全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿猿卷 第 圆猿期摇 摇 圆园员猿年 员圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究 王摇 华袁欧阳志云袁任玉芬袁等 渊苑猿圆猿冤噎噎噎噎噎噎
三疣梭子蟹增养殖过程对野生种群的遗传影响要要要以海州湾为例 董志国袁李晓英袁张庆起袁等 渊苑猿猿圆冤噎噎噎
土壤盐分对三角叶滨藜抗旱性能的影响 谭永芹袁柏新富袁侯玉平袁等 渊苑猿源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南美斑潜蝇为害对黄瓜体内 源种防御酶活性的影响 孙兴华袁周晓榕袁庞保平袁等 渊苑猿源愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物养分输入量的早期影响 肖银龙袁涂利华袁胡庭兴袁等 渊苑猿缘缘冤噎噎噎噎
茎瘤芥不同生长期植株营养特性及其与产量的关系 赵摇 欢袁李会合袁吕慧峰袁等 渊苑猿远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雷竹覆盖物分解速率及其硅含量的变化 黄张婷袁张摇 艳袁宋照亮袁等 渊苑猿苑猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渍水对油菜苗期生长及生理特性的影响 张树杰袁廖摇 星袁胡小加袁等 渊苑猿愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
广西扶绥黑叶猴的主要食源植物及其粗蛋白含量 李友邦袁丁摇 平袁黄乘明袁等 渊苑猿怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮素营养水平对膜下滴灌玉米穗位叶光合及氮代谢酶活性的影响 谷摇 岩袁胡文河袁徐百军袁等 渊苑猿怨怨冤噎噎噎
孕云韵杂对斑马鱼胚胎及仔鱼的生态毒理效应 夏继刚袁牛翠娟袁孙麓垠 渊苑源园愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
浒苔干粉末提取物对东海原甲藻和中肋骨条藻的克生作用 韩秀荣袁高摇 嵩袁侯俊妮袁等 渊苑源员苑冤噎噎噎噎噎噎
基于柑橘木虱 悦韵玉基因的捕食性天敌捕食作用评估 孟摇 翔袁欧阳革成袁载蚤葬 再怎造怎袁等 渊苑源猿园冤噎噎噎噎噎噎
健康和虫害的红松挥发物对赤松梢斑螟及其寄生蜂寄主选择行为的影响
王摇 琪袁严善春袁严俊鑫袁等 渊苑源猿苑冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
小麦蚕豆间作对蚕豆根际微生物群落功能多样性的影响及其与蚕豆枯萎病发生的关系
董摇 艳袁董摇 坤袁汤摇 利袁等 渊苑源源缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
喀斯特峰丛洼地不同生态系统的土壤肥力变化特征 于摇 扬袁杜摇 虎袁宋同清袁等 渊苑源缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估 李文静袁王摇 振袁韩清芳袁等 渊苑源远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
粉垄耕作对黄淮海北部土壤水分及其利用效率的影响 李轶冰袁逄焕成袁杨摇 雪袁等 渊苑源苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响 黄志霖袁田耀武袁肖文发袁等 渊苑源愿苑冤噎噎噎噎噎噎
基于 月孕 神经网络与 耘栽酝垣遥感数据的盐城滨海自然湿地覆被分类 肖锦成袁欧维新袁符海月 渊苑源怨远冤噎噎噎噎
寒温带针叶林土壤 悦匀源吸收对模拟大气氮沉降增加的初期响应 高文龙袁程淑兰袁方华军袁等 渊苑缘园缘冤噎噎噎噎
寒温针叶林土壤呼吸作用的时空特征 贾丙瑞袁周广胜袁蒋延玲袁等 渊苑缘员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原小麦田土壤呼吸季节和年际变化 周小平袁王效科袁张红星袁等 渊苑缘圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同排放源周边大气环境中 晕匀猿浓度动态 刘杰云袁况福虹袁唐傲寒袁等 渊苑缘猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施加秸秆和蚯蚓活动对麦田 晕圆韵排放的影响 罗天相袁胡摇 锋袁 李辉信 渊苑缘源缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于水声学方法的天目湖鱼类资源捕捞与放流的生态监测 孙明波袁谷孝鸿袁曾庆飞袁等 渊苑缘缘猿冤噎噎噎噎噎噎
应用支持向量机评价太湖富营养化状态 张成成袁沈爱春袁张晓晴袁等 渊苑缘远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
亚热带 源种森林凋落物量及其动态特征 徐旺明袁 闫文德袁李洁冰袁等 渊苑缘苑园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青蒿素对蔬菜种子发芽和幼苗生长的化感效应 白摇 祯袁黄摇 玥袁黄建国 渊苑缘苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
晕韵参与 粤酝真菌与烟草共生过程 王摇 玮袁赵方贵袁侯丽霞袁等 渊苑缘愿猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于核密度估计的动物生境适宜度制图方法 张桂铭袁朱阿兴袁杨胜天袁等 渊苑缘怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施氮方式对转基因棉花 月贼蛋白含量及产量的影响 马宗斌袁刘桂珍袁严根土袁等 渊苑远园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
未来地球要要要全球可持续性研究计划 刘源鑫袁赵文武 渊苑远员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆怨圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 兴安落叶松林景观要要要中国的寒温带针叶林属于东西伯利亚森林向南的延伸部分袁它是大兴安岭北部一带的地带
性植被类型袁一般可分为落叶针叶林和常绿针叶林两类遥 兴安落叶松林景观地下部分为棕色森林土袁中上部为灰化
