全 文 ：植物生态学报 2012, 36 (4): 313–323 doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.00313
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2011-10-21 接受日期Accepted: 2012-01-04
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: sunxm@igsnrr.ac.cn)
鲁西北平原冬小麦田臭氧浓度变化特征及对产量
的潜在影响和机理分析
朱治林 孙晓敏* 赵风华 温学发 唐新斋 袁国富
中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101
摘 要 近地层高浓度臭氧(O3)对农作物生长和产量形成有明显的影响。利用在中国科学院禹城综合试验站(山东省)冬小麦
(Triticum aestivum)农田生态系统上观测的O3浓度及微气象资料, 分析了鲁西北平原冬小麦农田生态系统O3浓度的日变化和
季节变化规律, 在此基础上初步分析了O3浓度与CO2通量(Fc)的关系, 并用欧洲和美国科学家在实验室得到的O3浓度-冬小麦
产量关系模型估算了O3对冬小麦产量的潜在影响。结果表明: O3浓度存在明显的日变化规律, 日最小值和最大值分别出现在
7:00和16:00左右。整个观测期间(2011年3–5月)平均O3浓度为(30.4 ± 20.1) nL·L–1 (平均值±标准误差); 30 min平均浓度的最大
值为93.1 nL·L–1。在冬小麦春季生长季节, O3浓度日平均值呈现逐步增加的趋势, O3浓度日均增加约为0.17 nL·L–1·d–1; 白天7 h
和12 h平均浓度(M7和M12)分别为45.7和43.1 nL·L–1; O3浓度超过40 nL·L–1的3个月累积值(AOT40)为9.8 μL·L–1·h; 超过60
nL·L–1的O3浓度累积值(SUM06)为12.6 μL·L–1·h; 经过权重修正的O3污染指标W126为10.1 μL·L–1·h。在高浓度O3 (>60 nL·L–1)
情况下, CO2通量与O3浓度呈现负相关关系, 鲁西北平原O3对冬小麦光合作用影响的阈值取60 nL·L–1比较合适, 该值高于欧
洲国家普遍采用的40 nL·L–1。基于以上结果, 初步估算得出: 在目前的O3浓度水平下, 鲁西北平原近地层O3可能会使冬小麦
产量减少5.2%–8.8%。
关键词 农田生态系统, 鲁西北平原, 臭氧浓度, 臭氧污染指标, 冬小麦产量
Variation of ozone concentration of winter wheat field and mechanistic analysis of its possible
effect on wheat yield in Northwest-Shandong Plain of China
ZHU Zhi-Lin, SUN Xiao-Min*, ZHAO Feng-Hua, WEN Xue-Fa, TANG Xin-Zhai, and YUAN Guo-Fu
Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100101, China
Abstract
Aims High near-surface ozone (O3) has adverse effects on crop growth and yield. Our objective was to analyze
the potential impact of O3 concentration on winter wheat yield, the magnitude and change characteristic of O3
concentration over a winter wheat field and the relationship between CO2 flux and O3 concentration.
Methods The research site was a winter wheat field at the Yucheng Experimental Station (Shandong Province)
of the Chinese Academy of Sciences. We observed O3 concentration with a portable ozone analyzer. We simulta-
neously measured micrometeorological and radiation factors such as air temperature, humidity, wind speed and
global and net radiation. All data were recorded with a high frequency data-logger and averaged every 30 min.
Important findings There was a diurnal change pattern in O3 concentration, with low and high mean O3 concen-
trations at about 7:00 and 16:00, respectively. Mean O3 concentration was (30.4 ± 20.1) nL·L–1 (mean ± SE), and
the maximum of the 30 min-averaged O3 concentration was 93.1 nL·L–1. During wheat spring growing season (1
March to 31 May, 2011), mean O3 concentration increased 0.17 nL·L–1·d–1. Daytime 7-hour and 12-hour mean O3
concentration (M7 and M12) were 45.7 and 43.1 nL·L–1, respectively. Accumulated O3 concentration above the
threshold of 40 nL·L–1 (AOT40) was 9.8 μL·L–1·h. Accumulated O3 concentration above 60 nL·L–1 (SUM06) was
12.6 μL·L–1·h. Weight-corrected O3 concentration accumulation (W126) was 10.1 μL·L–1·h. When O3 concentra-
tion is high (i.e., >60 nL·L–1), there is an inverse relationship between CO2 flux and O3 concentration. It implied
that the threshold of O3 concentration should be about 60 nL·L–1, which is higher than the 40 nL·L–1 threshold
widely applied by European scientists. By using yield-response models to O3 concentration obtained in open-top
chambers (OTC) by European and USA scientists, winter wheat yield is potentially decreased about 5.2%–8.8% at
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the current O3 level in Northwest-Shandong Plain.
Key words cropland ecosystem, Northwest-Shandong Plain, ozone concentration, ozone pollution indexes,
winter wheat yield

