全 文 ：第 34 卷第 16 期
2014年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.16
Aug.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金面上项目(31170424);国家自然科学基金重点项目(41030744);林业公益性行业科研专项(210304301);国家自然
科学基金青年基金项目(41201049)
收稿日期:2013鄄06鄄26; 摇 摇 修订日期:2014鄄06鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wangxk@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201306261781
张红星, 孙旭, 姚余辉, 万五星, 肖扬, 孙滨峰, William J.Manning,韩春萌,郜世奇,高付元,徐卫华,冯兆忠,欧阳志云,王效科.北京夏季地表臭
氧污染分布特征及其对植物的伤害效应.生态学报,2014,34(16):4756鄄4765.
Zhang H X,Sun X, Yao Y H,Wan W X, Xiao Y,Sun B F, William J.Manning, Han C M, Gao S Q, Gao F Y, Xu W H, Feng Z Z, Ouyang Z Y, Wang
X K.Ground鄄level ozone distribution pattern in summer of Beijing and its foliar injury effect upon plants.Acta Ecologica Sinica,2014,34(16):4756鄄4765.
北京夏季地表臭氧污染分布特征及其
对植物的伤害效应
张红星1, 孙摇 旭1, 姚余辉1, 万五星1,2,3, 肖摇 扬1,2, 孙滨峰1,2,
William J.Manning4,韩春萌5,郜世奇6,高付元6,徐卫华1,冯兆忠1,
欧阳志云1,王效科1,*
(1. 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室,北京城市生态系统研究站, 北京摇 100085;
2. 中国科学院大学, 北京摇 100049;3. 河北师范大学, 石家庄摇 050016;4. 马萨诸塞大学;
5. 中国矿业大学, 北京摇 100083; 6. 北京教学植物园, 北京摇 100061)
摘要:臭氧是重要的空气氧化剂,适当浓度的臭氧可以消菌杀毒,但过高浓度的臭氧可能对生物健康构成威胁。 随着城市汽车
保有量的迅速上升,臭氧的前体物氮氧化物和 VOCs排放增多,臭氧浓度随之不断升高,地表臭氧污染日趋严重。 地表臭氧的
分布特征以及其对植物的胁迫伤害效应引起了人们的重视。 是通过监测北京夏季地表臭氧污染分布规律,鉴定是否有植物受
到臭氧伤害,以及受伤害植物的种类及地理分布特征,为城市与区域臭氧风险评估提供依据。 从 2012 年 7 月 4 日到 8 月 30
日,采用被动采样分析的方法,在北京东北、西北、西南、东南郊区以及城区设置了 10 个研究样点,监测平均臭氧浓度的变化。
同时,运用“森林健康专家咨询系统冶鉴定植物受臭氧伤害的特征。 结果表明:(1)监测期间,北京西部和北部山区的臭氧浓度
高于平原地区;在平原地区,公园中的臭氧浓度高于道旁绿化带;山区的臭氧浓度平均为 105.39 滋g / m3,公园中为 68郾 49 滋g / m3,
道旁绿化带为 56.54 滋g / m3;(2)在北京的公园和山区发现了 18种植物符合“森林健康专家咨询系统冶所述臭氧伤害特征,有五
叶地锦(Parthenocissus quinquefolia)、 核桃( Juglans regia)、臭椿(Ailanthus altissima)、 喇叭花(Pharbitis purpurea)、桑树(Morus
alba)、榆树(Ulmus pumila)、国槐 (Sophora japonica)金叶槐(Sophora japonica f. flavi鄄rameus)、木槿 (Hibiscus syriacus)、重瓣棣棠
花(Kerria japonica)、 山香(Hyptis suaveolens)、 决明 (Cassia tora)、毛白杨(Populus tomentosa)、 黄花柳(Salix caprea)、大花地榆