棕色针叶林土袁均呈酸性反应遥 随着全球气候持续变暖袁寒温针叶林生态系统潜在的巨大碳库将可能成为大气 悦韵圆
的重要来源袁研究表明袁温度是寒温针叶林生态系统土壤呼吸作用的主要调控因子袁对温度的敏感性随纬度升高而
增加袁根系和凋落物与土壤呼吸作用表现出相似的空间变异性遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 23 期
2013年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.23
Dec.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41030744, 31170424);城市与区域生态国家重点实验室科研专项资助项目(SKLURE2008鄄1)
收稿日期:2012鄄08鄄26; 摇 摇 修订日期:2013鄄02鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zyouyang@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201208261205
王华,欧阳志云,任玉芬, 张红星, 王效科, 郜世奇, 关云飞, 高付元.基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究.生态学报,2013,
33(23):7323鄄7331.
Wang H, Ouyang Z Y, Ren Y F, Zhang H X, Wang X K, Hao S Q, Guan Y F, Gao F Y.Ozone uptake at the canopy level in Robinia pseudoacacia in
Beijing based on sap flow measurements.Acta Ecologica Sinica,2013,33(23):7323鄄7331.
基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究
王摇 华1,2,欧阳志云1,*,任玉芬1, 张红星1, 王效科1, 郜世奇3, 关云飞3, 高付元3
(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,北京摇 100085;
2. 北京市农林科学院林业果树研究所,北京摇 100093; 3. 北京教学植物园, 北京摇 100061)
摘要:全球范围内加速的城市化导致空气质量严重退化。 随着北京市建设范围不断扩大和机动汽车数量迅猛增长,空气污染日
益严重。 浓度不断增加的近地层臭氧作为影响全球气候变化的重要因素和危害人类健康、动植物生长的二次污染物,受到广泛
关注。 城市树木能够有效地去除大气污染物,进而提高空气质量。 目前已有很多研究关于区域尺度上城市树木吸收臭氧,然
而,冠层尺度上城市树木吸收臭氧特征少有研究。 因此,基于树干液流技术,结合天气变化和大气臭氧浓度分析,研究夏秋季节
北京市典型绿化树种刺槐(Robinia pseudoacacia)整树冠层吸收臭氧特征及环境影响因素。 结果表明,在日尺度上,刺槐吸收臭
氧速率变化呈单峰曲线,于 15:00左右达到峰值;夏季峰值范围较宽,秋季峰值范围较窄;中午前后累积吸收臭氧量增加最明
显。 在季节尺度上,夏季刺槐吸收臭氧速率高于秋季;夏季累积吸收臭氧量显著增加,秋季略有增加。 刺槐吸收臭氧的时间变
化规律取决于大气臭氧浓度和冠层对臭氧的导度。 臭氧浓度日变化和季节变化明显,导致刺槐吸收臭氧速率时间变化格局与
之接近。 在一定的臭氧浓度下,刺槐吸收臭氧速率的变化主要由冠层对臭氧的导度调控,进而受水汽压亏缺和总辐射的影响。
随着水汽压亏缺降低,刺槐冠层对臭氧的导度明显下降;总辐射大于 600 W / m2,冠层对臭氧的导度迅速下降。 研究树种刺槐单
位冠层投影面积上年吸收臭氧量约为 0.16 g / m2,明显低于基于模型得到的结果,表明评估森林受臭氧危害的风险应考虑树种
冠层臭氧通量。
关键词:城市树木;液流;吸收臭氧;冠层导度
Ozone uptake at the canopy level in Robinia pseudoacacia in Beijing based on sap
flow measurements
WANG Hua1,2, OUYANG Zhiyun1,*, REN Yufen1, ZHANG Hongxing1, WANG Xiaoke1, HAO Shiqi3, GUAN
Yunfei3, GAO Fuyuan3
1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 Institute of Forestry and Pomology, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100093, China
3 Beijing Teaching Botanical Garden, Beijing 100061, China
Abstract: The accelerating global urbanization caused severe air pollutions. In Beijing, the air pollution has been
exacerbated due to the wide鄄spread construction activities and increasing number of vehicles. The increasing concentration of
ozone (O3) in the troposphere has been recognized as a source of air pollution, due to its adverse effects on human health
and plant and animal growth, and its contribution to global climate change. O3 is known to impact forest trees in many ways
including morphological and histological injuries, decreasing photosynthesis, increasing respiration, and alteration of carbon
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allocation and water balance. Considerable researches have been conducted to investigate ozone uptake by urban forests at
