葉聽聽, 江 飛*, 易福金, 李 杉, 蔡 哲

1.南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 江蘇省地理信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210046 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國糧食安全研究中心, 江蘇 南京 210095 3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210000

長三角地區(qū)春季臭氧污染特征及其對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

葉聽聽1, 江 飛1*, 易福金2, 李 杉3, 蔡 哲1

1.南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 江蘇省地理信息科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210046 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國糧食安全研究中心, 江蘇 南京 210095 3.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210000

春季是長三角地區(qū)對(duì)流層O3污染的高峰期之一，高濃度的O3暴露會(huì)影響冬小麥生長導(dǎo)致減產(chǎn). 利用長三角地區(qū)各城市2014年春季逐時(shí)ρ(O3)觀測數(shù)據(jù)，研究了長三角地區(qū)春季O3污染特征，并結(jié)合O3暴露指數(shù)(M7指數(shù)和AOT40指數(shù))和劑量-響應(yīng)關(guān)系模型，詳細(xì)評(píng)估了長三角地區(qū)O3污染對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響. 結(jié)果表明：長三角地區(qū)春季ρ(O3)空間上總體呈南低北高的分布，長三角地區(qū)北部江蘇和上海的ρ(O3)明顯高于南部的浙江地區(qū)，在浙江北部、江蘇和上海等地區(qū)，整個(gè)春季日最大8 hρ(O3) 平均值超過107 μg/m3，最高值出現(xiàn)在5月，超過128 μg/m3；一半以上的城市ρ(O3)超標(biāo)〔超過GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中8 h滑動(dòng)平均ρ(O3)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(160 μg/m3)〕日數(shù)在10 d以上，其中南京和揚(yáng)州超標(biāo)日數(shù)最多，分別為27和20 d；相應(yīng)地，O3暴露指數(shù)也呈南低北高的分布，其中蘇北地區(qū)O3暴露指數(shù)最高，導(dǎo)致長三角地區(qū)平均冬小麥相對(duì)損失達(dá)5.7%(M7)～25.5%(AOT40)，造成的產(chǎn)量損失為7.85×105t(M7)～4.49×106t(AOT40)，其中，蘇北地區(qū)為5.8%(M7)～25.9%(AOT40)，造成的產(chǎn)量損失為6.77×105t(M7)～3.86×106t(AOT40)，占長三角地區(qū)冬小麥產(chǎn)量損失的86%以上. 研究顯示，當(dāng)前長三角地區(qū)O3污染及其對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響已相當(dāng)嚴(yán)重，特別是對(duì)蘇北地區(qū)，而蘇北地區(qū)是我國重要的冬小麥產(chǎn)地之一，因此，應(yīng)當(dāng)科學(xué)有效地治理O3污染以緩解糧食安全問題.

長三角地區(qū); 臭氧; 冬小麥; 暴露指數(shù)

Abstract： Spring is one of the peak periods for surface ozone (O3) pollution in the Yangtze River Delta (YRD). High O3exposure could bring great harm to winter wheat growth so as to reduce its yield. Based on hourly O3measurements in each city over the YRD and O3exposure indexes (M7 and AOT40) as well as a dose-response model, we studied the characteristics of ozone pollution and evaluated the O3impact on the yield of winter wheat in the spring of 2014. There was a decreasing trend from the north to the south for the spatial distributions of O3concentrations in the YRD, i.e., the O3concentrations over the north YRD including Jiangsu Province and Shanghai were significantly higher than those over Zhejiang Province. In Jiangsu Province, Shanghai and northern Zhejiang Province, the highest seasonal mean daily maximum 8-hour O3concentrations exceeded 107 μg/m3. There were highest concentrations in May, with mean value exceeding 128 μg/m3. In half of the YRD cites, there were more than 10 days with the O3concentrations exceeding the China national standard (160 μg/m3), in which Nanjing and Yangzhou cities had the maximum number of days exceeding the standard, with values of 27 and 20 days, respectively. Accordingly, the O3exposure indexes in the northern YRD were also higher than those in the southern area. The highest indexes were located in northern Jiangsu Province. The O3exposure caused an average relative yield loss of winter wheat of about 5.7% (based on M7) to 25.5% (based on AOT40), and a mean yield loss of 7.85×105t (M7) to 4.49×106t (AOT40) in the YRD region. In particular, in northern Jiangsu Province, the mean relative yield loss rate reached 5.8% (M7) to 25.9% (AOT40), and the corresponding yield loss was 6.77×105t to 3.86×106t, which accounted for more than 86% of the whole yield loss in the YRD. This indicated that the current O3pollution and its impacts on winter wheat in the YRD region was quite serious, especially in northern Jiangsu Province-one of the most important winter wheat producing area in China. Therefore, it is time to control the O3pollution to alleviate the pressure on food security.