(Sanguisorba sitchensis)、火炬树(Rhus typhina)、大豆(Glycine max)、向日葵(Helianthus annuus);没有在道旁绿化带的植物叶片
发现臭氧伤害症状;(3)臭椿(Ailanthus altissima)幼树臭氧伤害症状明显,易于辨认,且臭椿出现频率最高,是分布广泛的乡土
树种,适合作为臭氧污染指示植物。
关键词:北京;臭氧分布;植物伤害效应
Ground鄄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,*
1 Beijing Urban Ecosystem Research Station, Research Center for Eco鄄environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences; State Key Laboratory of Urban
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and Regional Ecology, Beijing 100085, China
2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China
3 College of Life Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China
4 University of Massachusetts Amherst, Amherst Center, MA, USA,01003
5 China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China
6 Beijing Teaching Botanical Garden, Beijing 100061, China
Abstract: 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 received more attention. The rapid urbanization
in China has caused the emission of large amounts of NOx and VOCs (the main precursors to O3 formation) . 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鄄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 滋g / m3,68.49 滋g /
m3 and 56.54 滋g / m3 . Except for the green belt of motorway, 18 species showed typical ozone symptoms both in mountain
and in plain regions. These plants are: Parthenocissus quinquefolia, Juglans regia, Ailanthus altissima, Pharbitis purpurea,
Morus alba, Ulmus pumila, Sophora japonica, Sophora japonica f. flavi鄄rameus, Hibiscus syriacus, Kerria japonica, Hyptis
suaveolens, Cassia tora, Populus tomentosa, Salix caprea, Sanguisorba sitchensis, Rhus typhina, Glycine max, Helianthus
annuus . Ailanthus altissima was native and popular in mountain and plain around Beijing and its ozone symptoms was easy to
diagnose. Therefore, Ailanthus altissima might work as bio鄄indicator of ozone in Beijing.
Key Words: Beijing; ozone distribution pattern; foliar injury effect
摇 摇 臭氧对人类而言有利有弊。 在海拔约 15—30
km范围的平流层中,臭氧可以吸收太阳的高能紫外
辐射,从而保护地球上的生物免遭紫外线的伤害,然