the regional scale. On the other hand, trees are able to improve urban air quality by taking up and removing gaseous
pollutants, and the O3 uptake by urban forests at the regional scale has been extensively studied. However, research on O3
uptake by urban trees at the canopy scale is rare. The main objectives of this study are: (1) to quantify the whole鄄tree O3
uptake by Robinia pseudoacacia, one of urban greening tree species in Beijing; and (2) to examine how O3 flux in R.
pseudoacacia trees is regulated by the stomata and environmental conditions. In this study, the whole鄄tree O3 uptake in R.
pseudoacacia trees during spring and summer was estimated based on sap flow measurements and the data of micro鄄climate
and ambient O3 concentration were also collected. The diurnal ozone uptake rate (FO3) by R. pseudoacacia showed a single
peak pattern with the maximum rate occurring at around 15:00 pm. The diurnal FO3 showed a narrow peak during summer
and a wide peak during autumn. The most obvious increase in accumulated stomatal ozone flux(AFst)occurred around noon
time. FO3 showed a seasonal pattern with higher values found in summer than in autumn. The increase in AFst was most
obvious in summer than in autumn. The diurnal and seasonal patterns of O3 uptake were related to the temporal variations of
ambient air O3 concentrations and canopy conductance (GO3). Ambient air O3 concentration showed a similar diurnal and
seasonal pattern to FO3 . Under a given ambient air O3 concentrations, the whole鄄tree FO3 was dependent on canopy
conductance, and hereby was further influenced by the vapour pressure deficit (D) and total radiation (Rs). GO3 decreased
exponentially with increasing D. High D caused low GO3, and thus low FO3 in spite of relatively high ambient air O3
concentrations. On the contrary, GO3 was high under low D conditions, and thus FO3 was high in spite of relatively low
ambient air O3 concentrations. However, FO3 was relatively low under very low D conditions, such as in early mornings,
which may be attributed to the weak photosynthesis and small stomatal apertures in the early morning at this time. Moreover,
GO3 decreased rapidly with increasing Rs when Rs was higher than 600 W / m
2 . Similarly, ambient air O3 concentration
decreased with increasing Rs when Rs was higher than 800 W / m
2 . Therefore, FO3 exhibited an asymmetric single鄄peak
pattern: FO3 slightly increased with increasing Rs when Rs was below 800 W / m
2, however, it decreased rapidly with
increasing Rs when Rs was higher than 800 W / m
2 . The annual O3 uptake by R. pseudoacacia trees estimated in our study was
0.16 g / m2, which was much lower than the values estimated from the Urban Forest Effects Model. This difference suggests
the necessity to consider the O3 uptake flux on canopy level when evaluate the O3 risks on urban trees.
