全 文 ：第 34 卷第 19 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.19
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金(31000226)
收稿日期:2013鄄01鄄15; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: dhzhao@ nju.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201301150104
杨棠武,吕美婷,安树青,赵德华.城区森林与乡村森林近地层臭氧浓度的变化规律对比.生态学报,2014,34(19):5670鄄5678.
Yang T W, L俟 M T, An S Q, Zhao D H.Comparison of near鄄ground ozone concentrations between urban and rural forests.Acta Ecologica Sinica,2014,34
(19):5670鄄5678.
城区森林与乡村森林近地层臭氧浓度的变化规律对比
杨棠武,吕美婷,安树青,赵德华*
(南京大学 生命科学学院, 南京摇 210093)
摘要:在基于城乡间环境梯度而发展的以“空间代替时间冶研究陆地生态系统对全球气候变化响应的方法中,近地层臭氧的干
扰是决定“城市自然大实验场冶是否可行的最重要因素之一,但是城、乡近地层大气臭氧变化规律的研究却非常薄弱。 以位于
南京市中心的城区森林和镇江市下蜀的乡村森林为例,于 2011年 6月至 2013 年 1 月间,监测了近地层大气臭氧浓度,以及光
照、温度、湿度等的变化动态,比较了两地臭氧浓度的日变化、季节变化规律。 结果表明,城区样点与乡村样点相比,年平均气温
高 0.93 益,而相对湿度和光照强度最大值分别低 3.37%和 13108.77 lx。 说明选择的样点有很好的代表性,反映了城、乡间典型
的温湿度差异。 而臭氧浓度的监测结果表明,乡村样点年平均臭氧浓度高于城区样点,但是生长季节(夏季)两样点间的差异
不显著;城区和乡村样点一年中大于 40 nL / L的时间分别是 14%和 13.9%;两样点 AOT40的差异不显著。 结果表明,虽然大部
分时间乡村样点的近地层臭氧浓度高于城区样点,但是对研究陆地生态系统对全球气候变化响应的“城市自然大实验场冶干扰
较小。
关键词:臭氧;城乡差异;植物冠层;全球变化
Comparison of near鄄ground ozone concentrations between urban and rural forests
YANG Tangwu, L譈 Meiting, AN Shuqing, ZHAO Dehua*
School of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China
Abstract: Numerous studies have shown that ecological factor changes along the spatial gradient of urban and rural sites
have a strong similarity to the temporal gradient of global change. Therefore, based on environmental gradients between
urban and rural areas, a space鄄for鄄time substitution experiment called the “ urban nature experimental field冶 method is
developed to research the response of the terrestrial ecosystem to global climatic change. In recent related studies, the
characteristics of ecological factors in urban and rural areas were observed in many cities around the world, most of which
were focused on temperature and carbon dioxide. However, some reports showed that the disturbance from near鄄ground ozone
was one of the most influential factors in determining the effectiveness and applicability of the method. To date, little
research has been carried out to monitor and identify the spatial variation of near鄄ground ozone concentrations along the
urban鄄rural gradient. Therefore, we selected the following urban and rural forest sites: the urban site in Qingliangshan Park
near the urban center of Nanjing, and the rural site in Xiashu at 41. 7 km distance from the Nanjing city center. We
monitored near鄄ground ozone concentrations, as well as light intensity, air temperature and humidity, from June 2011 to
January 2013. We also compared diurnal and seasonal variation of ozone concentration. The results suggest that there were
significant differences of temperature, humidity and maximum light intensity between the two observation sites (P<0郾 001).