近地层臭氧(O3)既是一种温室气体, 也是一种
重要的污染气体。高浓度的O3对生态系统和人类健
康都有重要的影响(Musselman et al., 2006; 任巍和
田汉勤, 2007)。长期观测研究表明, 全球地面O3浓
度每年以0.5%–2%的速度增加, 这已经成为一个影
响可持续发展的重要环境限制因子 (Vingarzan,
2004; Jaffe & Ray, 2007; Rummel et al., 2007)。国际
上对近地层O3的观测研究主要集中在以下几个方
面: 第一是建立了以环境监测为主要目的的O3浓度
长期定位观测网络(Krzyscina et al., 2007; Gardiner
et al., 2008; Vigouroux et al., 2008); 第二是以开顶
式气室为主要研究手段, 通过人为控制O3浓度来研
究O3对植物的影响(Pleijel et al., 1991; Rai et al.,
2007; Gerosa et al., 2008); 第三就是研究O3对陆地
生态系统的影响, 包括进行生态系统的O3浓度、沉
积速度和O3通量的观测研究, 并提出了一系列的评
价O3对生态系统影响的污染指标(Musselman et al.,
1988, 2006; Panek et al., 2002; Pleijel et al., 2004;
Uddling et al., 2004; Rummel et al., 2007)。
从20世纪80年代开始, 我国气象系统陆续在北
京、浙江、黑龙江和青海等地建立了我国大气O3浓
度基准观测站, 在O3浓度观测研究方面取得一些进
展(丁国安等, 2001; Ma et al., 2002; 刘洁等, 2006;
Xu et al., 2008)。同时, 在利用开顶式气室法研究O3
浓度对植物的影响方面也做了许多研究工作, 研究
重点包括O3对植物细胞和组织的伤害, 对光合作用
和产量形成的影响等(王春乙, 1995; 金明红和冯宗
炜, 2000; Jin et al., 2001; Feng et al., 2003; 金明红
和黄益宗, 2003; 王春乙和白月明, 2007; 姚芳芳等,
2008; 郑有飞等, 2010a, 2010b, 2011)。但是, 我国在
研究和评价O3对生态系统的影响方面相对薄弱(王
春乙和白月明 , 2007; 许宏等 , 2007; 寇太记等 ,
2009; 梁晶等, 2010)。
随着我国工业化和城市化的迅速发展, 各种交
通工具(如车辆等)排放的气体NOx、CO以及植物排
放的挥发性有机物等在紫外线照射下, 伴之以适宜
的气象条件, 均可能造成局地高浓度O3光化学烟雾
的产生(Crutzen et al., 1999; 白建辉, 2006)。华北平
原是我国的重要粮食生产基地, 为了实现农业的可
持续发展, 保证该地区的粮食生产安全, 监测和研
究O3等污染物对该地区农田生态系统的影响(特别
是对粮食生产的影响)有十分重要的意义。本文将根
据在鲁西北平原冬小麦(Triticum aestivum)田上方连
续观测的O3浓度数据, 初步分析该地区O3浓度的一
般状况、变化特征和主要影响因子, 计算和分析了
几种评价O3对生态系统影响的污染指标及其与碳
通量之间的关系, 并利用相关模型初步评价了O3对
冬小麦产量的潜在影响。
1 观测和研究方法
1.1 实验场地