Key Words: urban trees; sap flow; ozone uptake; canopy conductance
近地层臭氧(O3)作为影响全球气候变化的重要因素和危害人类健康、动植物生长的二次污染物,受到广
泛关注[1鄄3]。 随着城市化进程的推进,近地层臭氧浓度迅速增加[4]。 树木是城市生态系统的重要组成部分,
可通过气孔途径和非气孔途径有效去除大气臭氧,在净化空气方面发挥着重要作用[5]。 其中,通过气孔途径
吸收是林木去除臭氧的主要途径,并与臭氧引起林木伤害密切相关[6]。 因此,城市树木吸收臭氧方面的研究
已成为目前植物生理生态学和城市生态学研究的热点。 然而,现有的大部分研究主要集中在天然林吸收臭氧
的影响机制[7鄄10],城市树木吸收臭氧的环境影响机制研究较少。
叶片尺度和生态系统尺度上森林去除臭氧的研究均有报道,但是冠层尺度上森林去除臭氧的研究很少。
树干液流技术已经广泛应用于森林水分利用研究,由于水分蒸腾和吸收臭氧通过气孔行为耦合,故基于树干
液流技术能够衡量森林冠层吸收臭氧量,这种方法考虑了边界层的影响,适用于异质性景观和山地景
观[8, 11]。 因此,结合城市环境的异质化特征,本研究采用基于树干液流的方法衡量北京市典型绿化树种刺槐
冠层吸收臭氧规律。
我国首都北京是世界上面积最大、历史最悠久的城市之一,是现代城市化的典型代表。 由于大范围建设
和机动车数量迅速增加,臭氧污染问题日趋严峻[12]。 改善空气质量一直是该城市面临的重大难题。 本文以
北京市典型绿化树种刺槐为研究对象,通过测定树干液流密度,结合环境因子监测,探索冠层尺度上刺槐吸收
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臭氧特征及其与环境因子之间的关系。 研究结果和方法可为明确环境如何影响树木吸收臭氧功能、空气质量
提高、以及城市规划提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究地点和研究对象
研究地点位于北京市南二环的北京教学植物园(116毅25忆37义 — 116毅25忆50义 E, 39毅52忆20义 — 39毅52忆28义
N),占地面积 116,500m2,周边商业区和住宅区密集,行人和机动车流量较大。 该地区属于温带半湿润大陆性
季风气候,年均气温 11—12 益,年均降水量约为 586 mm,超过 70%发生在 6—8月。
研究对象为北京市典型绿化树种刺槐,选择健康、生长环境一致的单株作为研究对象, 2009 年样树树形
测定结果为:平均胸径为(38.43 依 2.43)cm, 平均树高(12.87 依 0.20)m, 平均边材面积为(129.12 依 12.11)
cm2(表 1)。
表 1摇 测定树干液流样树的树形特征
Table 1摇 Characteristics of the sampled trees for sap flow measurements
样树
Sampled trees
胸径
DBH
/ cm
高度
Height
/ m
冠层投影面积
Ac / m2
边材面积
As / cm2
传感器方位
Orientation
of sensor
传感器数量和类型
Number and
type of sensor
刺槐 1号 R. pseudoacacia 1 41.55 12.90 78.00 144.82 东南西北 4TDP30
刺槐 2号 R. pseudoacacia 2 40.10 13.20 85.81 137.25 东南西北 4TDP30
刺槐 3号 R. pseudoacacia 3 33.65 12.50 51.95 105.30 东南西北 4TDP30
摇 摇 DBH: diameter at breast height, Ac: projected canopy area, As: sapwood area, TDP30: thermal dissipation probe at the length of 30 cm
图 1摇 刺槐边材面积与胸径之间的关系
摇 Fig.1摇 The relationship between sapwood area (As) and diameter
at breast height (DBH) for R. pseudoacacia
1.2摇 树形测定