Keywords： Yangtze River Delta; ozone; winter wheat; exposure index

O3是天然大氣的重要微量組分，可分為平流層O3和對(duì)流層O3. 平流層O3分布在10～30 km的高空，它吸收紫外輻射，起到保護(hù)人類與環(huán)境的作用；而對(duì)流層O3位于近地面，盡管它只占大氣總O3量的10%左右[1]，但由于O3是一種強(qiáng)氧化劑，會(huì)危害人類的健康和影響植被生長. 流行病研究表明，當(dāng)8 h滑動(dòng)平均ρ(O3)超過75 μg/m3時(shí)，每增加21.4 μg/m3就會(huì)導(dǎo)致人類死亡率增加0.67%[2]. O3可通過葉片表面的氣孔進(jìn)入葉片組織，從而對(duì)植被的生長產(chǎn)生影響. 一般情況下，隨著光照和溫度的升高葉片表面氣孔會(huì)張開，而水分脅迫和過高的CO2或污染物(如O3)濃度會(huì)導(dǎo)致氣孔關(guān)閉[3-4]. 眾多研究表明，O3會(huì)降低植物的光合作用、加快葉片的衰老和脫落以及損傷繁殖過程等[5-7]. 因而，自20世紀(jì)80年代起，O3脅迫對(duì)農(nóng)作物的影響成為熱點(diǎn)研究內(nèi)容之一.

近地面O3主要是在光照條件下由氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)氣體(VOCs)在大氣中經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的. NOx和VOCs主要來自于人類活動(dòng)排放，包括交通運(yùn)輸、石油化工、燃煤以及生物質(zhì)的燃燒排放等. 隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類活動(dòng)排放的O3前體物(NOx和VOCs)大量增加，導(dǎo)致O3污染日趨嚴(yán)重. 研究表明，1995—2005年北京地區(qū)邊界層內(nèi)夏季ρ(O3)以每年約2%的趨勢增加[8]；1994—2007年華南地區(qū)年均背景ρ(O3)以每年1.86 μg/m3的速度增加[9]. 長三角地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)勁的地區(qū)之一，其物產(chǎn)豐富、農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá). 近幾十年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和能源的巨大消耗，長三角地區(qū)的地面O3自20世紀(jì)90年代后開始也具有明顯的上升趨勢[10]. 近年來，長三角地區(qū)春夏季高濃度O3污染頻頻發(fā)生. 易睿等[11]根據(jù)國家環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了2013年長三角地區(qū)25個(gè)城市O3污染特征，結(jié)果表明，除淮安外，其余24個(gè)城市均存在不同程度的O3日超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)率在1.6%～15.1%之間，平均值為5.8%. 春末夏初是長三角地區(qū)O3污染最嚴(yán)重的時(shí)期[12-14]， 2000年前后[13]，5月白天的平均ρ(O3)已經(jīng)達(dá)到128～169 μg/m3，42%～74%的小時(shí)ρ(O3)超過183 μg/m3.