O3浓度的观测在中国科学院禹城综合试验站
(116°34′ E, 36°50′ N, 海拔28 m)冬小麦农田进行。
该站位于华北平原的黄河冲积平原, 土壤母质为黄
河冲积物, 表土质地为轻、中壤土。观测地周围开
阔。冬小麦是该地区春季的主要粮食作物。冬小麦
春季主要生育期为3–5月份(平均返青时间在2月26
日, 蜡熟时间为5月30日)。
1.2 仪器、观测和数据校正
O3浓度观测所采用的仪器为便携式臭氧分析
仪(Model 205, 2B Technologies, Inc., Boulder, USA),
仪器的精度为1 nL·L–1, 每2 s测量一次, 输出一组
结果。仪器进气口高度为2 m, 输气用的管子是用惰
性材料特氟龙(Teflon)制造的, 长度为3 m。该仪器
经过严格标定, 满足技术要求。为了研究O3和其他
环境要素的关系, 在观测O3浓度的同时, 我们还进
行了其他辅助观测(利用中国通量网的长期观测数
据), 包括: 由三维超声风速(CSAT3, Campbell Sci.
Co., Logan, USA)和H2O/CO2浓度(LI-7500, LI-COR,
Lincoln, USA)组成的涡度相关系统, 空气温湿度
(HMP45C, Vaisala Co., Helsinki, Finland)和风速
(A100R, Vector Ins., Rhyl, UK), 地表温度(TCAV,
CS 107, Campbell Sci. Co., Logan, USA)和土壤湿度
(TDR, CS615L, Campbell Sci. Co., Logan, USA), 净
辐射(CNR1, Kipp & Zonen, Delft, the Netherlands)以
及光合有效辐射(LI-190SB, LI-COR, Lincoln, USA)
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等。
O3浓度观测是从2011年2月26日开始一直连续
自动观测, O3浓度和上述其他的微气象数据分别采
用CR5000和CR23XTD数据采集器(Campbell Sci.
Co., Logan, USA)进行连续采集, 每30 min输出一组
上述观测项目的平均结果(包括微气象、辐射、通量、
O3浓度等)。其中, 对用涡度相关方法得到的通量进
行了一系列的校正(Massman & Lee, 2002)。需要特
别说明的是, 由于仪器和外界条件(如停电等)等原
因导致的缺失数据, 我们主要采用两种方法对O3浓
度进行插补。对于数据连续缺失少于2 h的, 采用线
性内差方法进行插补 ; 否则 , 采用平均日变化
(MDV)法对缺失数据进行插补(Falge et al., 2001)。
通过统计实际数据, 本研究涉及时段(2011年3月1
日到5月31日)的数据缺失率为7.1%。
1.3 O3污染指标计算方法
用于定量分析研究O3对生态系统和环境影响
的指标有很多, 可大致分为两类: 一类是基于O3浓
度观测数据的指标, 另一类是基于O3通量观测数据
的指标(Musselmana et al., 2006; 梁晶等, 2010)。本
研究涉及的基于O3浓度的污染指标有平均浓度和
暴露指数。
1.3.1 平均浓度
一般情况下, O3只是在白天对植物有影响, 所
以通常只考虑白天的O3浓度。常用的O3浓度平均值
的主要指标有:

其中 , CO3是每小时O3的平均相对浓度 (nL·L–1或
nmol·mol–1)。M7是白天7 h (9:00–16:00)的O3浓度平
均值, M12是白天12 h (8:00–20:00)的O3浓度平均值,
M24是全天所有数据的平均值。
1.3.2 O3暴露指数
研究表明, O3对植物的影响主要由O3的长期累
积效应引起(Fuhrer et al., 1997; Mills et al., 2007)。
O3暴露指数就是浓度O3在作物生长期内的积分。考
虑到只有高浓度O3才会影响作物的生长发育和产
量, 所以在计算暴露指数时还考虑到O3浓度的临界
值。不同国家和地区的科学家采用不同的指标指示
O3剂量对植物的伤害程度。例如美国环境保护局采
用累计暴露指标SUM06 (臭氧浓度超过60 nL·L–1的
累积)和W126 (加权的臭氧浓度累积)作为植物保护
标准。而欧洲普遍采用AOT40 (O3浓度超过40 nL·L–1
的累积)来评价O3对植物的伤害程度。几种常用的暴
露指数计算方法(Musselmana et al., 2006; 梁晶等,
2010)如下:

这里, CO3的物理意义同上。在计算上述指标时, 首
先计算每天的累积值, 然后再根据作物生长期, 分
别计算不同作物生长期的总累积值。在计算W126
时, 取8:00–20:00的数据。O3平均浓度和暴露指数将
用于定量分析O3对作物产量的影响。
2 结果和分析
2.1 O3浓度的变化特征
2.1.1 30 min平均O3浓度的时间序列变化
图1给出了冬小麦春季主要生长期间(3月1日–5
月31日) O3浓度30 min平均值的时间序列变化情
况。从图1我们可以大致看出O3在一天内的变化幅
度, 也可以看出整个冬小麦春季生长期间O3浓度的
总体变化趋势。整个观测期间, 30 min浓度的平均值
为(30.3 ± 20.1) nL·L–1 (平均值±标准误差); 最大值
为93.1 nL·L–1 (5月25日17:30)。为了更好地分析研究
O3浓度变化的一般特征, 现利用统计方法分别计算
和分析O3浓度的日变化和季节变化规律。
2.1.2 O3浓度的平均日变化特征
图2是2011年3–5月O3浓度的日变化情况, 图2
的每个点是整个生长期内所有O3浓度在该时间点
的平均值(30 min时间间隔), 其垂直线的上下端分
别是平均值±标准误差。从图2可以看出, O3的平均
日变化过程有明显的规律。在夜间由于没有太阳辐
射, O3浓度都是处于下降的趋势, 并在7:00达到一
天的最低值(11.9 nL·L–1)。在太阳光的照射下, 白天
O3在局地产生的速度很快, 并在16:00左右达到一
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图1 冬小麦春季生长期间30 min臭氧浓度的时间序列变化(2011年3月1日–5月31日)。
Fig. 1 Time series change of 30 min-averaged O3 concentration during spring growing season of winter wheat (1 March–31 May,
2011).




图2 平均O3浓度的日变化(2011年3月1日–5月31日) (平均
值±标准误差)。
Fig. 2 Diurnal course of mean ozone concentration (1 March–
31 May, 2011) (mean ± SE).


天的最高值(55.1 nL·L–1)。从白天和夜间O3浓度的变
化看, 两者的差别比较大, 说明该地区的O3浓度主
要来自局地的光化学反应(Crutzen et al., 1999)。
2.1.3 O3日平均浓度的季节变化
图3是3月1日到5月31日间白天O3平均浓度
(M12)和日平均浓度(M24)的变化情况, 同时显示了
日平均浓度M24的线性变化趋势。在整个冬小麦生
长期间, 白天7 h和12 h平均浓度(M7和M12)分别为
(45.7 ± 12.5) nL·L–1和(43.1 ± 11.5) nL·L–1 (平均值±


图3 白天O3浓度(M12)和日平均O3浓度(M24)的季节变化
(2011年3月1日–5月31日)。
Fig. 3 Seasonal changes of daytime- and daily- averaged O3
concentration (M12 and M24) (1 March to 31 May, 2011).