而,在距离地表 15 km范围内的对流层中,当超过一
定浓度时,臭氧却是一种对地球上的生物有害的气
体污染物。 北京夏季大气臭氧污染十分严重,是光
化学污染的典型季节,污染状况可能已超过欧美特
大城市[1]。 到 2012年,北京机动车保有量已经超过
500万辆,随着汽车保有量的增加,北京臭氧浓度有
继续提升的巨大潜势。
臭氧熏蒸实验表明,高浓度臭氧可以影响小麦、
水稻、油菜等植物的光合速率,以及叶片生理生化特
征,最终影响生物量[2鄄7]。 植物长期暴露在高浓度臭
氧环境条件下的生长状况和生理反应能反映大气臭
氧污染的程度。 因此,利用臭氧对植物的伤害胁迫
效应监测指示城市及区域臭氧风险是可靠有效的途
径。 欧洲的科学家建立了一套标准的鉴定和描述方
法。 这套方法把伤害症状及叶片面积标准化,每 5%
为一个等级,即 0,5%,10%,15%,…,100%。 科学工
作者通过“林业健康专家咨询系统冶反复的训练能够
提高判断臭氧伤害胁迫症状的能力[8]。 但是,地域
不同,气候类型各异,物种组成不一,不同地区对臭
氧敏感的植物可能不尽相同,选择本地适宜的臭氧
胁迫指示生物对于评估臭氧风险意义重大。 欧洲和
美国的科学家运用植物的指示作用评估了臭氧风
险[9鄄10],目前我国在自然状况下观察臭氧对植物胁
迫伤害症状的学术报道非常有限[11],应用“森林健
康专家咨询系统冶在野外鉴定植物臭氧伤害的研究
7574摇 16期 摇 摇 摇 张红星摇 等:北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应 摇
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未见报道。
北京城市及附近区域是京津冀城市群的重要组
成部分,随着城市规模的不断扩大,机动车保有量迅
速攀升,臭氧的前体物(氮氧化物)的排放量加大,臭
氧污染日益加剧。 研究臭氧在北京地表的分布规
律,及其对生态系统的影响非常迫切和必要。 利用
大范围被动监测和植物指示研究北京的臭氧污染状
况及生态响应对保障首都及周边区域生态安全有重
要意义。
本研究拟回答如下问题:(1)在夏季臭氧高风险
期,北京城市及区域尺度上,地表臭氧浓度的空间分
布规律是什么? (2)在自然条件下北京是否真正有
植物受到臭氧胁迫伤害? 受到胁迫伤害的植物种类
及分布特征是什么? 通过综合分析北京夏季臭氧分
布规律,植物伤害物种的种类及分布特征,评估北京
地表臭氧污染的现状和潜在风险,筛选北京地区臭
氧伤害指示植物,为利用生物监测北京臭氧的污染
状况提供方法。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区域概况
北京市中心位于北纬 39毅.54忆,东经 116毅.23忆,居
于华北平原北端。 北京的西、北和东北,群山环抱,
东南是平原,地势西北高、东南低。 西部是太行山余
脉的西山,北部是燕山山脉的军都山,两山在昌平南
口关沟相交,形成一个向东南展开的半圆形大山弯,
人们称之为“北京湾冶,它所围绕的平原即北京平原,
北京城的核心及外延城区主要坐落于山前平原上。
北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风
气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促。 年
平均气温 10—12 益,1月-7—4 益,7 月 25—26 益。
极端最低-27.4 益,极端最高 42 益以上。 全年无霜
期 180—200 d,西部山区较短。 年平均降雨量 600
mm,为华北地区降雨最多的地区之一,山前迎风坡
可达 700 mm以上。 降水季节分配不均匀,全年降水
的 75%集中在 7、8、9等 3个月。
北京属于东亚季风区,冬夏风向相反。 因地理
位置关系,北京冬季是西北风,夏季是东南风。 有的
地方可能是冬季东北风,夏季西南风。 又因北京地
处西风带,冬季随着气压中心的位移形成西北风,夏
季低气压中心位移大陆中心,大洋暖湿气流与之形
成对流,时而东南时而偏西风。 这样,夏季时北京的
西部、北部、东北部的山区就处于下北京城的下
风向。
1.2摇 监测样地选择
为了评估北京城市与区域尺度上地表臭氧污染
的空间分布规律及其植物胁迫伤害状况,共建立了
10个监测点。 这 10 个地点分布于大兴区、东城区、
海淀区、门头沟区、顺义区、昌平区、延庆县等 7 个区
县(图 1)。
图 1摇 臭氧监测地点分布图
Fig.1摇 Distribution of ozone monitoring sites