高濃度的O3會(huì)造成農(nóng)作物產(chǎn)量的巨大損失，尤其是像冬小麥這種對(duì)O3較敏感的作物[15-16]. 在過去的幾十年中，利用實(shí)驗(yàn)室(可控溫室或生長箱)和外場試驗(yàn)觀測(開頂氣室OTC或自由大氣濃度富集FACE)手段，研究人員開展了大量的O3對(duì)植被影響的研究工作，包括對(duì)植被生理[17]、生長[18-19]、產(chǎn)量[20-21]和植被內(nèi)部碳分配[22-23]等影響的研究. Reich等[24]通過觀測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，環(huán)境ρ(O3)能使農(nóng)作物(如小麥)光合作用降低50%. WANG等[25-26]分別在長三角地區(qū)開展了多年的O3對(duì)冬小麥影響的OTC和FACE試驗(yàn)，結(jié)果均表明，O3使得冬小麥顯著減產(chǎn). 自20世紀(jì)80年代開始，基于外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員先后建立了濃度響應(yīng)關(guān)系模型(如暴露指數(shù)M7[27]和M12[28])、劑量響應(yīng)關(guān)系模型(如累積脅迫指數(shù)SUM06[29]和AOT40[30])和通量響應(yīng)關(guān)系模型(如通量指數(shù)CUO[31]和AFst1.6[32])，用于定量評(píng)估區(qū)域范圍內(nèi)O3對(duì)農(nóng)作物等植被的影響. Chameides等[33]根據(jù)有限的O3觀測資料和區(qū)域大氣化學(xué)模式模擬結(jié)果計(jì)算了中國地區(qū)SUM06，指出中國地區(qū)的O3污染將可能顯著降低冬小麥的產(chǎn)量. 在長三角地區(qū)，國內(nèi)也有很多學(xué)者開展了O3對(duì)農(nóng)作物影響的定量評(píng)估[34-36]. 但是，由于缺乏足夠的O3觀測數(shù)據(jù)，以往的研究通常僅利用有限的幾個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的O3觀測數(shù)據(jù)或者利用未經(jīng)O3觀測數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證的O3模擬結(jié)果進(jìn)行影響評(píng)估，這大大降低了評(píng)估結(jié)果的可靠性. 利用大量的能夠覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的O3觀測數(shù)據(jù)，通過空間插值得到網(wǎng)格化的O3數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行影響評(píng)估是一種相對(duì)較為準(zhǔn)確的方法，國外已經(jīng)有很多學(xué)者利用這種方法進(jìn)行了O3的影響評(píng)估工作[37-39]. 自2013年開始，中國環(huán)境監(jiān)測總站開始發(fā)布全國城市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，這使得利用O3觀測數(shù)據(jù)空間插值方法進(jìn)行O3影響評(píng)估成為可能. 該研究選擇中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的2014年春季長三角地區(qū)的O3觀測數(shù)據(jù)，對(duì)2014年長三角地區(qū)春季的O3污染狀況及其對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，以期促進(jìn)對(duì)于O3污染導(dǎo)致的糧食安全問題的重視.

1 研究方法

1.1 O3觀測數(shù)據(jù)及處理

該研究使用2014年春季(3—5月)長三角地區(qū)空氣質(zhì)量國控監(jiān)測站點(diǎn)的逐時(shí)ρ(O3)觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載自中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國大氣污染物監(jiān)測平臺(tái)(http://106.37.208.233∶20035). 長三角地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)密集，共有131個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，其中江蘇、上海和浙江分別有74、10和47個(gè). 在使用數(shù)據(jù)之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了細(xì)致的篩選和質(zhì)控：①將缺測時(shí)數(shù)比例大于20%的站點(diǎn)剔除，因?yàn)槿睖y時(shí)數(shù)過多會(huì)影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量；②將每個(gè)站點(diǎn)的ρ(O3)數(shù)據(jù)畫成曲線圖，剔除其中的異常值，并且發(fā)現(xiàn)有5個(gè)站點(diǎn)(徐州農(nóng)科院站、揚(yáng)州第四醫(yī)院站、泰州公園路和留學(xué)生創(chuàng)業(yè)園站、杭州朝暉五區(qū)站)的觀測數(shù)據(jù)明顯異常，觀測值顯著低于或高于周圍站點(diǎn)，并且變化異常，因此將其剔除. 經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)控以后，最終剩下99個(gè)站點(diǎn)〔見圖1(a)〕. 為了更好地了解長三角地區(qū)春季O3的時(shí)空分布特征，并獲得長三角地區(qū)每個(gè)縣的ρ(O3)，先將站點(diǎn)尺度的O3觀測數(shù)據(jù)平均到城市尺度，然后利用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金法(EBK)進(jìn)行空間插值. EBK是ArcGIS軟件地統(tǒng)計(jì)分析擴(kuò)展模塊中提供的一個(gè)簡單而可靠的空間數(shù)據(jù)插值方法，它通過估計(jì)基礎(chǔ)半變異函數(shù)來說明所引入的誤差，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差比其他克里金方法更準(zhǔn)確；此外，它需要極少的交互式建模，可自動(dòng)執(zhí)行構(gòu)建有效克里金模型過程中的那些最困難的步驟[40].

