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Observation of ozone dry deposition in the field of winter wheat.

冬麦田臭氧干沉降过程的观测


地表臭氧作为近地层最主要的大气污染物之一,其不断上升的浓度及其对粮食作物的影响受到越来越多的关注.本研究利用微气象学观测方法,探明自然条件下冬麦田的臭氧沉降过程,分析了影响臭氧沉降过程的环境因子.结果表明: 观测期内(小麦生长旺期)臭氧通量均值为-0.35 μg·m-2·s-1(负号表示沉降方向指向地面),臭氧沉降平均速率为0.55 cm·s-1,空气动力学阻力均值为30 s·m-1,粘性副层阻力均值为257 s·m-1,冠层阻力均值为163 s·m-1,且均存在明显的日变化趋势.臭氧沉降阻力大小受摩擦速度、太阳辐射强度、温度和相对湿度等因素的影响.
 

Ozone is one of the main atmospheric pollutants over surface layer, and its increasing surface ozone concentration and its impact on main crops have become the focus of the public. In order to explore ozone deposition law and environmental factors influencing ozone deposition process, this study used the micrometeorological methods and carried out the experiment under natural conditions. The results showed that during the observational period (the vigorously growing season of wheat), the mean value of ozone flux was -0.35 μg·m-2·s-1(the negative sign indicated that the deposition direction was toward the ground). The mean rate of ozone deposition was 0.55 cm·s-1. The mean value of aerodynamic resistance was 30 s·m-1, the mean value of sublayer resistance was 257 s·m-1, and that of the canopy layer stomatic resistance was 163 s·m-1. All the test parameters presented distinct diurnal fluctuation. The ozone deposition resistance was influenced by friction velocity, solar radiation velocity, temperature, relative humidity and other factors.


全 文 :冬麦田臭氧干沉降过程的观测
李  硕1∗  郑有飞1,2,3  吴荣军1  尹继福3  徐静馨3  赵  辉1  孙  健4
( 1南京信息工程大学环境科学与工程学院, 南京 210044; 2江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室, 南京
210044; 3南京信息工程大学大气物理学院, 南京 210044; 4上海市闵行区气象局, 上海 201199 )
摘  要  地表臭氧作为近地层最主要的大气污染物之一,其不断上升的浓度及其对粮食作物
的影响受到越来越多的关注.本研究利用微气象学观测方法,探明自然条件下冬麦田的臭氧
沉降过程,分析了影响臭氧沉降过程的环境因子.结果表明: 观测期内(小麦生长旺期)臭氧
通量均值为-0.35 μg·m-2·s-1(负号表示沉降方向指向地面),臭氧沉降平均速率为 0.55
cm·s-1,空气动力学阻力均值为 30 s·m-1,粘性副层阻力均值为 257 s·m-1,冠层阻力均值
为 163 s·m-1,且均存在明显的日变化趋势.臭氧沉降阻力大小受摩擦速度、太阳辐射强度、温
度和相对湿度等因素的影响.
关键词  臭氧干沉降; 干沉降通量; 干沉降速率; 沉降阻力
Observation of ozone dry deposition in the field of winter wheat. LI Shuo1∗, ZHENG You⁃
fei1,2.3, WU Rong⁃jun2, YIN Ji⁃fu3, XU Jing⁃xin3, ZHAO Hui1, SUN Jian4 ( 1College of Environ⁃
mental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing
210044, China; 2Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Motoring & Pollution Control,
Nanjing 210044, China; 3College of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science
& Technology, Nanjing 210044, China; 4Minhang Meteorological Bureau, Shanghai 201199, Chi⁃
na) .
Abstract: Ozone is one of the main atmospheric pollutants over surface layer, and its increasing
surface ozone concentration and its impact on main crops have become the focus of the public. In or⁃
der to explore ozone deposition law and environmental factors influencing ozone deposition process,
this study used the micrometeorological methods and carried out the experiment under natural condi⁃
tions. The results showed that during the observational period ( the vigorously growing season of
wheat), the mean value of ozone flux was -0.35 μg·m-2·s-1 ( the negative sign indicated that
the deposition direction was toward the ground). The mean rate of ozone deposition was 0. 55
cm·s-1 . The mean value of aerodynamic resistance was 30 s·m-1, the mean value of sub⁃layer re⁃
sistance was 257 s·m-1, and that of the canopy layer stomatic resistance was 163 s·m-1 . All the
test parameters presented distinct diurnal fluctuation. The ozone deposition resistance was influenced
by friction velocity, solar radiation velocity, temperature, relative humidity and other factors.