1—4号监测点位于山上,周围背景为森林;5—8号位于公园内,
监测地点远离交通繁忙线路;9、10 号位于城市环路绿化带,监
测点毗邻北京四环路,交通繁忙
1.3摇 监测点介绍
1—4号监测点位于北京西北方向山区,远离交
通干线,周围植被覆盖率在 95%以上。 1 号监测点
位于北京西北部的延庆山区大庄科乡董家沟(116毅
11忆29义, 40毅 25忆28义),距离北京核心城区约 60—70
km,海拔约 640 m;2 号监测点位于北京西北部昌平
和延庆交界处的山梁((116毅14忆29义,40毅23忆3义),海拔
约 647 m;距离北京约 60 km;3号样地位于昌平区蟒
山国家森林公园(116毅16忆43义,40毅16忆35义),距离北京
约 40 km,海拔约 588 m;4号监测点位于北京城的西
南山区戒台寺(116毅4忆53义,39毅52忆10义),距离北京约
30 km,海拔 369 m。
5—8号监测点都位于核心城区和郊区的公园或
教学科研园区内,离交通繁忙线路较远。 5号监测点
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位于顺义奥林匹克水上运动中心,乡村高尔夫俱乐
部( 116毅 40忆58义,40毅 10忆7义),距离北京核心城区约
40km,周围绿化率 90%以上;6 号监测样地位于海淀
区中国科学院生态环境研究中心院内(116毅20忆15义,
40毅00忆26义),西北方向距离交通主干道双清路约 300
m,海拔约 45 m,其他方向是植被和建筑物镶嵌的格
局,植被覆盖率约 50%;7 号位于东城区北京教学植
物园(116毅25忆39义,39毅52忆22义),南方距离二环主干道
约 300 m,周围植被覆盖率 90%以上;8 号位于大兴
区,北京东南五环外凉水河滨河公园,植被覆盖率
90%,代表北京城夏季上风向的情况。
9—10号位于海淀区,都位于四环路绿化隔离带
中,距离四环主干道约 30 m,交通繁忙。 9 号位于海
淀桥北和北京大学南门之间的绿化隔离带(116毅18忆
1义,39毅59忆4义),海拔 51 m;10号位于四季青桥南绿化
隔离带(116毅16忆1义,39毅56忆39义),海拔 53 m。
1.4摇 气象因子的测定
从 2012年 7 月 1 日到 8 月 30 日的气象数据采
用中国科学院生态环境研究中心北京城市生态系统
研究站的数据。
1.5摇 臭氧浓度测定
在本研究中,从 2012年 7月 4日到 8月 30日采
用被动采样的方法测定臭氧的平均浓度,臭氧浓度
测定的原理、方法参见“用臭氧被动采样膜片测定臭
氧浓度冶的说明书(Ogawa & Co., USA, Inc.) [12]。
1.5.1摇 被动采样器的准备和野外安装及回收
在超净工作台上,用镊子打开采样器壳体,将样
品膜片装入被动采集器圆柱体两端。 操作过程中不
要破损污染采样膜片。 设置空白(实验室空白和运
输空白),膜片从药瓶中取出要迅速,并迅速安装。
装置好样品后,将采样器密封,避光保存。 将在实验
室准备好的采样器在密封、避光的条件下,运输到测
定现场。 把采样器安放到监测场地的风雨帽中的弹
簧夹上。 记录好安装采样器的位置、安装时间,安装
时的天气情况。 在 1 周后的同一个工作日,同样的
时间出发,同样的交通线路,把被动采样器取下来,
密封、避光运回实验室。 同时布置下一个测定周期
的采样器。
1.5.2摇 室内分析
采样结束后样品运回中国科学院生态环境研究
中心,在 2 d内进行集中分析。 运输、实验室空白样
品尽可能在相同温度下操作。 样品经提取后均采用
Dionex 公司 戴安 2000i型离子色谱进行定量。 采用
质量分数为 0.5 mol / L 的 Na2CO3和 NaHCO3溶液配
置淋洗液,实验过程用水为 MilliQ 纯水仪 产生的电
阻率为 18. 2 M赘·cm 的高纯水。
(1) 淋洗液配置
0.5mol / L Na2CO3母液 9mL, 0.5mol / L NaHCO3
母液 5mL 移液到 1L 的容量瓶中,用超纯水定容至
1L,得到 4. 5mmol / L 的 Na2 CO3 和 2. 5mmol / L 的
NaHCO3的混合溶液。 配置 NO
-
3 标准曲线溶液:称取
1.371 g NaNO3定容至 1L 的容量瓶,得到 1000 滋g / g
的 NaNO3母液,分别吸取 1、0.4、0.2、0.008、0.004 mL
的 NaNO3母液定容至 100mL容量瓶得到 10,4滋g / g,
2,0.8,0.4滋g / g的标准曲线溶液。
(2)样品溶液的提取