1.2 長三角地區(qū)冬小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)

2014年長三角區(qū)共152個(gè)縣、市、區(qū)冬小麥的產(chǎn)量及種植面積來源于國家統(tǒng)計(jì)局. 從2014年長三角地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的分布〔見圖1(b)〕可以看出，蘇北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量最高，最高可達(dá)5.0×105t；江蘇南部(下稱蘇南，類同)地區(qū)產(chǎn)量則相對(duì)較少；浙南地區(qū)多為丘陵和山地，產(chǎn)量大多低于1.0×103t；浙北地區(qū)相對(duì)較多，但是少于蘇南，總體呈由南向北遞增分布.

圖1 2014年長三角地區(qū)O3監(jiān)測站點(diǎn)和冬小麥產(chǎn)量分布Fig.1 The distribution of ozone observation stations and production of winter wheat in the YRD in 2014

1.3 O3對(duì)冬小麥影響評(píng)估的方法

1.3.1 O3引起的農(nóng)作物產(chǎn)量損失評(píng)估模型

該研究使用M7和AOT40這2個(gè)指數(shù)來評(píng)估O3對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響. M7指數(shù)是美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)建立的主要農(nóng)作物產(chǎn)量與ρ(O3)之間的劑量-響應(yīng)關(guān)系[41]. M7指數(shù)定義及其濃度響應(yīng)方程[42]：

(1)

(2)

式中：i為時(shí)數(shù)序列；n為冬小麥生長季中有O3觀測值的總時(shí)數(shù)；CO3為日間09∶00—16∶00(當(dāng)?shù)貢r(shí)間)小時(shí)ρ(O3)，μg/m3；RY(Relative Yield Loss)為相對(duì)產(chǎn)量，%.

AOT40指數(shù)是歐洲環(huán)境保護(hù)署(EEA)建立的一種評(píng)估模型，它不僅考慮到ρ(O3)，還考慮了累積暴露時(shí)間[30]. AOT40指數(shù)定義及其濃度響應(yīng)方程[43]：

(3)

RY=1-0.022 8×AOT40

(4)

式中：COzone為小時(shí)ρ(O3)≥85.7 μg/m3的值〔式(3)中40 nmol/mol表示體積濃度，轉(zhuǎn)換成質(zhì)量濃度即為85.7 μg/m3〕. 這里的劑量-響應(yīng)關(guān)系參考WANG等[25]于2004—2008年在長三角地區(qū)的嘉興和江都進(jìn)行的冬小麥OTC試驗(yàn)的研究結(jié)果.

1.3.2 長三角地區(qū)冬小麥產(chǎn)量損失綜合評(píng)估

根據(jù)上述模型中的O3暴露指標(biāo)以及濃度響應(yīng)方程可以得到相對(duì)產(chǎn)量RY，進(jìn)而計(jì)算相對(duì)產(chǎn)量損失RYL(Relative Yield Loss). 以縣為分界計(jì)算每個(gè)縣的相對(duì)產(chǎn)量損失RYLj，再結(jié)合每個(gè)縣的冬小麥實(shí)際產(chǎn)量CPj(Crop Production)，計(jì)算每個(gè)縣的產(chǎn)量損失CPLi(Crop Production Loss)，計(jì)算公式：

(5)

將每一地級(jí)市中所有縣的產(chǎn)量損失累加，得到每個(gè)地級(jí)市的產(chǎn)量損失情況；進(jìn)一步將所有城市的產(chǎn)量損失累加得到長三角地區(qū)的產(chǎn)量損失，將其除以理論總產(chǎn)量(損失總產(chǎn)量+實(shí)際總產(chǎn)量)得到長三角地區(qū)的相對(duì)產(chǎn)量損失，即

(6)

該方法與WANG等[44]計(jì)算中韓日國家的平均相對(duì)產(chǎn)量損失時(shí)所采用的方法類似.