Key words: ozone deposition; ozone dry deposition flux; ozone dry deposition rate; ozone deposi⁃
tion resistance.
本文由国家自然科学基金项目(41475108)和教育部高等学校博士
学科点专项科研基金项目(20123228110003)资助 This work was sup⁃
ported by the National Natural Science Foundation of China (41475108)
and Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China
(20123228110003) .
2015⁃12⁃23 Received, 2016⁃04⁃05 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: zhengyf@ nuist.edu.cn
    随着工业化进程和城市化的加快以及汽车保有
量的增加,大量使用的化石燃料造成近地表氮氧化
物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等臭氧前体物浓
度大幅增高[1-4],导致近地表臭氧浓度呈上升趋势.
臭氧作为对流层中一种重要的二次污染物,严重影
响人体健康和作物正常生长[5-6] .臭氧通过植物气孔
进入植物叶片,影响作物的光合作用和呼吸作用等
生理活动[7-8],进而导致作物产量降低,危害粮食安
全[9] .预计到 2030 年,由于臭氧的影响将导致小麦
产量下降 10. 6% ~ 15. 6%,玉米产量下降 4. 5% ~
6.3%,大豆产量下降 12.1% ~16.4%[10] .臭氧对农作
应 用 生 态 学 报  2016年 6月  第 27卷  第 6期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2016, 27(6): 1811-1819                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201606.037
物产量影响的评估指标和评估方法在不断改进,逐
渐由臭氧浓度响应关系模型和臭氧剂量响应模型发
展到臭氧吸收通量响应模型.
臭氧吸收通量的研究从 20 世纪 90 年代开始,
各国学者在不同下垫面开展了臭氧沉降通量的研
究[11-13] .Coyle等[14]研究了马铃薯田冠层的臭氧干
沉降过程.Stella 等[15]对玉米田从播种到成熟全生
育期内臭氧沉降过程进行了研究.Silvano 等[16]对黄
松林臭氧沉降过程进行了研究.Silvano 等[17]对橘园
臭氧沉降过程进行了分析.Miloš等[18]计算了挪威云
杉森林臭氧沉降速率和臭氧通量,并指出气孔沉降
占总沉降通量的 47%.Atsuyuki 等[19]计算了北京地
区低矮植被下垫面臭氧沉降过程参数.潘小乐等[20]
在北京郊区草地下垫面条件下进行了臭氧沉降分
析.Gerosa等[21]和 Bassin 等[22]研究了麦田下垫面的
臭氧干沉降过程.
我国针对农作物下垫面臭氧干沉降通量的研究
尚少.因此,在我国区域内研究臭氧在自然农田的迁
移转化规律,对于评估臭氧对农作物的伤害以及臭
氧对植物的潜在影响具有理论和实际意义.南京地
区作为长三角重要的经济中心之一,空气污染状况
日益加剧,对流层臭氧浓度增加显著,地面臭氧污染
较严重,且地面臭氧浓度的最大值分布在郊区和农
业种植区[23-24] .冬小麦作为我国主要农作物之一,
其产量直接关系到我国的粮食安全、经济发展和社
会稳定.因此,本研究选取南京郊区作为研究区域,
以冬小麦田为研究对象,研究该区域冬麦田的臭氧
沉降过程,分析臭氧沉降的影响因子,为优化臭氧风
险评估指标、准确进行臭氧风险评估以及有效屏蔽
臭氧危害风险提供理论依据.
1  材料与方法
1􀆰 1  观测点介绍
试验点位于南京信息工程大学农业气象实验站
(32°14′ N, 118°42′ E).该站属亚热带湿润气候,年
均温为 15.3 ℃,年均降水量 1106.5 mm.本试验供试
材料为冬小麦‘扬麦 13’,试验区域长 40 m、宽 20
m,两旁均为小麦田.试验观测时段选取冬小麦生长
关键期的孕穗⁃乳熟期,具体日期为 2013 年 4 月 1
日—5月 30日,观测期间测点植被覆盖均匀,获得
的臭氧干沉降数据可以反映该时段臭氧在冬小麦田
的干沉降特征.