用镊子将膜片取出置于 25mL 的比色管中。 每
支比色管事先加入 10mL 的高纯水。 保证膜片完全
浸入到水中。 将比色管置入超声水浴锅中,保证水
浴锅中水面超过比色管中水面高度。 超声 15 min,
每 5 min旋转比色管 90度。 超声完毕后,用 0.45 滋m
滤膜过滤。 将样品溶液转移至离子色谱瓶中准备上
离子色谱仪分析。 按照纯水空白、标准曲线溶液、实
验室空白、运输空白、样品溶液的顺序放置于离子色
谱分析仪中。
(3)离子色谱分析
按照实验室戴安 2000i 型离子色谱具体操作说
明,进行淋洗液的装配、清洗离子色谱柱、仪器稳定、
跑基准线操作。 设定程序按顺序分析样品。 每个样
品分析完毕约需要 30 min,每 1 min 约消耗 1 mL 的
淋洗液,分析 NO-3 浓度。
1.6摇 植物臭氧伤害症状鉴定方法
2012年 8月 15日到 8月 19日,专家组依据“森
林健康专家咨询系统冶,对污染监测样点区域周围植
物进行考察鉴定,通过观察叶片的表型受害特征,判
断植物叶片是否受到臭氧伤害。 方法和步骤如图
2[8]。 为了判定植物是否受到臭氧伤害,需要在同一
个枝条上比较新老叶症状,有个枝条表现出症状,即
视为该植物受到臭氧伤害。 2013年 8月对同样区域
再次考察鉴定。
1.7摇 数据分析处理
依据下述公式,计算得出臭氧平均浓度:
9574摇 16期 摇 摇 摇 张红星摇 等:北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应 摇
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C= 2郾 144伊(n伊10 / T伊18.09伊1000)滋g / m3
式中,n 为离子色谱分析得出的 NO-3 浓度值,C 即为
所测样本取样点的空气中臭氧平均浓度值,T 为采
样分钟数。 18.09 为常温 20 益条件下气流为 21.8
mL / min的经验常数。
采用 SPSS13.0 的 ANOVA 程序分析比较 10 个
监测地点之间臭氧浓度的差异;采用 Sigmaplot10.0
绘制风场雷达图以及气象因子的变化图;采用
ArcGIS9.3软件绘制监测地点分布图,以及臭氧浓度
的空间分布特征。
图 2摇 森林健康专家咨询系统
Fig.2摇 Forest Health Expert Advisory System
2摇 结果与分析
2.1摇 气象因子变化
图 3摇 实验期间气温变化情况
Fig.3摇 Daily air temperature variation
2.1.1摇 气温
气温是臭氧生成的重要环境条件,从 7 月 1 日
到 8月 30日,中国科学院生态环境研究中心自动气
象监测系统记录的平均气温为 26郾 92 益,最高温度
为 31.75 益,最低温度为 20.47 益。 监测臭氧浓度变
化期间的温度变化情况如图 3。
2.1.2摇 全辐射
太阳辐射是光化学反应生成臭氧的必要条件,
从 7月 1日到 8月 30日,平均辐射为 185.01 W / m2,
最高辐射为 327.18 W / m2,最低辐射为 20.26 W / m2。
辐射变化情况如图 4。
图 4摇 实验期间辐射变化
Fig.4摇 Daily total radiation variation
2.1.3摇 降雨和空气湿度
降雨直接影响空气湿度,而空气湿度影响生成
0674 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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臭氧的光化学反应。 从 7月 1 日到 8 月 30 日,平均
湿度为 61. 35%,最高湿度为 90. 38%,最低湿度为
26郾 55 W / m2。 期间,降雨总量为 416.5 mm,单日最
大降雨量是 169.6 mm,出现在 7月 21日。 测定臭氧
期间每天的降雨情况和平均空气湿度见图 5。
图 5摇 实验期间降雨及空气湿度
Fig.5摇 Rainfall and air humidity variation
2.1.4摇 风向
风向决定污染物向什么方向迁移,是臭氧污染
分布规律的重要驱动因素。 在测定臭氧期间,把中
国科学院生态环境研究中心每天的平均风向数据做
成雷达图(图 6),从 7月 1日到 8月 30日,在测定臭
氧期间,北京的主要风向是东南风,这样的结果是,
北京的西部山区和北部山区都介于北京城区的下
风向。
2.2摇 地表臭氧浓度变化
从北京的西北远郊山区到核心城区,再到东南