2 結(jié)果與討論

2.1 長三角地區(qū)春季O3的時(shí)空分布特征

長三角地區(qū)春季平均ρ(O3)以及3—5月月均ρ(O3) 分布如圖2所示. 由圖2可見，3月整個(gè)長三角地區(qū)ρ(O3)平均值在47～82 μg/m3之間，4月ρ(O3)增至47～90 μg/m3，5月ρ(O3)進(jìn)一步增加，浙北地區(qū)月均ρ(O3)都達(dá)到85 μg/m3以上，增加最為顯著的是蘇南和浙北等經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，可能的原因是溫度升高和輻射增強(qiáng)使得光化學(xué)反應(yīng)速率加快，對(duì)O3的生成創(chuàng)造了有利的氣象條件. 空間上，長三角地區(qū)O3呈南低北高的分布特征，江蘇北部的連云港等地ρ(O3)最高，浙江南部及西部山區(qū)ρ(O3)最低，上海、蘇南和浙北等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)ρ(O3)鑒于二者之間. 造成這種分布特征的主要原因可能是浙江西南部山區(qū)O3前體物排放較低，O3的光化學(xué)生成很少，導(dǎo)致ρ(O3)很低；在上海和蘇南等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，雖然大量的O3前體物排放有利于O3的光化學(xué)生成，然而該地區(qū)過量的NOx排放消耗了光化學(xué)生成的O3；而在蘇北地區(qū)，O3前體物排放適中，導(dǎo)致該地區(qū)的ρ(O3)最高. 圖3進(jìn)一步顯示了2014年長三角地區(qū)春季日最大8 h滑動(dòng)平均ρ(O3)分布情況，浙北、江蘇和上海的月均日最大8 hρ(O3)都達(dá)到了107 μg/m3以上，5月ρ(O3)較其他月份顯著上升，在浙北、江蘇和上海等地都超過了128 μg/m3，最高ρ(O3)出現(xiàn)在長三角地區(qū)中部的南京、揚(yáng)州、淮安等地區(qū). 統(tǒng)計(jì)顯示，南京地區(qū)O3超標(biāo)達(dá)27 d，約占整個(gè)春季的1/3；其次為揚(yáng)州，超標(biāo)日數(shù)為20 d；約一半以上的城市ρ(O3)超標(biāo)在10 d以上(見表1).

圖2 2014年長三角地區(qū)春季和各月平均ρ(O3)分布Fig.2 Average ozone concentrations of springtime and each month in the YRD in 2014

圖3 2014年長三角地區(qū)春季及各月平均日最大8 h滑動(dòng) ρ(O3)分布Fig.3 Average of daily maximum 8-hour O3 concentrations of springtime and each month in the YRD in 2014

注：1) 為平均ρ(O3)±95%置信度.

圖4 2014年長三角地區(qū)冬小麥O3暴露指數(shù)M7和AOT40和各縣產(chǎn)量損失分布Fig.4 The winter wheat exposure indexes of M7 and AOT40 and crop production losses of each county in the YRD in 2014

2.2 長三角地區(qū)O3污染對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

長三角地區(qū)的M7指數(shù)和AOT40指數(shù)分布如圖4(a)(b)所示. 由圖4(a)(b)可以看出，M7指數(shù)和AOT40指數(shù)的分布總體上基本一致，都呈南低北高分布，江蘇和上海O3暴露指數(shù)較高，而浙江較低，其中連云港的M7指數(shù)和AOT40指數(shù)最大，溫州最小. M7指數(shù)在77～103 μg/m3之間，蘇北以及南京北部和上海等地較高，在96 μg/m3以上；而浙江除嘉興和寧波外，其他城市基本都在90 μg/m3以下. AOT40指數(shù)為12～30 mg/m3之間，江蘇和上?；驹?1.4 mg/m3以上，其中連云港、淮安和南京等地最高，達(dá)25.7～30 mg/m3；浙江除湖州、嘉興和寧波外，其他城市基本在17.1 mg/m3以下.

結(jié)合濃度響應(yīng)方程，進(jìn)一步計(jì)算了長三角地區(qū)各縣的相對(duì)產(chǎn)量損失，結(jié)果如圖4(c)(d)所示. 由圖4(c)(d)可以看出，各相對(duì)產(chǎn)量損失的分布總體上與O3暴露指數(shù)M7和AOT40的分布基本一致，但是根據(jù)不同指數(shù)計(jì)算得到的相對(duì)產(chǎn)量損失具有明顯差異：根據(jù)M7指數(shù)計(jì)算得到的相對(duì)產(chǎn)量損失明顯小于根據(jù)AOT40指數(shù)計(jì)算得到的相對(duì)產(chǎn)量損失，這種相對(duì)差異與已有研究結(jié)果[35,44]一致. 造成這種較大差異的原因是這兩個(gè)指數(shù)本身的性質(zhì)：M7指數(shù)代表冬小麥生長季白天的平均值濃度，而AOT40指數(shù)則累積了生長季內(nèi)較高濃度的O3暴露，在評(píng)估農(nóng)作物損傷時(shí)賦予高值ρ(O3)更大的權(quán)重，因此AOT40指數(shù)被認(rèn)為能更準(zhǔn)確地預(yù)測農(nóng)作物損失. 基于M7指數(shù)，上海及江蘇大部分地區(qū)的相對(duì)產(chǎn)量損失都在5%以上；浙江除了寧波、嘉興、湖州和臺(tái)州外，大部分地區(qū)的相對(duì)產(chǎn)量損失都在4%以下. 基于AOT40指數(shù)，江蘇和上海的相對(duì)產(chǎn)量損失為22.8%～30.9%，而浙江為14.0%～24.2%.