1􀆰 2  观测仪器
臭氧通量采用梯度法计算.O3浓度梯度观测采
用英国 Casella 公司 /澳大利亚 Ecotech 公司生产的
O3监测仪(EC9810).仪器量程为 0 ~ 20 mg·m
-3自
动量程;精度:1.0 μg·m-3或高于 50 μg·m-3读数
值的 0.5%,取更大值;最低检测限:0.4 μg·m-3或
读数值的 0.2%.O3浓度进行 24 h连续观测,5 min获
取一次数据.臭氧观测采用调节阀调节进样,每 0.5
h循环测定 0 m、冠层高度、1 m、1.5 m 4个高度的臭
氧浓度.
本研究 CO2和水汽通量数据采用涡度相关开路
观测系统测得.该系统于 2011 年在该实验点建站,
对湍流、辐射、土壤等通量进行连续观测.涡度相关
系统包括 CSAT⁃3型三维超声风速仪(Campbell Sci⁃
entific Inc.,USA)与 Li⁃7500型 H2O / CO2红外气体分
析仪(Li⁃Cor.,USA),测量 3个方向脉动风速及大气
中 CO2和水汽密度.二者采样频率均为 10 Hz.
本文所用温度、相对湿度、太阳辐射数据均由南
京信息工程大学农业气象试验站提供,天气情况为
每日自动记录.
1􀆰 3  臭氧干沉降计算方法
根据梯度通量计算方法得到小麦生长期内臭氧
干沉降过程参数:冠层阻力 (Rc )、臭氧沉降速率
(Vd)以及臭氧沉降通量(F).
常通量层条件下,臭氧沉降梯度计算公式
为[25]:
F= -Kc·∂C / ∂z (1)
式中:C表示高度 z处的臭氧浓度,Kc为湍流扩散系数.
Kc =
k·u∗·( z-d)
φM
z-d

æ
è
ç
ö
ø
÷
(2)
式中:k是冯卡门常数,范围为 0.35~0.41,本研究取
k值为 0.4;u∗表示摩擦速度;d 是零平面位移;L 为
莫宁⁃奥布霍夫长度.
Vd =F / C (3)
式中:C表示冠层高度处的臭氧浓度.
Rc = 1 / Vd-Ra-Rb (4)
式中:Ra、Rb 根据 Surfatm⁃O3模型求得.
1􀆰 4  Surfatm⁃O3模型
Surfatm⁃O3模型[26]可以计算气孔通量、表面通
量和土壤通量,是一种新的土壤⁃植被⁃大气传输模
型.该模型根据 Wesely 和 Hicks[25]提出的阻力计算
方案得出臭氧干沉降阻力.本文引入此方案中空气
动力学阻力(Ra)、边界层阻力(Rb)的计算方法.
Ra =
k·u∗
ln[( zref-d) / z0]-ψM{ }
-1
(5)
2181 应  用  生  态  学  报                                      27卷
叶片边界层阻力(Rbl)和土壤边界层阻力(Rbs)
的计算公式[11]:
Rbl =(Di / Dw)
-2 / 3·
αu
2·a·LAIss
· LW
u(hc)
æ
è
ç
ö
ø
÷
1 / 2
·
1-exp -αu / 2( )[ ]
-1 (6)
式中: αu 由 u( z)= u(hc)·exp αu z / hc-1( )[ ]求得.
Rbs =

k·u∗ground
·
SCi
Pr
æ
è
ç
ö
ø
÷
2 / 3
(7)
式中:SCi = υa / DO3;u

ground = {( u∗) 2·exp[1. 2 ×LAIss
( z0s / hc-1)]} 1 / 2 (8)
1􀆰 5  数据筛选和校正
为确保干沉降数据的准确性,对观测数据进行
必要的筛选和质量控制,以避免气象条件、系统故障
等原因造成的数据丢失或异常值的影响(表 1).数
据处理步骤如下:1)对通量原始数据以方差检验为
依据,剔除大于 4 倍方差的数据[27];2)对通量原始
数据以夜间摩擦风速>0.1 m·s-1为标准,剔除湍流
混合较弱时次的数据[28] ;3)以相对湿度<70%为依
表 1  臭氧干沉降通量数据质量控制
Table 1  Data quality control on the ozone dry deposition
flux
筛选项目
Screening
project
筛选标准
Screening
criteria
原因
Reason
有效数据
占百分比
Percentage
of effective
data (%)
摩擦速度
Friction velocity
>0.1 m·s-1 摩擦速度小,湍流较

84.3
太阳辐射
Solar radiation
>50 W·m-2 太阳辐射弱影响气
孔开闭程度
86.0
臭氧浓度
Ozone concentration
>5 μg·m-3 浓度过小,沉降过程
不明显
74.0
据,剔除湿度过大时次的数据;4)对涡度数据采用
二次坐标轴旋转以消除倾斜误差和湍流通量不同分
量间的交叉影响[29] .