树冠垂直投影面积采用测定东西和南北冠幅,结合
椭圆面积计算公式确定。 为避免伤害样树,于北京教学
植物园和北京林业大学鹫峰教学林场选取各个径级的
23株树木,采用生长锥钻取木芯,再用直尺测定边材厚
度,建立边材面积与胸径之间的关系式,进而反推测定
样树边材面积(图 1)。
1.3摇 树干液流密度测定
2009年 7月 1日到 2009年 10月 31日采用热消散
传感器(Dynamax, Houston, TX, USA)连续测定单位边
材面积上的瞬时树干液流密度( Js, g H2O cm
-2 s-1)。
传感器的工作原理、安装、液流密度计算以及整树蒸腾
计算方法参见文献[13鄄14]。 将传感器馈线与数据采集器
(CR1000 Dynamax, USA)连接,组成完整的树干液流测
定系统,每 10 min进行平均并储存数据,将笔记本电脑
与数据采集器连接,定期采集数据。
在树干液流密度点的测定值尺度推广到整树尺度的过程中,忽视树干液流密度的轴向和径向变异,将引
起结果的误差[15鄄16]。 为明确树干液流密度的轴向变异,Herbst等建议小树采用 1 个或者 2 个传感器,大树采
用 4个传感器[17],因而,在每株刺槐样树东南西北面各安装一个传感器。 由于刺槐样树边材厚度为 2 cm 左
右, 故树干液流密度径向变异不明显,因而,采用长度为 30mm的传感器。
1.4摇 环境因素监测
气象站位于北京教学植物园中较为开阔的一块空地上,避免树木、建筑物和其它障碍物的影响,同时距离
研究对象近。 空气温度湿度传感器(HMP45C, Vaisala Inc., Helsinki, Finland),风速风向传感器(034B, Met
5237摇 23期 摇 摇 摇 王华摇 等:基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究 摇
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One Instruments, Grants Pass, Oregon, USA)安装在高度为 10 m的标准桅杆上。 日照强度计(CMP鄄 11, Kipp
and Zonen, Delft, Netherlands)安装在高度为 1.5 m的标准桅杆上测定太阳辐射。 降雨由雨量计(TE525MM,
Campbell Scientific Inc., Logan, UT)在地面以上 2 m 以下高度测定。 土壤温度传感器 ( 109, Campbell
Scientific Inc., Logan, UT)埋设深度为 10、30、50 cm和 80 cm。 土壤含水量传感器(ECH2O, Decagon Devices
Inc., Pullman, WA, USA)埋设位于研究树木之间,深度为 30 cm。 水汽压亏缺是由大气温度和空气相对湿度
计算得到[18]。 上述气象和土壤参数监测与树干液流测定同步。
大气臭氧浓度采用 TEI Model 49i 气体分析仪( Thermo Environmental Instruments Inc., Franklin, MA,
USA)监测。 臭氧监测仪器距离研究对象近,每小时记录一个浓度值。
1.5摇 冠层导度计算
城市树木冠层开放,通风好,空气动力学粗糙,表明冠层表面与大气之间耦合度强[19]。 因此,研究树种刺
槐的整树冠层导度(Gc, mmol H2O·m
-2·s-1)计算公式如下[20]:
Gc = (Ec籽GVTa) / D (1)
式中,Ec是冠层蒸腾,将树干液流密度乘以边材面积再除以冠层投影面积得到[13]; 籽 是水的密度 ( 998
kg / m3);GV是水蒸气的通用气体常数(0.462 m3 kPa K
-1 kg-1);Ta是大气温度;D 是水汽压亏缺(kPa)。 参考
Granier等人的建议[21],基于如下原则选择树干液流密度数据计算冠层导度:1)去除降雨或者降雨以后 2h 的
数据,从而避免蒸散和树木蒸腾之间不一致;2)去除总辐射、水汽压亏缺、或者林段蒸腾非常低的数据(小于
最大值的 5%),因为在这些条件下计算冠层导度的不确定性较大。
Gc对水汽压亏缺(D)和总辐射(Rs)的响应规律通过边界线分析得到[22鄄23],采用不同 D(步长 0.2 kPa)或
者 Rs(步长 50 W / m2)等级下 3株样树的最大冠层导度。 采用如下公式描述 Gc响应 D变化[19]:
Gc = - mln(D) + b (2)
式中,参数-m为回归方程斜率,量化了气孔导度响应 D 变化的敏感度;参数 b 为回归方程截距,为 D = 1 kPa
的参比冠层导度。 采用 Sigma鄄Plot 10.0软件(Systat Software Inc., San Jose, California)的最小二乘回归确定 m
和 b。 上述 Gc和 ln(D) 之间的关系式为各样树之间的比较提供了简便的基准。
1.6摇 整树冠层吸收臭氧速率计算
叶肉中臭氧浓度近乎为 0[24],因此,可以根据如下通量公式计算冠层吸收臭氧速率:
FO3 =[O3]Gc0.613 (3)
式中,FO3是单位冠层投影面积的冠层吸收臭氧速率,[O3]是大气臭氧浓度,Gc是冠层对水蒸气的导度,0.613
是转换系数,代表大气中臭氧和水蒸气扩散系数比[7, 25]。
2摇 结果
2.1摇 刺槐吸收臭氧的日变化规律
夏季晴天天气条件下,大气臭氧浓度随着总辐射增大逐渐上升,于 15:00 左右达到峰值,之后开始下降;
刺槐冠层对臭氧的导度上午达到峰值,之后迅速下降;刺槐吸收臭氧速率呈单峰曲线,于 15:00左右达到最大
值,峰值范围较窄,尽管上午冠层对臭氧的导度最高,但由于臭氧浓度很低,故上午刺槐吸收臭氧速率并没有
达到最大值;刺槐吸收臭氧累积量不断增加,中午前后增加最明显,夜间随着臭氧浓度降低和气孔关闭,其吸
收臭氧累积量变化不大(图 2)。
秋季晴天天气条件下,总辐射和水汽压亏缺明显减少,进而大气臭氧浓度也降低;刺槐冠层对臭氧的导度
明显降低,且下午刺槐冠层对臭氧的导度响应水汽压亏缺下降而减少的幅度较小;刺槐吸收臭氧速率呈单峰
曲线,峰值范围较宽;刺槐冠层吸收臭氧累积量明显减少,中午前后增加最明显,且从傍晚开始保持较为稳定
的状态(图 2)。
2.2摇 刺槐吸收臭氧的季节变化规律
大气臭氧浓度、刺槐冠层对臭氧的导度、吸收臭氧速率日均值以及吸收臭氧累积量的季节变化规律如图
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图 2摇 夏(2009年 7月 18日)秋(2009年 10月 4日)季节晴天天气下总辐射(Rs)、水汽压亏缺(D)、大气臭氧浓度(O3)、刺槐冠层对臭氧的
导度(GO3)、吸收臭氧速率的日变化(FO3)以及吸收臭氧累积量(AFst)
Fig.2摇 Diurnal course of total radiation (Rs), vapour pressure deficit (D); ambient O3 concentration (middle) and canopy conductance
for ozone (GO3); canopy O3 uptake rate (FO3) and cumulative O3 uptake (AFst) in R.pseudoacacia on clear days in the summer (18
th July
2009, left) and the autumn (4th October 2009, right)
3所示。 臭氧浓度日均值季节变化明显,夏季出现最大值 146.4 滋g / m3,秋季出现最小值 1.5 滋g / m3。 夏秋季
节刺槐冠层对臭氧的导度和吸收臭氧速率日均值波动较大,阴雨天气条件下冠层对臭氧的导度和吸收臭氧速
率较低,而晴天天气条件下冠层对臭氧的导度和吸收臭氧速率较高;然而,从总体趋势上看,刺槐冠层对臭氧
的导度和吸收臭氧速率从夏季到秋季逐渐降低,可见,刺槐吸收臭氧速率的日变化与季节变化规律交叠。 刺
槐吸收臭氧累积量夏季显著增加,秋季略有增加。
2.3摇 总辐射和水汽压亏缺对刺槐吸收臭氧的影响
刺槐冠层吸收臭氧速率日变化规律与大气臭氧浓度日变化规律相似(图 2)。 在一定的臭氧浓度下,刺槐
冠层吸收臭氧速率的变化主要由冠层对臭氧的导度调控,进而受水汽压亏缺和总辐射影响(图 4)。 3 株刺槐
样树冠层对臭氧的导度接近,且对水汽压亏缺和总辐射的响应方式相似(图 4)。
7237摇 23期 摇 摇 摇 王华摇 等:基于树干液流技术的北京市刺槐冠层吸收臭氧特征研究 摇
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图 3摇 2009年 7月 1日到 2009年 10月 31大气臭氧浓度(O3)、刺槐冠层对臭氧的导度(GO3)、吸收臭氧速率(FO3)的日均值以及吸收臭氧