2014年長三角地區(qū)各城市的相對(duì)產(chǎn)量損失與產(chǎn)量損失如表2所示. 由表2可見，基于M7指數(shù)和AOT40指數(shù)計(jì)算的相對(duì)產(chǎn)量損失的最大值均出現(xiàn)在連云港，分別為6.2%和28.7%；而溫州基于AOT40指數(shù)和衢州基于M7指數(shù)的相對(duì)產(chǎn)量損失最小，分別為14.9%和3.0%. 就M7指數(shù)而言，江蘇平均相對(duì)產(chǎn)量損失為5.7%，浙江平均相對(duì)產(chǎn)量損失為4.4%，上海相對(duì)產(chǎn)量損失為5.8%，造成的產(chǎn)量損失分別為7.5×105、2.09×105和1.43×105t. 就AOT40指數(shù)而言，江蘇平均相對(duì)產(chǎn)量損失為25.7%，浙江平均相對(duì)產(chǎn)量損失為20.0%，上海相對(duì)產(chǎn)量損失為25.3%，造成的產(chǎn)量損失分別為4.3×106、1.13×106和7.8×105t. 就長三角地區(qū)平均值而言，O3對(duì)冬小麥產(chǎn)量的相對(duì)損失在5.7%(M7)～25.5%(AOT40)，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量損失達(dá)7.85×105t(M7)～4.49×106t(AOT40).

表2 2014年長三角地區(qū)各城市的O3暴露指數(shù)M7和AOT40、冬小麥產(chǎn)量及相對(duì)產(chǎn)量損失

2.3 討論

長三角地區(qū)O3對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響評(píng)估結(jié)果與已有相關(guān)研究結(jié)果的對(duì)比如表3所示. 由于長三角地區(qū)的ρ(O3)逐年升高，該研究評(píng)估的2014年長三角地區(qū)的O3對(duì)冬小麥的產(chǎn)量損失應(yīng)該較2000年左右的結(jié)果要高. 但是，從表3可以看出，該研究的評(píng)估結(jié)果明顯低于WANG等[35]評(píng)估的1999—2000年的結(jié)果(20%～30%)，略高于Avnery等[45]的評(píng)估結(jié)果(基于M7指數(shù)和AOT40指數(shù)的相對(duì)產(chǎn)量損失分別為2%～4%和15%～20%). WANG等[35]僅使用了長三角地區(qū)6個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)(即常熟、句容、佘山、臨安、嘉興和建湖)的ρ(O3)觀測數(shù)據(jù)，然后使用這6個(gè)站點(diǎn)的平均ρ(O3)對(duì)長三角地區(qū)的平均冬小麥產(chǎn)量損失進(jìn)行估算，并未分別對(duì)各城市的情況進(jìn)行計(jì)算，所采用的劑量-響應(yīng)關(guān)系也直接采用的是歐美的試驗(yàn)結(jié)果，因此，可能存在高估的情況. Avnery等[45]利用全球大氣輸送模式MOZART-2模擬2000年全球ρ(O3)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行影響評(píng)估，其中包括中國的評(píng)估結(jié)果，通常全球模式模擬的ρ(O3)往往會(huì)較實(shí)際值高估很多. Avnery等[45]研究顯示，其模擬的月均ρ(O3)比觀測值高約20 μg/m3，但由于2000年我國長三角地區(qū)ρ(O3)遠(yuǎn)低于2014年，因此其評(píng)估結(jié)果仍小于該研究結(jié)果. WANG等[44]采用MOZART-2模擬了1999年8月—2000年7月臨安站的ρ(O3)，結(jié)果表明，1 a中有11個(gè)月模擬的月尺度的12 h日均值(08∶00—20∶00)比觀測值高，最多高出43 μg/m3. 通常，與空氣質(zhì)量模型模擬的ρ(O3)相比，該研究通過站點(diǎn)插值得到的ρ(O3)分布比僅用空氣質(zhì)量模型(CTM，MOZART-2等)模擬的ρ(O3)要精確，因此結(jié)果也更為可靠. 與野外試驗(yàn)結(jié)果相比，該研究評(píng)估結(jié)果在野外實(shí)際觀測試驗(yàn)結(jié)果的范圍內(nèi)：WANG等[25-26]分別在嘉興和江都開展了多年的O3對(duì)冬小麥影響的觀測試驗(yàn)，結(jié)果表明，在處理組目標(biāo)ρ(O3)為160～214 μg/m3情景下會(huì)導(dǎo)致實(shí)際減產(chǎn)8.5%～58%(OTC)和10%～35%(FACE). 與已有研究預(yù)測的2020年以及2030年的結(jié)果相比，該研究的M7指數(shù)評(píng)估結(jié)果略小于WANG等[44]同樣基于M7指數(shù)預(yù)測的我國2020年O3對(duì)冬小麥的相對(duì)產(chǎn)量損失(2%～16%)，但已與Avnery等[46]的結(jié)論接近. Avnery等[46]預(yù)測顯示，2030年在IPCC SRES B1排放情景下我國冬小麥相對(duì)產(chǎn)量損失為3.8%(基于M7指數(shù))和25.7%(基于AOT40指數(shù)).