郊区,1—10 号监测地点测到的平均臭氧浓度依次
为:118. 79、 113. 87、 102. 14、 86. 72、 74. 60、 73郾 21、
64郾 06、62郾 07、56郾 07、57郾 02 滋g / m3。 从区域尺度看,
根据臭氧浓度相对高低,通过多重比较,把北京的臭
氧浓度分为红黄蓝三级,绘制臭氧浓度分布格局图
(图 7)。 北京西北部山区的臭氧浓度最高,为第玉
级(图 7 中红点);其次是中国科学院生态环境研究
中心(6号监测点)、城里的园区北京教学植物园(7
号监测点)、东南五环外大兴亦庄凉水河(8 号监测
点)等远离交通干线的区域,为第域级(图 7 中黄
点);交通干线附近区域的北四环(9、10 号监测点)
最低,为第芋级(图 7 中蓝点)。 整体而言,监测期
间,北京西部和北部山区的臭氧浓度高于平原地区;
在平原地区,公园中的臭氧浓度高于道旁绿化带;山
区的臭氧浓度平均为 105郾 39 滋g / m3,公园中为
图 6摇 实验期间北京的风向玫瑰图
Fig.6摇 Wind fields rose diagram during experimental period
0是正北方向,顺时针方向分成 16 个方向,分别是 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)
图 7摇 北京城市与区域臭氧空间格局
Fig.7 摇 The ozone distribution pattern in urban and districts
of Beijing
68郾 49 滋g / m3, 道旁绿化带为 56郾 54 滋g / m3。
2.3摇 植物伤害效应
2.3.1摇 受到臭氧伤害的植物的种类
2012年 8月份,分别在 10个臭氧监测地点方圆
3km范围内沿道路进行了线性踏勘,随机调查是否
有植物受到臭氧伤害,鉴定植物伤害特征,对确认是
1674摇 16期 摇 摇 摇 张红星摇 等:北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应 摇
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臭氧伤害的植物叶片进行拍照。 依据野外臭氧伤害
鉴定手册中记录的“森林健康专家咨询系统冶 以及
手册中刊录的图片,判断植物是否受到伤害[8]。 在
10个地点共发现受到伤害的植物 18 种,其中臭椿、
桑树、五叶地锦、榆树、金叶槐伤害特征最为明显,臭
椿、桑树出现频率最大。 在 9 号和 10 号地点周围没
有发现明显受到臭氧伤害的植物。
2.3.2摇 受伤害植物的症状
调查发现有 18种植物的臭氧伤害症状和“森林
健康专家咨询系统冶的判断标准基本一致,其伤害特
征首先表现为叶片出现均匀细密斑点,多为黄色至
褐色,特别是,伤害发生在叶脉之间,老叶比新叶伤
害症状严重,没有明显虫子和霉斑。 臭椿、桑树、五
叶地锦和鉴定手册上的症状基本一致。 各个监测地
点周围发现的臭氧伤害植物状况见表 1和图 8。
3摇 讨论与结论
3.1摇 北京城市与区域地表臭氧浓度特征
尽管被动采样方法因为系统误差的原因造成整
体上低估臭氧浓度[13],但不影响不同监测点位相对
高低的比较。 研究表明,整体上北京平原区域的臭
氧浓度低于西部、北部山区的臭氧浓度。 刘希文在
北京东北方向密云上甸子测到的臭氧浓度比海淀区
高[14],徐敬也发现密云上甸子臭氧浓度显著高于平
原区域(顺义、海淀、丰台) [15]。 不同之处是,徐敬等
的研究认为,在区域尺度上,从西南到东北方向臭氧
浓度有随输送方向升高的趋势,而本文的监测结果
表明戒台寺(监测点位 4)的臭氧浓度比位于其东北
方向的顺义奥林匹克水上运动中心(监测点位 5)
高。 原因可能是景观及地形特征影响臭氧的传输和
富集。 戒台寺周围景观为森林,其因为地形和风向
的原因成为臭氧富集区域,顺义奥林匹克水上运动
中心可能是臭氧及其前体物远程输送的路径,而非
富集场所。 北京属于东亚季风区,因为地理位置关
系,北京夏季是东南风。 有的地方可能是西南风。
又因为北京地处西风带,冬季随着气压中心的位移
形成西北风,夏季低气压中心位移大陆中心,大洋暖
湿气流与之形成对流,时而东南时而偏西风。 这样,
夏季时北京的西部、北部的山区就处于下北京城的
下风向(图 6),臭氧前体物向西部、北部远程输送,
边输送边反应,因为地形原因,最终在山地富集,形
成西部、北部山区臭氧浓度高的格局。
表 1摇 北京受到臭氧伤害的植物的种类
Table 1摇 The plants injured by ozone in Beijing
地点编号
Sites No.