累积量(AFst)的时间变化规律
Fig.3摇 Temporal changes of daily mean ambient ozone concentration (O3), canopy conductance for ozone (GO3), canopy O3 uptake rate
(FO3), and accumulative O3 uptake (AFst) of R.pseudoacacia trees from 1
st July, 2009 to 31th October, 2009
水汽压亏缺较高的条件下,臭氧浓度较高,但刺槐冠层对臭氧的导度降低,进而导致冠层吸收臭氧速率降
低;水汽压亏缺较低的条件下,刺槐冠层对臭氧的导度很高,故在臭氧浓度较低的条件下,冠层吸收臭氧速率
较高;水汽压亏缺很小的条件下,刺槐冠层吸收臭氧速率略降,可能是由于早晨光合作用较弱,气孔开度较小
(图 4)。
随着总辐射上升,臭氧浓度增加,当总辐射大于 800 W / m2,臭氧浓度显著降低。 当总辐射小于 600 W /
m2,刺槐冠层对臭氧的导度变化很小;当总辐射大于 600 W / m2,刺槐冠层对臭氧的导度迅速下降,这个时候
气孔可能达到了光饱和。 因此,受臭氧浓度和冠层对臭氧的导度的双重影响,刺槐冠层吸收臭氧速率呈不对
称单峰格局:当总辐射小于 800 W / m2,随总辐射增强,刺槐冠层吸收臭氧速率略有增加;当总辐射在 800 W /
m2左右时,冠层吸收臭氧速率达到峰值,之后迅速下降(图 4)。
3摇 讨论
3.1摇 刺槐整树冠层吸收臭氧特征
北京市典型绿化树种刺槐整树冠层吸收臭氧速率夏季高于秋季,与夏季大气温度、辐射、臭氧浓度等较高
有关,这与高海拔地区成年挪威云杉(Picea abies)、瑞士五叶松(Pinus cembra)和欧洲落叶松(Larix decidua)吸
收臭氧速率的季节变化规律一致[8]。 与上述研究不一致,加那利群岛松林吸收臭氧速率季节变化不大,可能
是如下原因导致:首先,当空气和土壤干旱时,在浓雾对空气湿度的影响和松林根系能获取土壤深层水分的联
合作用下,松林吸收臭氧速率降低不显著[26, 27]。 其次,由于地处低纬度和冷洋流中,该群岛气候季节变化不
大。 最后,群岛的经济长期以农业为主,大城市很少,故污染源少。
北京市典型绿化树种刺槐单位冠层投影面积上年吸收臭氧量约为 0.16 g / m2(例如,3 株样树单位冠层投
影面积上月均吸收臭氧量 0.57 mmol·m-2·月-1伊6个月伊 48 g / mol衣 1000 = 0.16 g / m2),明显低于模型得到的
结果[5, 28]。 采用城市森林影响模型,Nowak和 Dwyer[5]总结美国城市森林年均去除污染物量为 9.3 g / m2,变
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图 4摇 2009年 7月 1日到 2009年 10月 31日大气臭氧浓度(O3)、刺槐冠层对臭氧的导度(GO3)、吸收臭氧速率(FO3)对水汽压亏缺(D)和
总辐射(Rs)的响应规律
Fig.4摇 Means of ambient air ozone concentration (O3 ), canopy conductance for ozone (GO3 ), and canopy O3 uptake rate (FO3 ) in
relation to vapour pressure deficit (D) and total radiation (Rs) from 1st July, 2009 to 31th October, 2009
图中符号表示在不同的 D和 Rs下 3株样树冠层对臭氧导度最大值进行边界线分析的结果
化范围为 6.6—12.0 g / m2,臭氧占污染物比率为 31.8%,因此其去除臭氧量约为 2.96 g / m2(例如,9.3 g / m2 伊
31郾 8% = 2.96 g / m2)。 采用同样的模型,北京城市森林去除污染物量较高(27.5 g / m2),臭氧占污染物比率为
20%,因此其去除臭氧量约为 5.50 g / m2[28]。 野外观测数据得到的结果和模型方法得到结果区别较大,可能是