2  结果与分析
2􀆰 1  观测期间气象和环境条件
观测期间站点的各气象要素观测均较完整(图
1 ) .太阳辐射均值为267 W·m-2,日照时间从8:00
图 1  观测期间麦田冠层气象要素特征
Fig.1  Characteristics of meteorological parameters on wheat canopy during the observation period.
SR: 太阳辐射 Solar radiation; Ta: 气温 Air temperature; LE: 潜热通量 Latent heat flux; Hs: 显热通量 Sensible heat flux.
31816期                                  李  硕等: 冬麦田臭氧干沉降过程的观测           
(> 100 W·m-2, 164 W· m-2 ) 至 17: 00 ( < 100
W· m-2,69 W· m-2),平均风速为 2.5 m·s-1,站
点大气相对湿度均值为 56%.5 月气温明显高于 4
月,且 5月降水过程多于 4月,其中 5 月 8—11 日、5
月 15—19日、5 月 23—24 日及 5 月 28—31 日均为
持续性降水过程,而 4 月仅有 5、9、22、23 日有少量
降水.降水过程发生时,太阳有效辐射明显减弱,相
对应降水时段的空气温度也有所下降,空气相对湿
度随降水过程的发生而增大.4 月降水时间短,降水
量少,显热通量较潜热通量有优势;5 月降水过程发
生频繁,降水量大,农田的显热通量偏低,潜热通量
占优势.降水量与水汽压存在相关性,降水多,水汽
压一般较大[30] .从图 1 可以看出,降水量多的时间
段(5月 8—11日、5 月 15—19 日、5 月 23—24 日、5
月 28—31日)相对应的水汽压较高,降水时段水汽
压均值较相邻非降水时段的水汽压平均高 28%、
26%、22%、12%.
2􀆰 2  观测期间臭氧沉降参数变化
图 2 是观测期间臭氧沉降通量、沉降速度和沉
降阻力时序图.观测期间冬小麦田臭氧通量(F)均
值为-0.35 μg·m-2·s-1(负号表示沉降方向指向地
面),臭氧沉降速率(Vd)均值为 0.55 cm·s
-1 .观测
期间空气动力学阻力(Ra)均值为 30 s·m
-1,粘性
副层阻力(Rb)均值为 257 s·m
-1,冠层阻力(Rc)均
值为 163 s·m-1 .
由图 2可以看出,4月 18—20 日和 5 月 15—16
日两个臭氧沉降过程的空气动力学阻力明显小于相
邻日的空气动力学阻力,根据同期通量观测数据分
析(图 1) 4 月 18—20 日摩擦速度较相邻日的摩擦
速度高,是大气运动强烈的一个表征.根据同期气象
条件分析(图 1) 4 月 18—20 日的太阳辐射强度和
相邻日太阳辐射强度无明显差异,但是 4 月 18—20
日的空气温度较相邻日的空气温度低,同时 4 月
18—20日空气相对湿度亦小于相邻日的空气相对
湿度.虽然 4 月 18—20 日的空气温度偏低,但是相
对湿度小,环境干燥,导致臭氧沉降阻力降低.5 月
15—16日空气动力学阻力明显小于相邻日的空气
动力学阻力,根据同期通量观测数据分析(图 1a) 5
月 15—16日摩擦速度较相邻日的摩擦速度高,空气
对流强烈,臭氧沉降阻力小.观测期内 4 月冠层阻力
明显低于 5月冠层阻力,直接造成 5 月臭氧沉降过
程受到的总阻力高于 4 月,导致 5 月臭氧沉降速率
低于 4月.
    由图 3可以看出,观测期内臭氧沉降速率(Vd)
图 2  观测期间臭氧沉降参数时间序列
Fig.2  Temporal variations of ozone deposition parameters du⁃
ring the observation period.
及臭氧通量(F)均呈现明显的昼夜变化,并且二者
均在中午前后出现高值.观测期内 Vd平均为 0. 55
cm·s-1,F平均为-0.35 μg·m-2·s-1;白天 Vd均值
为 0.71 cm·s-1,F为-0.55 μg·m-2·s-1;夜间臭氧
4181 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 3  观测期间臭氧沉降参数日变化
Fig.3  Diurnal variations of ozone deposition parameters during
the observation period.