照片编号
Picture No.
植物名称
Plants name
1 1鄄1 大豆 Glycine max
2 2鄄1 五叶地锦 Parthenocissus quinquefolia
2鄄2 核桃 Juglans regia
2鄄3 臭椿 Ailanthus altissima
3 3鄄1 喇叭花 Pharbitis purpurea
3鄄2 桑树 Morus alba
3鄄3 臭椿 Ailanthus altissima
3鄄4 榆树 Ulmus pumila
4 4鄄1 臭椿 Ailanthus altissima
5 5鄄1 国槐 Sophora japonica
6 6鄄1 金叶槐 Sophora japonica f. flavi鄄rameus
6鄄2 木槿 Hibiscus syriacus
6鄄3 重瓣棣棠花 Kerria japonica
6鄄4 山香 Hyptis suaveolens
6鄄5 决明 Cassia tora
6鄄6 毛白杨 Populus tomentosa
6鄄7 黄花柳 Salix caprea
7 7鄄1 大花地榆 Sanguisorba sitchensis
8 8鄄1 桑树 Morus alba
8鄄2 火炬树 Rhus typhina
9 —
10 —
摇 摇 “ —冶表示在此地点没有发现臭氧伤害的植物
山区臭氧浓度高的另外一个可能原因是平流层
臭氧向下输送。 相对于平原地区,山区海拔较高,还
原性气体较少,平流层向下输送的臭氧容易到达且
不容易被还原。 远郊山区臭氧来源如何辨析,需要
深入研究。 9、10号监测点位离交通繁忙的道路距离
较近,容易受到道路“滴定作用冶作用的影响,可能是
这两个地方臭氧浓度相对最低的原因。
3.2摇 植物伤害效应
不同植物对臭氧的敏感性不同,敏感性大小受
植物自身特性及环境因素的影响[16]。 在北京山区
和平原都发现了有典型臭氧胁迫伤害特征的植物。
值得注意的是,无论在平原还是山区,发现的受到臭
氧伤害的植物有如下特征:(1)分布在硬化道路旁
边,或向阳干旱山坡;(2)伤害多发生在孤立幼树、低
矮植物、片林边缘;(3)在林下、阴坡没有发现臭氧伤
害胁迫的植物。 高浓度臭氧和地表反射辐射特征可
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能共同作用,造成植物伤害。 气孔是臭氧进入植物
叶片的途径,孤立幼树、低矮植物、片林边缘所处硬
化地表的反射辐射可能增加植物的蒸腾作用,叶片
为了维持正常的温度被迫通过蒸腾作用降温,气孔
处于被迫开放状态,臭氧能够更多的进入叶片,引起
伤害。 不同硬化地表的反射辐射特征及其对植物气
孔的影响机制需要进一步研究。
图 8摇 臭氧伤害植物的照片
Fig.8摇 Pictures of ozone injured plants leaves
1鄄 1: 大豆 Glycine max; 2鄄1:五叶地锦 Parthenocissus quinquefolia; 2鄄2: 核桃 Juglans regia; 2鄄3:臭椿 Ailanthus altissima; 3鄄1:喇叭花 Pharbitis
purpurea ; 3鄄2: 桑树 Morus alba; 3鄄 3: 臭椿 Ailanthus altissima; 3鄄 4: 榆树 Ulmus pumila; 4鄄 1: 臭椿 Ailanthus altissima; 5鄄 1: 国槐 Sophora