Compared to the rural forest site, the urban site had an average 0.93益 higher temperature, 3.37% lower humidity, and
13108.77 lx lower maximum light intensity. This shows typical differences of temperature and humidity between urban and
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rural sites, and implies the representativeness and appropriateness of the selection of the two monitoring sites. At the urban
site, an annual average of 19.95 nL / L in near鄄gound ozone concentration was observed, slightly less than that at the rural
site (23.24 nL / L) . The difference pattern of ozone concentration between the two sites varied seasonally. In autumn, winter
and spring, significantly higher seasonal average ozone concentrations were observed at the rural forest site, relative to the
urban site (P< 0.01). In summer, there was no difference between the two sites (P > 0.05). Relative frequencies of ozone
concentrations in excess of 40 nL / L were 14. 0% and 13. 9% at the urban and rural sites, respectively. AOT40
(accumulated ozone exposure over a threshold of 40 nL / L) values at the urban and rural forest sites were 0.968伊10 h and
1郾 259伊 10 h, respectively. There was no significant difference in AOT40 values between the two sites. Our study
demonstrated that near鄄ground ozone concentration in the rural forest was generally higher than that in the urban forest.
However, there was no significant difference during summer in the city of Nanjing, the season when plants grow vigorously
and are susceptible to damage from near鄄ground ozone concentrations. We conclude that the disturbance of plant growth from
variation of near鄄ground ozone concentrations between the urban and rural sites was negligible in the urban space鄄for鄄time
substitution experiments.
Key Words: O3; urban鄄rural variation ; plant canopy; global change
摇 摇 与乡村相比,城市在温度、湿度、CO2浓度等方面
存在显著差异[1],这种差异必将对生长在其中的植
被产生影响[1鄄4]。 目前对城市特征环境与植被间相
互关系的研究主要集中在城市污染对植被的胁迫效
应,以及城市植被生态反作用方面[1, 5鄄6]。 已有研究
表明,城乡梯度上生态因子的空间变化与全球变化
因子的时间变化间存在很强的相似性,因此,基于城
乡间的环境梯度可发展一种以空间代替时间的方法
来研究陆地生态系统对全球气候变化响应的研究方
法,即 “城市自然大实验场法冶 [7鄄8]。 Carreiro 等和
Grimm等发表专论对这一新方法的有效性进行了探
讨,肯定了这一新方法的潜在意义[7鄄9]。
为了发展这一新方法,有必要对城乡间可能影
响植物生长的环境因子进行长期的监测研究,目前
的研究主要集中在温度、CO2浓度和污染气体浓度等
方面[1, 5鄄6]。 有研究表明,导致城乡间植物生长差异
的主导因素可能是臭氧浓度,乡村臭氧浓度往往高
于城市,由于臭氧对植物生长的负作用,植物在城市
生长反而更快,而且很有可能会掩盖温度、CO2浓度
等全球变化因子对植物的作用[2, 10鄄11]。 Gregg 等在