沉降过程明显减弱,Vd均值为 0.40 m·s
-1,F均值为
-0.16 μg·m-2·s-1 .臭氧沉降过程中受到的空气动
力学阻力也存在明显的昼夜变化特征,白天的空气
动力学阻力均值为 21 s·m-1,夜间为 41 s·m-1,夜
间阻力比白天高 48.8%;粘性副层阻力白天均值为
214 s·m-1,夜间为 287 s·m-1;冠层阻力白天均值
为 132 s·m-1,夜间为 189 s·m-1 .
2􀆰 3  臭氧沉降参数的平均日变化
臭氧沉降过程不仅受环境中臭氧浓度的影响,
而且受沉降阻力的影响.观测期间,Ra平均值为 30
s·m-1,Rc为 163 s·m
-1 .由图 3 可知,Ra、Rc也存在
明显的昼夜变化特征.白天近地层大气热量交换运
动强烈,Ra偏低,平均值为 21 s·m
-1,在 13:00 达到
最低值(18 s·m-1);夜间大气较稳定,臭氧的湍流
输送过程受到抑制,Ra偏高,平均值为 41 s·m
-1 .白
天 Rc偏低,均值为 132 s·m
-1,夜间的 Rc均值为 189
s·m-1 .随着太阳辐射升高,小麦光合作用逐渐增
强,气孔打开,气孔阻力小,Rc也较小;Rc自 15:00 开
始逐渐升高,主要是由于该时段环境温度较高,相对
湿度低,冬小麦为了避免蒸腾作用丢失水分,自身气
孔关闭,气孔阻力增大.有研究指出,臭氧沉降通量
受太阳辐射的影响,太阳辐射越强,臭氧沉降量越
大,主要是因为臭氧在叶片表面发生热分解反应促
进了臭氧沉降[15] .15:00 左右太阳辐射强度开始逐
渐降低,臭氧在叶片表面的热分解反应相对变弱,臭
氧在叶片表面的干沉降过程减弱.这也是导致15:00
左右 Rc开始逐渐升高的一个原因.
夜间冬小麦光合作用停止,气孔导度小,气孔吸
收几乎为零,可以忽略.夜间相对湿度较白天大,观
测期间夜间相对湿度均值为 55%.有研究指出,相对
湿度为 50%~70%时,叶片表面形成一层保护膜,阻
碍臭氧沉降[15] .同时,夜间臭氧浓度低也是造成夜
间臭氧沉降量小的一个原因.
2􀆰 4  麦田臭氧干沉降过程的影响因子
2􀆰 4􀆰 1昼间臭氧沉降冠层阻力的影响因子  昼间臭
氧沉降冠层阻力与摩擦速度、太阳辐射、温度和相对
湿度的关系见图 4.麦田臭氧沉降冠层阻力随摩擦速
度增大而降低,摩擦速度增大,空气湍流运动强烈,
有利于臭氧在冠层的沉降.麦田臭氧沉降冠层阻力
随太阳辐射增强而降低,太阳辐射低于 200 W·m-2
时冠层阻力均值为 431 s·m-1,太阳辐射强度大于
200 W·m-2时冠层阻力均值为 314 s·m-1 .尽管温
度小于 25 ℃时,冠层阻力点分布比较散,但是总体
趋势仍能看出臭氧沉降冠层阻力随温度的升高而降
低.地表温度受太阳辐射强度的影响,随太阳辐射强
度的增强而升高,温度升高后臭氧在叶片表面发生
热分解,有利于臭氧沉降过程的发生.麦田臭氧沉降
冠层阻力随相对湿度的变化较复杂,在不同的相对
51816期                                  李  硕等: 冬麦田臭氧干沉降过程的观测           
图 4  昼间冠层阻力与摩擦速度(u∗)、太阳辐射(ST)、冠层
高度处空气温度(Ta)和相对湿度(RH)的关系
Fig.4  Relationships during the day between the canopy resis⁃
tance and friction velocity (u∗), solar radiation (ST), temper⁃
ature of canopy height (Ta) and relative humidity (RH).
湿度范围内冠层阻力变化趋势不同,相对湿度小于
50%时,总体趋势为冠层阻力随相对湿度的增加而
增加[14];相对湿度在 60% ~ 70%时,冠层阻力随相
对湿度的增加而减小.