japonica ; 6鄄 1: 金叶槐 Sophora japonica f. flavi鄄rameus; 6鄄 2: 木槿 Hibiscus syriacus ; 6鄄 3: 重瓣棣棠花 Kerria japonica; 6鄄 4: 山香 Hyptis
suaveolens; 6鄄5: 决明 Cassia tora; 6鄄6: 毛白杨 Populus tomentosa; 6鄄7: 黄花柳 Salix caprea; 7鄄1: 大花地榆 Sanguisorba sitchensis; 8鄄 1: 桑树
Morus alba; 8鄄2: 火炬树 Rhus typhina
摇 摇 北京大概有 437种植物,经过初步的抽样调查,
发现 18 种植物有臭氧伤害特征,达物种总数的
3郾 9%,是否有更多其他植物受到胁迫伤害,需要进
一步研究。 此外,在平原地区发现的植物种类多于
山区。 原因可能是平原地区公园中植物种类相对较
为集中,容易发现。 同时,山区温度相对较低,湿度
较高,可能能够减缓臭氧对植物叶片的伤害。
臭椿受到臭氧伤害的症状在 4 个山区监测点中
出现了 4次,在北部和西部山区都有发现;五叶地锦
出现了 2次;桑树在山区和平原 10 个监测点出现了
2次,且在平原(8号监测点)和山区(3 号监测点)都
有发现。 其他植物都出现了 1 次。 比较而言,臭椿
分布较广,伤害特征明显且易于识别,是北京的乡土
树种,可初步选为臭氧伤害的指示植物。 更多指示
植物筛选需要扩大调查范围,并通过熏蒸控制实验
确定。
3674摇 16期 摇 摇 摇 张红星摇 等:北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应 摇
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此前,万五星等对北京远郊植物的臭氧伤害进
行了初步调查[11],与万五星的研究不同,本研究将
臭氧监测和植物伤害特征鉴定结合起来,阐释臭氧
在北京城市和区域的分布特征和生态毒理效应。 本
研究臭氧植物伤害特征鉴定依据“森林健康专家咨
询系统冶,由专家团队联合做出鉴定结论,结果比较
真实。
3.3摇 结论
3.3.1摇 臭氧浓度分布规律
摇 摇 从 7月 4日到 8月 30 日,从西北前山区向城区
东南方向的 10个监测地点的平均臭氧浓度分别是:
118.79、113.87、102.14、86.72、74.60、73.21、64.06、62.
07、56.07、57.02 滋g / m3。 北京城市与区域臭氧污染
的基本格局是,北京北部、西部山区的臭氧浓度高于
平原地区,公园臭氧浓度高于道旁绿化带。
3.3.2摇 北京臭氧伤害植物的种类及分布
北京目前受到臭氧伤害的植物分布广泛,在平
原地区(北京东南郊区、核心城区、东北郊区)和西
部、北部远郊山区都有发现,共发现受到伤害胁迫的
植物 18种。 交通繁忙的交通干道绿化带没有发现
臭氧伤害植物。
3.3.3摇 北京臭氧伤害指示植物的筛选
臭椿幼树对臭氧敏感,伤害特征明显,同时又是
北京乡土树种,平原与山区均有分布,比较适合作为
北京地区臭氧风险监测的生物指示植物。
致谢: 感谢城市与区域生态重点实验室实验平台的
支持,感谢王巧环老师、付慧敏老师、李虹老师对实
验分析的帮助;感谢北京教学植物园关云飞主任,北
京市第五中学的陈梓睿同学工作的帮助。
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