标准误差)。从图3可以看出, 虽然O3日平均浓度和
白天O3浓度均有较大的波动, 但O3浓度的增加趋势
表现得非常明显。O3浓度在冬小麦生长期间逐渐增
加主要是由于辐射增强和温度升高。通过计算日平
均浓度和日序(DOY)的线性回归方程可知, 日平均
O3浓度平均每天增加0.17 nL·L–1·d–1, 白天12 h O3浓
度(M12)平均每天增加0.21 nL·L–1·d–1。
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2.2 O3污染指标及其相互关系
在计算O3暴露指数时, 首先要计算每日的O3浓
度和时间的累积值, 然后再计算整个生长季的总
和。图4显示了O3浓度污染指标AOT40的逐日累积
值和在冬小麦生长期间连续累计值的变化情况。由
于考虑了O3浓度的临界值, 所以, O3浓度超过40
nL·L–1的日累积(AOT40day)的波动是比较大的, 冬小
麦生长前期, O3浓度低, AOT40day对AOT40的贡献很
小, 甚至为零。而后期AOT40day对AOT40的贡献可
以达到300 nL·L–1·h以上。利用观测的O3浓度数据,
按照公式(4)–(6)的方法, 统计得到3个月(3月1日–5
月31日)累计的AOT40、SUM06和W126的数值分别
为9.8、12.6和10.1 μL·L–1·h。
在定量研究O3对作物产量的影响模型时, 不同
的研究者采用不同的指标 (Pleijel et al., 2004;
Musselmana et al., 2006; Mills et al., 2007)。虽然3个
暴露指数的绝对值不同, 但它们有近似的物理意
义, 同时, 这些指标之间都存在一定的相关关系。
图5给出了日AOT40day和SUM06day之间的变化关系,
同时计算了两者之间的4阶多项式回归关系, 其决
定系数(R2)达到0.96以上。从图中看出, 由于两种指
标采用的阈值不同 , 所以当AOT40day小于50–100
nL·L–1·h时, SUM06的数值都接近或等于0。通过分
析, 其他指标之间也存在很好的相关性。



图4 冬小麦生长期间O3浓度超过40 nL·L–1的逐日累积值
(AOT40day)和连续累积值(AOT40)的变化。
Fig. 4 Changes of daily and continuously accumulated ozone
concentration above 40 nL·L–1 (AOT40day and AOT40) during
winter wheat growing season.


图5 臭氧浓度超过60 nL·L–1的日累积(SUM06day)和臭氧浓
度超过阈值40 nL·L–1的日累积(AOT40day)之间的关系。
Fig. 5 Relationship between daily accumulated ozone con-
centration above 60 nL·L–1 (SUM06day) and daily accumulated
ozone concentration above the threshold of 40 nL·L–1
(AOT40day).


3 讨论和结论
本研究的主要目的是阐明O3浓度与农田生态
系统之间的关系。现从影响O3浓度变化的主要环境
因子、O3浓度与冬小麦光合作用(CO2通量)的关系,
以及O3对冬小麦产量的潜在影响等几方面讨论两
者之间的关系及其不确定性。
3.1 O3的源汇及其主要的环境影响因素
近地面O3的产生和消解主要包括光化学反应
过程和物理输送过程。近地面的氮氧化物NOx、CO
和挥发性有机物(VOC)等, 在紫外线照射下形成局
地O3, 同时这些气体也可以分解大气中的O3。而输
送过程既包括大气平流层的O3通过湍流交换的方
式输送到近地面, 也包括通过大气环流方式的远距
离输送(Crutzen et al., 1999; Dueñas et al., 2002)。O3
的产生/消亡除了需要各种痕量气体外, 太阳辐射
是影响O3浓度变化的一个重要驱动条件。通过研究
该地区O3与环境条件的关系, 发现该地区O3浓度的
30 min平均值的日变化与太阳辐射的关系明显(图
6)。需要说明的是, O3浓度和白天太阳辐射的变化规
律上存在一个明显的时间滞后。通过分析, 我们发
现O3浓度与3 h前的太阳总辐射之间相关最为明显,
而与同时段的太阳辐射关系的相关性下降。
O3浓度的背景值和当地的环境条件(如污染排
放、海拔高度等)有关, 而O3浓度的变化主要受太阳
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图6 白天臭氧浓度(30 min平均值)与3 h前太阳总辐射(Q)
之间的关系。
Fig. 6 Relationship between 30 min-mean of ozone concen-
tration and 3-hour ahead global radiation (Q) in daytime.