2􀆰 4􀆰 2夜间臭氧沉降冠层阻力的影响因子  由于夜
间大气中臭氧浓度很低,同时夜间植物气孔几乎处
于关闭状态,所以普遍认为夜间臭氧沉降主要是非
气孔沉降.而夜间臭氧沉降受到的阻力———冠层阻
力受摩擦速度、温度和相对湿度的影响(图 5).
虽然冠层阻力与摩擦速度的关系图点比较散,
但还是可以看出,冠层阻力随摩擦速度的增大而减
小的趋势.假设夜间小麦冠层处于“吸收”状态,摩擦
速度增大有利于气体穿透冠层到达地表,增加臭氧
地表沉降.
夜间冠层阻力受相对湿度的影响,相对湿度为
50%~60%时,冠层阻力随相对湿度的增加而增加;
相对湿度大于 60%时,冠层阻力随相对湿度的增加
而减小[15] .
夜间臭氧沉降冠层阻力受温度的影响,温度为
14 ℃时,冠层阻力达到最大值(910 s·m-1);当环
境温度达到观测时段最高值 31 ℃时,冠层阻力为
171 s·m-1,远低于阻力最大值.从总体变化趋势可
以得出,冠层阻力随空气温度的升高而降低,尤其是
在温度很高的条件下,臭氧发生热分解反应,有利于
小麦叶片表面对臭氧的吸收.
图 5  夜间冠层阻力与摩擦速度(u∗)、相对湿度(RH)和温度(Ta)的关系
Fig.5  Rlationships during the night between the canopy resistance and friction velocity (u∗), relative humidity (RH) and tempera⁃
ture (Ta) of canopy height.
3  讨    论
臭氧沉降过程不仅受臭氧浓度的影响,同时还
受臭氧沉降阻力的影响.臭氧沉降过程中受到的阻
力体现了边界层大气输送能力以及下垫面植被状况
对臭氧干沉降的影响.
观测期内臭氧日最大浓度一般出现在 13:00 左
右.因为该时段土壤的感热和潜热通量均达最大值,
地表温度高,容易发生强烈的光化学反应.观测期内
5月冠层阻力明显高于 4 月,其原因在于:5 月相对
湿度较 4月低,白天相对湿度均值在 50% ~ 60%.有
研究表明,相对湿度在 50% ~ 60%时会在叶片表面
形成一层“水膜”,增加表面阻力[11,15],是造成 5 月
冠层阻力增加的一个原因.
本研究表明,白天臭氧沉降(Rc)随摩擦速度增
大而降低.摩擦速度增大,空气湍流输送强烈,有利
6181 应  用  生  态  学  报                                      27卷
于臭氧气体穿透叶片层而沉降.白天 Rc随太阳辐射
增强而降低,随温度的升高而降低.这是因为地表温
度受太阳辐射强度的影响,随太阳辐射强度的增强
而升高,而温度升高后臭氧在叶片表面发生热分解,
有利于臭氧沉降.白天相对湿度小于 50%时,Rc随相
对湿度的增加而增加;相对湿度在 60% ~70%时,Rc
随相对湿度的增加而减小[15] .两个阶段的阻力变化
机理不同,相对湿度小于 50%时相对湿度越小,表
明越容易发生热分解反应,越促进臭氧沉降,这与温
度对臭氧沉降的影响机制一致.而相对湿度大于
60%时,其值越大,表明臭氧沉降至表面易发生“液
相反应”,同样利于臭氧沉降.
夜间 Rc受温度影响,随表面温度的升高而降
低,尤其是在温度很高的条件下臭氧发生热分解反
应,利于臭氧表面吸收.这与白天冠层阻力随温度升
高而降低的机制是一致的.但是温度升高时阻力小
可能是因为还有更复杂的反应过程存在.有研究指
出,夜间干燥条件下冠层阻力远高于白天干燥条件
下冠层非气孔阻力,这可能是因为夜间气孔阻力大
于白天气孔阻力,进而导致夜间的冠层阻力高于白
天的冠层阻力[22] .