如下原因导致。 首先,基于树干液流的方法确定的是气孔吸收臭氧量,而模型方法确定的是干沉降值,包括气
孔吸收量和树木非蒸腾表面吸附量。 其次,模型方法得到的结果为森林去除污染物量的粗略估计,需要在如
下几个方面调整参数以提高模型的准确度:模型产生结果的不确定性分析;测定树木个体去除污染物以改进
模型的假设鄄树木处于相同层次;准确模拟大气污染物浓度及其与地点、城市森林的面积和树种组成之间的关
系[28]。 再次,老树较低的水力导度限制其光合速率[29],研究对象刺槐树龄超过 100 a,因而推断其气孔导度
明显降低,进而导致冠层吸收臭氧速率较低。 最后,近年来北京市空气质量逐渐改善,大气臭氧浓度有所降
低。 两种方法得到结果的区别表明:评估森林受臭氧危害的风险应考虑各树种冠层臭氧通量。
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3.2摇 刺槐整树冠层吸收臭氧的环境调控
城市典型绿化树种刺槐整树冠层吸收臭氧特征受臭氧浓度和冠层导度的共同影响。 本研究地点臭氧浓
度季节变化显著,夏季较高,秋季较低。 在一定程度上,这导致了研究树种刺槐冠层吸收臭氧速率的季节变化
规律与臭氧浓度的变化规律相似(图 3)。 在一定的臭氧浓度下,气孔导度是整树吸收臭氧速率的关键限制因
子,进而受微气候、树龄、海拔等因素影响[7, 25]。 与上述研究一致,刺槐整树冠层对臭氧的导度主要受水汽压
亏缺和总辐射影响(图 4)。 低辐射条件下刺槐保持一定的吸收臭氧速率,可能由于夜间、凌晨或者阴雨天气
条件下气孔保持部分开放。 很多研究表明某些植物夜间气孔开放,保持一定速率的蒸腾[30]。 城市环境中较
高的空气温度与较低的平均风速,可能诱导植物气孔增大开度。 因此,城市环境下刺槐吸收臭氧速率可能高
于自然环境下刺槐吸收臭氧速率。
3.3摇 冠层尺度上城市树木吸收臭氧研究方法
量化树木吸收臭氧的方法包括叶片水平上的气体交换法和冠层尺度上的涡度相关法、模型、基于树干液
流的方法。 气体交换法测定叶片吸收臭氧量,但是忽视了边界层的影响[31]。 涡度相关技术测定冠层臭氧沉
降量,但是无法区分气孔吸收臭氧与树木表面吸附臭氧[32]。 模型则需要根据当地环境以及植被的特点对模
型参数化[33]。 基于树干液流的方法考虑了边界层的影响,适用于异质性景观和山地景观[7]。
由于城市环境突出的异质性特征,如何选择适合的方法研究城市树木吸收臭氧的一个难点。 目前,城市
林木吸收臭氧速率主要采用整合植被、气象和大气臭氧浓度信息的模型模拟的方法[28]。 此类研究能反映区
域尺度上城市树木去除臭氧速率,但是不能反映树木直接吸收臭氧量,也无法进行种间比较。 为解决上述问
题,根据树木吸收臭氧和蒸腾作用通过气孔行为耦合,提出基于树干液流技术和大气臭氧浓度监测确定城市
树木整树吸收臭氧速率方法,为衡量城市林木吸收臭氧及其它痕量气体,以及评价城市树木受臭氧危害的风
险等提供了准确可行的方法。
致谢:野外试验获得北京城市生态系统研究站和北京市教学植物园的支持,中国科学院地理科学与资源研究
所熊燕梅博士对本文写作给予帮助,特此致谢。
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耘枣枣藻糟贼泽 燥枣 凿藻藻责 增藻则贼蚤糟葬造造赠 则燥贼葬则赠 贼蚤造造葬早藻 燥灶 泽燥蚤造 憎葬贼藻则 葬灶凿 憎葬贼藻则 怎泽藻 藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠 蚤灶 灶燥则贼澡藻则灶 悦澡蚤灶葬忆泽 匀怎葬灶早鄄澡怎葬蚤鄄澡葬蚤 砸藻早蚤燥灶
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载陨粤韵 允蚤灶糟澡藻灶早袁 韵哉 宰藻蚤曾蚤灶袁 云哉 匀葬蚤赠怎藻 渊苑源怨远冤
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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本期责任副主编摇 王德利摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
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