表3 近年來近地面O3對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的研究比較

注：1) SUM06是一種暴露指數(shù)，指大于128 μgm3的觀測ρ(O3)值之和.

盡管使用了覆蓋長三角地區(qū)的近100個(gè)國控監(jiān)測站點(diǎn)的O3觀測數(shù)據(jù)，以及在長三角地區(qū)試驗(yàn)的劑量影響關(guān)系進(jìn)行了評(píng)估，但該研究結(jié)果仍然具有一定的不確定性：①O3監(jiān)測站點(diǎn)多分布在城區(qū)，而城區(qū)和郊區(qū)由于O3前體物以及排放量不同等原因?qū)е娄?O3) 有差別. 有研究[47]表明，郊區(qū)ρ(O3)(冬小麥種植區(qū))可能低于城區(qū)，這是因?yàn)槌菂^(qū)排放較多的NOx會(huì)消耗O3. 因此該研究中通過插值方法得到的長三角地區(qū)ρ(O3)分布可能會(huì)低于真實(shí)平均ρ(O3)，相應(yīng)地M7指數(shù)和AOT40指數(shù)可能會(huì)偏低，得到的相對(duì)產(chǎn)量損失與產(chǎn)量損失也會(huì)相應(yīng)地偏低. 另外，由于部分小時(shí)ρ(O3)數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致AOT40指數(shù)會(huì)減少，但對(duì)M7指數(shù)的影響可能不大. ②由于M7指數(shù)和AOT40指數(shù)均沒有考慮到環(huán)境因素(如土壤濕度、水汽壓差、溫度等)的影響，用其評(píng)估的農(nóng)作物產(chǎn)量損失也具有較大的不確定性. 研究表明，當(dāng)農(nóng)作物處于干旱條件下時(shí)，因水分脅迫導(dǎo)致的氣孔關(guān)閉會(huì)在一定程度上保護(hù)農(nóng)作物不受損傷，因此會(huì)造成相對(duì)較小的損失[48]. 此外，研究表明在長三角地區(qū)沒有水分和營養(yǎng)脅迫的地方，冬小麥會(huì)表現(xiàn)出更差的耐O3性[49]. 相同農(nóng)作物不同品種之間的敏感性差異也會(huì)增加結(jié)果的不確定性. 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，中國的小麥品種對(duì)O3的敏感性比歐洲小麥品種大，該研究雖然使用了長三角地區(qū)觀測的AOT40指數(shù)與產(chǎn)量損失之間的劑量-響應(yīng)關(guān)系[25]，但是M7指數(shù)仍然使用的是歐洲的濃度響應(yīng)方程，這可能會(huì)低估O3對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響.