图7 白天O3平均浓度(M12)和白天平均气温的相关关系。
Fig. 7 Relationship between daytime mean O3 concentration
(M12) and corresponding mean air temperature.


辐射和气象要素(如温度、湿度和风速等)的影响
(Dueñas et al., 2002; 刘洁等, 2006; 宗雪梅等, 2007;
安俊琳等, 2010)。我们研究发现, 在日尺度上, 白天
O3平均浓度与白天平均气温关系明显。图7给出了
本研究观测期间平均O3浓度和同时期平均气温的
关系, 从图7可以看出, O3浓度与空气温度有较强的
相关性, R2可达到0.55。同时, 两者之间存在较大的
离散, 说明O3浓度还受其他要素的影响。
O3峰值和谷值的出现时间就是O3的消解速度
和产生速度相等的时间。不同地方O3浓度的日变化
特征(如峰值和谷值出现的时间)不完全相同, 其日
变化过程还与当地的特定条件有关。我们在禹城冬
小麦农田上的观测结果与在南京北郊和北京上甸
子的观测结果比较一致(刘洁等, 2006; 安俊琳等,
2010); 但和白建辉(2006)在漠河地区观测的O3浓度
结果差异较大(漠河地区O3峰值出现在每日10: 00左
右); 和金赛花等(2008)在青海瓦里观测的地面O3日
变化特征也不同(该地区O3浓度低值出现在中午左
右, 而高值出现在夜晚和凌晨)。以上研究结果表明,
该地区O3浓度的变化主要是受局地太阳辐射和气
象条件(如温度)的影响, 鉴于O3浓度与这些要素的
相关关系存在一定的离散性, 说明O3浓度还受到其
他环境条件的影响。
3.2 O3浓度与作物光合作用的关系
一般情况下, 在研究影响光合作用的环境条件
时, 通常只考虑温度、光合有效辐射、土壤水分、
CO2浓度等, 而忽略了O3或其他污染物对作物的影
响。在某种程度上, 这种影响是不能忽略的。王春乙
和白月明(2007)及姚芳芳等(2008)分别利用开顶式气
室法研究了O3对冬小麦各种生理生态指标(如生育
期、株高、叶面积、生物量等)和产量的影响。结果
表明, O3浓度增加可以引起表观光量子产量、光饱和
点和光补偿点等光响应参数的显著降低。同时, O3
暴露可以改变冬小麦形态特征, 如植株变矮、叶片衰
老加速、叶面积变小, 并最终导致产量大幅下降。陈
娟等(2011)利用开放式空气O3浓度升高平台研究发
现, O3胁迫下灌浆期冬小麦的净光合速率、气孔导
度、蒸腾速率、叶绿素、类胡萝卜素、总叶绿素含
量和可溶性蛋白含量的显著降低, 成熟期生物量和
收获时产量也明显下降, 但增施氮肥可以缓解O3对
冬小麦光合作用和产量的影响。李彩虹等(2010)通过
实验发现, 高浓度O3可导致大豆(Glycine max)的单
株干物质量、有效结荚数、籽粒数、百粒重和产量
都有所降低, 其中产量降低可高达47%。许宏等
(2007)综述了国内外关于O3对植物影响的研究工作,
包括O3对光合作用的影响, 表明高浓度O3能直接或
间接地影响植物的生长发育、光合作用和产量形成。
但O3浓度变化对光合作用的影响是否可以反
映在生态系统的日变化尺度上呢？现以一个典型
晴天(2011年4月19日)为例, 分析太阳总辐射(Q)、
CO2通量(Fc)、O3浓度和CO2浓度日变化特征(特别是
变化趋势和极值出现的时间)及其相互关系(图8)。
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图8 典型天气条件下太阳总辐射(Q)、CO2通量(Fc)、O3浓度(CO3)和CO2浓度(CCO2)的日变化(2011年4月19日)。
Fig. 8 Diurnal changes of global radiation (Q), CO2 flux (Fc) ,O3 concentration (CO3) and CO2 concentration (CCO2) in a typical
weather condition (19 Apr. 2011).