夜间 Rc受相对湿度的影响.相对湿度为 50% ~
60%时,Rc随相对湿度的增加而增加.随着相对湿度
的增加,叶片表面会形成一层“水膜”,阻碍气体臭
氧分子在叶片表面的沉降,Rc也因此增加.而相对湿
度大于 60%时,Rc随相对湿度的增加而减小.因为相
对湿度大于 60%时,随着具有吸湿性的颗粒物不断
沉降至叶片表面,这些微粒吸收水分,增加叶片表面
的湿润度,有助于增加“水层”的有效厚度,臭氧沉
降至叶片表面会发生“液相化学”反应,Rc降低,利
于臭氧表面沉降.
各国学者针对不同季节、不同作物下垫面上臭
氧沉降进行了大量的观测和模拟研究[10-22] .不同地
区得到的臭氧沉降观测结果有一定差异.表 2 列举
了森林、草地、农田不同下垫面臭氧沉降研究结果.
根据式(3)可知,臭氧沉降通量受臭氧浓度和臭氧
沉降阻力的影响.不同地区、不同下垫面臭氧沉降通
量的差异,一方面是因为地区气象条件和地区污染
程度的差异造成的臭氧浓度差异;另一方面是由于
地区气象条件不同、研究区域下垫面植被冠层结构
不同造成的臭氧沉降过程所受阻力存在差异.
4  结    论
本研究根据梯度法求得麦田臭氧干沉降通量和
表 2  本研究与其他研究结果对比
Table 2   Comparison with other observation results on
ozone dry deposition
下垫面类型
Type of underlying
surface
沉降通量
Ozone deposition flux
(μg·m-2·s-1)
文献
Reference
土豆田
Potato field
-0.45 [14]
玉米田
Corn field
-0.0012 [15]
黄松林
Forest of ponderosa pine
-0.53 [16]
橘园
Orange groves
-0.228 [17]
挪威云杉林
Forest of Norway spruce
-0.37±0.20 [18]
低矮植被
Submerged vegetation
0.10±0.07 [19]
草地
Grassland
-0.40 [20]
麦田
Wheat field
-0.45 [21]
冬小麦田
Winter wheat field
-0.34 本研究
沉降速率.分析了小麦生长孕穗⁃扬花⁃灌浆⁃乳熟期
(4—5月)臭氧沉降通量、沉降速率以及沉降过程中
所受阻力的时间序列和日变化特征,并对臭氧沉降
过程的影响因子进行分析.得出以下结论:臭氧沉降
存在昼夜变化趋势,观测期臭氧通量平均值为-0.35
μg·m-2·s-1(负号表示臭氧沉降方向指向地面),
臭氧沉降速率平均为 0.55 cm·s-1 .对臭氧沉降过程
进行昼夜分析,得出白天臭氧沉降速率及通量均强
于夜间.对臭氧沉降通量和臭氧浓度的日变化分析
得出,沉降通量最大值出现时间早于臭氧浓度高值
出现时间.臭氧沉降过程不仅受臭氧浓度的影响,同
时还受臭氧沉降阻力的影响.白天臭氧沉降冠层阻
力受温度、太阳有效辐射、相对湿度和摩擦速度的影
响.冠层阻力随温度和太阳辐射强度的增加而增加,
太阳辐射强度大时,温度高,臭氧发生热分解反应,
促进沉降.夜间臭氧沉降冠层阻力受相对湿度、温度
和摩擦速度的影响.摩擦速度增大,增加冠层空气流
动,利于臭氧沉降.相对湿度为 50% ~ 60%时,冠层
阻力随相对湿度的增加而增加;相对湿度大于 60%
时,冠层阻力随相对湿度的增加而减小.
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作者简介  李  硕,女,1988 年生,硕士研究生.主要从事大
气环境和农业气象研究. E⁃mail: shuolee2006@ 163.com
责任编辑  张凤丽
封 面 说 明
封面照片由四川农业大学生态林业研究所付长坤博士 2015 年 9 月拍摄于四川省阿坝藏族羌
族自治州理县毕棚沟.该区域地处横断山区,属青藏高原东缘与四川盆地的过渡带,海拔 2458 ~
4619 m,是四川省米亚罗省级自然保护区的核心区域.其东邻卧龙自然保护区,南接东方圣山四姑
娘山,是邛崃山系大熊猫走廊世界自然遗产的重要组成部分.区域内有瑰丽的山石景观、灵秀的万
年冰川、错落有致的水群,青山碧绿,空气清新,是川西高山峡谷重要的自然人文景观.原始森林连
绵起伏,杜鹃林星罗棋布,具备青藏高原东缘典型的高寒森林生态系统,是重要的科研基地.
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