿Hibiscus syriacus ; 6- 3: 重瓣棣棠花Kerria japonica; 6- 4: 山香Hyptis suaveolens; 6- 5: 決明Cassia tora; 6- 6: 毛白楊Populus tomentosa; 6- 7: 黃花柳Salix caprea; 7- 1: 大花地榆Sanguisorba sitchensis; 8- 1: 桑樹(shù)Morus alba; 8- 2: 火炬樹(shù)Rhus typhina

北京大概有437種植物，經(jīng)過(guò)初步的抽樣調(diào)查，發(fā)現(xiàn)18種植物有臭氧傷害特征，達(dá)物種總數(shù)的3.9%，是否有更多其他植物受到脅迫傷害，需要進(jìn)一步研究。此外，在平原地區(qū)發(fā)現(xiàn)的植物種類(lèi)多于山區(qū)。原因可能是平原地區(qū)公園中植物種類(lèi)相對(duì)較為集中，容易發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，山區(qū)溫度相對(duì)較低，濕度較高，可能能夠減緩臭氧對(duì)植物葉片的傷害。

臭椿受到臭氧傷害的癥狀在4個(gè)山區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中出現(xiàn)了4次，在北部和西部山區(qū)都有發(fā)現(xiàn)；五葉地錦出現(xiàn)了2次；桑樹(shù)在山區(qū)和平原10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了2次，且在平原(8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))和山區(qū)(3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))都有發(fā)現(xiàn)。其他植物都出現(xiàn)了1次。比較而言，臭椿分布較廣，傷害特征明顯且易于識(shí)別，是北京的鄉(xiāng)土樹(shù)種，可初步選為臭氧傷害的指示植物。更多指示植物篩選需要擴(kuò)大調(diào)查范圍，并通過(guò)熏蒸控制實(shí)驗(yàn)確定。

此前，萬(wàn)五星等對(duì)北京遠(yuǎn)郊植物的臭氧傷害進(jìn)行了初步調(diào)查[11]，與萬(wàn)五星的研究不同，本研究將臭氧監(jiān)測(cè)和植物傷害特征鑒定結(jié)合起來(lái)，闡釋臭氧在北京城市和區(qū)域的分布特征和生態(tài)毒理效應(yīng)。本研究臭氧植物傷害特征鑒定依據(jù)“森林健康專(zhuān)家咨詢(xún)系統(tǒng)”，由專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)聯(lián)合做出鑒定結(jié)論，結(jié)果比較真實(shí)。

3.3 結(jié)論

3.3.1 臭氧濃度分布規(guī)律

從7月4日到8月30日，從西北前山區(qū)向城區(qū)東南方向的10個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的平均臭氧濃度分別是：118.79、113.87、102.14、86.72、74.60、73.21、64.06、62.07、56.07、57.02 μg/m3。北京城市與區(qū)域臭氧污染的基本格局是，北京北部、西部山區(qū)的臭氧濃度高于平原地區(qū)，公園臭氧濃度高于道旁綠化帶。

3.3.2 北京臭氧傷害植物的種類(lèi)及分布

北京目前受到臭氧傷害的植物分布廣泛，在平原地區(qū)(北京東南郊區(qū)、核心城區(qū)、東北郊區(qū))和西部、北部遠(yuǎn)郊山區(qū)都有發(fā)現(xiàn)，共發(fā)現(xiàn)受到傷害脅迫的植物18種。交通繁忙的交通干道綠化帶沒(méi)有發(fā)現(xiàn)臭氧傷害植物。

3.3.3 北京臭氧傷害指示植物的篩選

臭椿幼樹(shù)對(duì)臭氧敏感，傷害特征明顯，同時(shí)又是北京鄉(xiāng)土樹(shù)種，平原與山區(qū)均有分布，比較適合作為北京地區(qū)臭氧風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的生物指示植物。

致謝: 感謝城市與區(qū)域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持，感謝王巧環(huán)老師、付慧敏老師、李虹老師對(duì)實(shí)驗(yàn)分析的幫助；感謝北京教學(xué)植物園關(guān)云飛主任，北京市第五中學(xué)的陳梓睿同學(xué)工作的幫助。

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Ground-level ozone distribution pattern in summer of Beijing and its foliar injury effect upon plants

ZHANG Hongxing1,SUN Xu1, YAO Yuhui1,WAN Wuxing1,2,3, XIAO Yang1,2,SUN Binfeng1,2, William J.MANNING4, HAN Chunmeng5, GAO Shiqi6, GAO Fuyuan6, XU Weihua1, FENG Zhaozhong1, OUYANG Zhiyun1, WANG Xiaoke1,*

1BeijingUrbanEcosystemResearchStation,ResearchCenterforEco-environmentalSciences,ChineseAcademyofSciences;StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049,China3CollegeofLifeSciences,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050016,China4UniversityofMassachusettsAmherst,AmherstCenter,MA,USA,01003 5ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China6BeijingTeachingBotanicalGarden,Beijing100061,China

The ozone in the stratosphere protects the earth from harm due to ultraviolet radiation, while the ozone in the troposphere might do harm to human beings. Ozone below certain concentration can sterilize the air and do good to organisms, but high ozone concentration does harm to terrestrial ecosystems. Very high ozone concentrations were firstly found as pollutant in the smog of Los Angeles and its toxic effect upon plants

more attention. The rapid urbanization in China has caused the emission of large amounts of NOxand VOCs (the main precursors to O3formation). Ambient ozone concentration has been the most serious air pollution among many cities in China. In this study, our objectives are: to discern the distribution pattern of ground-level ozone in Beijing; to find whether plants were injured by ambient ozone in Beijing; and to detect the distribution pattern of the damaged plants in this region. We used passive sampler to monitor ozone concentrations at 10 sites in the city and suburb of Beijing from July 1st to August 30 in 2012 and surveyed the foliar ozone symptoms on the basis of the Forest Health Expert Advisory System from August 15 to 19. The results indicated that the ozone concentrations in mountain regions were significantly higher than those in plain regions around Beijing. In the plain region, the ozone concentration in the green belt adjacent to main motorways was lower than that in parks. The mean ozone concentrations in the mountain, the park and the green belt near to main motorway were: 105.39 μg/m3，68.49 μg/m3and 56.54 μg/m3. Except for the green belt of motorway, 18 species showed typical ozone symptoms both in mountain and in plain regions. These plants are:Parthenocissusquinquefolia,Juglansregia,Ailanthusaltissima,Pharbitispurpurea,Morusalba,Ulmuspumila,Sophorajaponica,Sophorajaponicaf.flavi-rameus，Hibiscussyriacus,Kerriajaponica,Hyptissuaveolens,Cassiatora,Populustomentosa,Salixcaprea,Sanguisorbasitchensis,Rhustyphina,Glycinemax,Helianthusannuus.Ailanthusaltissimawas native and popular in mountain and plain around Beijing and its ozone symptoms was easy to diagnose. Therefore,Ailanthusaltissimamight work as bio-indicator of ozone in Beijing.

Beijing; ozone distribution pattern; foliar injury effect

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31170424);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41030744);林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(210304301)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41201049)

2013- 06- 26;

2014- 06- 25

10.5846/stxb201306261781

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

張紅星, 孫旭, 姚余輝, 萬(wàn)五星, 肖揚(yáng), 孫濱峰, William J.Manning,韓春萌,郜世奇,高付元,徐衛(wèi)華,馮兆忠,歐陽(yáng)志云,王效科.北京夏季地表臭氧污染分布特征及其對(duì)植物的傷害效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(16):4756- 4765.

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