从图8看出, 总辐射最大值出现在正午, 且上下午
基本对称。其中, 光合作用(以Fc代表)的日变化规律
和太阳辐射变化规律最接近, 并且Fc的最大值比太
阳辐射还略微提前。这说明Fc受太阳辐射的影响最
直接, Fc的最大值比Q最大值提前的原因可能是由
于作物的光饱和现象。但分析CO2浓度和O3浓度的
日变化情况时, 发现两个浓度变化出现拐点的时间
均明显比太阳辐射的拐点(12:00)延迟3–4 h, 且呈现
明显的负相关关系。即: CO2浓度的最大值和最小值
出现时间几乎和O3的最小值和最大值出现的时间
相同。CO2浓度的最小值出现在下午原因是: 虽然
下午的Fc呈现下降趋势, 但此时的光合作用仍然大
于呼吸作用, 观测高度的CO2浓度仍然被不断降低
(虽然降低的速度明显下降), 直到植物的光合作用
和呼吸作用达到平衡为止才出现拐点。如前所述,
近地层O3浓度的变化是O3的光化学反应速度与O3
在生态系统上的沉积速度相互对比的结果。O3的浓
度变化对太阳辐射变化的依赖关系与CO2浓度变化
和CO2通量的变化关系是类似的, 即浓度的变化和
通量的变化趋势存在一定的时间差。
O3之所以能影响植物的生长发育, 主要是因为
O3通过气孔进入植物体内, 从而影响植物一系列的
生化反应。O3进入气孔的量主要取决于O3浓度和气
孔导度的乘积(Coyle et al., 2009)。由于大气O3浓度
变化与光合作用或气孔导度的变化不同步, 所以,
仅仅用O3浓度的平均值不能完全定量地反映O3对
作物的影响。所以一些科学家认为, O3通量(特别是
进入气孔内的通量)应该是研究O3对生态系统影响
的最好指标(Musselman et al., 2006; Coyle et al.,
2009), 这也是我们下一步研究的重点。
在计算O3暴露指数时, 需要设置一个阈值(即
认为只有超过阈值的高浓度O3才会影响作物的生
长发育和光合作用), 这个阈值主要是通过开放式
气室试验中获取的(Fuhrer et al., 1997)。例如: 欧洲
320 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2012, 36 (4): 313–323

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国家目前普遍采用的阈值为 40 nL·L–1 (例如
AOT40), 而美国等常采用60 nL·L–1作为阈值(如
SUM06), 我国学者郑有飞(2010a)通过实验认为 ,
地表O3浓度增加对冬小麦光合作用的影响阈值在
100–150 nL·L–1之间比较合适。设置的阈值是不是有
其合理性, 对确定O3暴露指数非常重要。为了回答
上述问题, 作者利用连续实测的冬小麦群落光合即
CO2通量(Fc)和同步测量的O3浓度, 计算了整个生
长期间白天不同O3浓度范围内(5 nL·L–1为一个统计
区间) Fc的平均值, 并获得了两者之间存在的关系
(图9)。从图9看出, 两者之间呈现明显的抛物线形变
化特征。虽然当O3浓度从0 nL·L–1增加到60 nL·L–1
左右时, Fc随O3浓度变化呈现增强的趋势, 但这不
能解释为O3能增强作物的光合作用, 这恰恰表明了
O3浓度对光合作用的影响存在一个阈值。这个过程
通常发生在上午, O3浓度相对低, 此时太阳辐射对
作物光合作用的影响大于O3增加的速度。但当O3
达到60 nL·L–1以后, Fc则出现明显的下降趋势, 这
可能才是O3影响植物光合作用的有效浓度区间。说
明在本研究所处的特定条件下, 阈值的合理范围是
60–70 nL·L–1, 高于欧洲标准, 和美国标准接近, 但
低于郑有飞等(2010a)的结果。虽然O3浓度大于阈值
后光合作用明显减弱, 但我们也不能简单地认为Fc
的下降完全就是O3作用的结果。因为高浓度O3一般
出现在中午到下午时段, 而Fc在此时呈现下降的趋
势。光合作用在下午的这种变化规律既有作物生理
方面的原因(内因), 也有外界环境条件(包括O3)影
响的原因(外因)。O3浓度本身能在多大程度上真正
影响生态系统的光合作用, 还需要进一步通过其他
方法进行分析研究。
3.3 O3对冬小麦产量潜在影响的估算
开展农田生态系统O3浓度观测研究的主要目
的是评估O3对生态系统特别是作物产量的影响。我
国虽然在研究O3和作物产量的关系方面有一些初
步进展(Jin et al., 2001; 吴荣军等, 2010), 但总体而
言, 我国在野外田间试验定量进行O3浓度变化对农
作物影响的研究还比较缺乏, 更是缺乏O3浓度与产
量减少之间的定量关系研究结果(王春乙和白月明,
2007)。相对而言, 欧美国家在研究O3浓度和作物产
量的关系方面有较多进展(Heck et al., 1983; Fuhrer
el al., 1997; Mills et al., 2007; 王春乙和白月明,
2007)。现分别利用美国和欧洲通过实验得到的O3