由于各暴露指數(shù)(AOT40指數(shù)等)本身存在通用性較差、不能考慮植物本身抵抗O3能力等缺陷性，近年來葉片氣孔通量法越來越多地用于評(píng)估區(qū)域性O(shè)3對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響研究，即通過合理設(shè)置一個(gè)通量閾值來界定植被是否受到O3的損傷[50-52]. 這種方法需要大量的觀測數(shù)據(jù)〔ρ(O3)、溫度和濕度等氣象要素〕，通過計(jì)算葉片的氣孔導(dǎo)度，從而得到實(shí)際進(jìn)入葉片內(nèi)部的O3通量，這種方法盡管比較復(fù)雜，但理論上利用這種方法評(píng)估的O3對(duì)農(nóng)作物損失將更為可靠[50-51]. 在未來的工作中將進(jìn)一步結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)模型計(jì)算氣孔導(dǎo)度及進(jìn)入葉片的O3通量，進(jìn)行O3對(duì)農(nóng)作物影響的評(píng)估.

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來ρ(O3)仍可能進(jìn)一步升高，O3造成的農(nóng)作物減產(chǎn)對(duì)糧食安全的威脅將可能進(jìn)一步加重，因此需要制訂一套科學(xué)合理的前體物排放標(biāo)準(zhǔn)來控制O3前體物(NOx、VOCs)的排放，從源頭降低近地面ρ(O3). 另外，目前全國監(jiān)測站點(diǎn)雖然很多，但分布不均，多集中在較發(fā)達(dá)地區(qū)，這在一定程度上增加了研究結(jié)果的不確定性，為了更好地研究和評(píng)估O3對(duì)農(nóng)作物的影響，未來應(yīng)該在郊區(qū)建立一些區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn).

3 結(jié)論

a) 長三角地區(qū)春季特別是5月的ρ(O3)以及O3超標(biāo)情況均已較為嚴(yán)重；長三角北部地區(qū)整個(gè)春季平均日最大8 hρ(O3)超過了107 μg/m3，5月ρ(O3)最高，超過128 μg/m3，一半以上的城市O3超標(biāo)在10 d以上.

b) 當(dāng)前長三角地區(qū)的O3污染可導(dǎo)致該地區(qū)平均冬小麥產(chǎn)量損失達(dá)5.7%～25.5%，其中蘇北地區(qū)最為嚴(yán)重，達(dá)5.8%～25.9%. 蘇北地區(qū)是我國重要的冬小麥種植區(qū)之一，O3污染引起該地區(qū)的冬小麥減產(chǎn)達(dá)6.77×105t(M7)～3.86×106t(AOT40)，這已經(jīng)關(guān)乎糧食安全的問題，需要引起公眾和管理者的重視.

c) 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，ρ(O3)仍可能進(jìn)一步升高，O3造成的農(nóng)作物減產(chǎn)對(duì)糧食安全的威脅將可能進(jìn)一步加重，因此需要制訂一套科學(xué)合理的前體物排放標(biāo)準(zhǔn)來控制O3前體物(NOx、VOCs)的排放，從源頭降低近地面ρ(O3).

d) 目前全國監(jiān)測站點(diǎn)雖然很多，但分布不均，多集中在較發(fā)達(dá)地區(qū)，這在一定程度上增加了研究結(jié)果的不確定性，為了更好地研究和評(píng)估O3對(duì)農(nóng)作物的影響，未來應(yīng)該在郊區(qū)建立一些區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn).

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Characteristics of Ozone Pollution and Its Impact on Winter Wheat Yield in the Yangtze River Delta in Spring

YE Tingting1, JIANG Fei1*, YI Fujin2, LI Shan3, CAI Zhe1

1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Geographic Information Science and Technology, International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210046, China 2.College of Economics and Management, Research Center for Food Security, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China 3.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210000, China

2016-11-01

2017-04-01

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAC22B05)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571452)

葉聽聽(1991-)，女，江蘇泰興人，yett@smail.nju.edu.cn.

*責(zé)任作者，江飛(1983-)，男，浙江金華人，副教授，博士，主要從事空氣質(zhì)量模擬與預(yù)報(bào)、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究，jiangf@nju.edu.cn

X826

1001- 6929(2017)07- 0991- 10

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.38

葉聽聽,江飛,易福金,等.長三角地區(qū)春季臭氧污染特征及其對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(7):991- 1000.

YE Tingting,JIANG Fei,YI Fujin,etal.Characteristics of ozone pollution and its impact on winter wheat yield in the Yangtze River Delta in spring[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(7):991- 1000.