图9 白天O3浓度和CO2通量(Fc)之间的关系。
Fig. 9 Relationship between ozone concentration and CO2
flux (Fc) in daytime.


浓度-冬小麦产量模型, 初步估算O3对禹城冬小麦
产量的潜在影响。
美国农作物损失评价网 (The National Crop
Loss Assessment Network, NCLAN)利用近10年的田
间试验(开顶式气室)资料得到了冬小麦产量与O3浓
度的关系 (Heck et al., 1983; 王春乙和白月明 ,
2007), 发现冬小麦产量减少率与O3白天7 h的平均
浓度(M7)之间有很好的线性关系。
Y = 312 X –7.8 (7)
式中, Y是产量减少百分率(%), X是作物生长期间白
天7 h的O3平均浓度(M7, μL·L–1)。
将观测到的冬小麦春季生长期间(3个月)的M7
(45.7 nL·L–1即0.045 7 μL·L–1)带入以上经验方程,
得到冬小麦减产百分率为6.5%。王春乙和白月明
(2007)认为开顶式试验的结果和实际农田的自然环
境之间有差异, 在利用此公式时要进行修订, 其修
订系数确定为0.2。修订后, 得到的O3使禹城冬小麦
产量减少百分率约为5.2%。
Fuhrer等(1997)通过实验, 分析了O3浓度变化
对欧洲春小麦产量的影响, 并且给出了春小麦产量
和O3累计浓度(AOT40)之间的相关关系:
Y = –0.0161 X + 1.07 (8)
这里, Y是相对产量, X是作物生产期间(取生长季3
个月 )的AOT40。将在禹城观测得到的3个月的
AOT40 (9.8 μL·L–1·h)带入以上经验方程, 得到在目
朱治林等: 鲁西北平原冬小麦田臭氧浓度变化特征及对产量的潜在影响和机理分析 321

doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.00313
前O3水平下, 禹城冬小麦产量的相对产量为0.912,
即O3使产量减少为8.8%左右。
由于以上方程是在欧美国家不同背景条件下
得到的, 所以在引用以上公式估算O3对禹城冬小麦
产量影响时, 得到两种不同的减产率, 说明O3对作
物产量的影响存在一定的不确定性。Avnery等
(2011)利用2000年O3资料, 模拟了全球O3对作物产
量的影响, 其中O3浓度对冬小麦的影响介于3.9%–
15.0%之间, 我们的研究结果也介于其范围内。我们
在我国鲁西北农田的实际观测应用, 在一定程度上
验证和支持了相关的研究, 特别是王春乙和白月明
(2007)对该公式的修订, 也表明了我们的相关研究
具有理论和应用的参考价值。
致谢 国家自然科学基金项目(31070400)、中国科
学院地理科学与资源研究所自主部署创新项目
(201003001)和国家重点基础研究发展计划项目
(2010CB833501-01)共同资助。
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责任编委: 周广胜 责任编辑: 李 敏