纽约的研究表明城市杨树生长速度是郊区的两倍,
其原因是郊区的高臭氧浓度减慢了植物的生长[2]。
但是,目前有关臭氧浓度观测大都是在气象塔站(距
地面高度 15 m以上)上进行[11鄄12],观测点与森林植
物冠层相隔较远,由于植物冠层对大气环流的阻隔
作用,以及植物释放的植物源挥发性有机物 VOC 与
臭氧浓度间复杂的相互作用,导致气象塔站上测得
的臭氧浓度与近地层和植物产生直接作用的大气臭
氧浓度间存在显著差异[13鄄19],所以这些观测数据不
能直接用于“城市自然大实验场法冶的研究。 然而,
目前有关城区森林与远离城市的森林近地层臭氧浓
度的对比研究鲜有报道。
本文自 2011年 6 月至 2013 年 1 月逐月对位于
南京市中心的城区森林和镇江市下蜀的乡村森林的
近地层(高度 1.0 m)臭氧浓度进行跟踪监测,比较两
样地近地层臭氧浓度的日变化与季节变化规律,以
期为城市特征环境研究以及发展“城市自然大实验
场法冶提供理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 样点选择
由于观测样点周边的植被会对近地层臭氧浓度
产生影响[13,16],森林样点的选择尤为重要。 最终监
测的城乡森林样点间臭氧浓度差异必然是城乡大环
境差异、目标森林差异和小样点(小生境)差异共同
作用的结果。 为了提高研究的代表性,在样点的选
择方面作了严格的限制,首先,要求选择的城乡目标
森林必须具有一定规模、人类活动干扰小,而且植被
类型和土壤特征尽可能接近;其次,在目标森林选择
小样点时,要求小样点不仅能够较好的代表目标森
林的平均状况,而且城乡的 2 个小样点附近在地上
生物量、地形、盖度等方面尽可能接近。
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在综合考察样地规模、人类活动影响、植被类型
和地上生物量、地形、土壤等因素的基础上,本研究
选择了两个观测样点:南京市清凉山森林公园样点
和句容市下蜀镇乡村森林样点(图 1)。 清凉山公园
(N32毅 3忆,E118毅45忆)靠近南京市市中心,离市中心新
街口直线距 2.5 km,公园面积 0.73 km2,植被盖度约
为 85%,以 30a以上的高大乔木为主,银杏、板栗、悬
铃木、雪松为优势种;公园四周的土地利用类型以道
路、公寓住宅和写字楼为主,人口密度高,是典型的
市区环境;采样点位于公园中心偏北的山腰处,周边
相对平整,以小乔木为主。 乡村森林样点位句容市
下蜀镇(N32毅07忆,E119毅13忆),距离南京市市中心新
街口 41.7 km,采样点位于下蜀镇林场的空地中,下
蜀林场面积 3.25 km2,植被盖度 90%以上,以 30a 以
上大型乔木为主,麻栎、栓皮栎、白栎、金钱松等为优
势种;采样点位于山脚下,周边地表相对平整,以小
乔木为主。
图 1摇 城区森林与乡村森林位点图
Fig.1摇 Location of sampleing sites in urban and rural forest
1.2摇 测定方法
在两个样点,分别安置一个按照 QXT5鄄 2001 标
准制作的百叶箱,距地面 1 m,用于放置温度、湿度和
臭氧的监测仪;光照强度检测仪安装在不受遮挡的
水平面上。 温度和湿度监测采用美国 HOBO公司的
Pro V2 系列温湿度记录仪 U23鄄 001(精度依0.2)益;
光照采用美国 HOBO 公司的 UA鄄 002鄄 64;臭氧观测
系统采用用新西兰 AeroQual 公司的 Series500 臭氧
监测仪(0—100 nL / L范围内精度<8 nL / L)。
从 2011年 6月至 2013 年 1 月,对温度、湿度和
光照强度进行不间断的连续监测,数据采集时间间
隔为 5 min。 选择晴朗微风天气,进行臭氧浓度测
定,每月测定数次(2011年 12月和 2012年 1月数据
缺失),每次测定时间持续 24 h 以上,数据采集时间
间隔为 5 min。
1.3摇 数据处理及分析
利用 Excel和 SPSS18.0软件对数据进行分析和
处理。 本文的臭氧小时平均值的频度是基于臭氧小
时平均值统计的各样点不同浓度臭氧的出现频率,
臭氧浓度间隔为 1 nL / L[20]。 季节采用宋吉化的划
分方案:春季从 2 月 12 日到 5 月 7 日,共 85d;夏季
从 5月 8日到 10月 3日,共 149 d;秋季从 10月 4日
到 11月 20日,共 48 d;冬季从 11月 21日到 2 月 11
日,共 83 d[21]。 臭氧浓度平均日变化动态曲线用五
点滑动平均法进行平滑处理[22]。
本文采用 AOT40(Accumulated Ozone Exposure
over a threshold of 40 Parts Per Billion)值评估臭氧浓
度对植物的可能影响[23鄄24],AOT40 指的是臭氧浓度
超过 40 nL / L时,高于 40 nL / L部分臭氧浓度对时间
积分的结果。 城乡样点间不同月份温湿度、光照强
度差异采用双因素方差分析。 两样点间臭氧浓度日
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变化动态对比采用配对样本 T 检验。 不同样点间
AOT40 值对比采用单因素方差分析 ( One鄄Way
AVOVA)。
2摇 结果与分析
2.1摇 城乡样点近地层大气温度、湿度和光照的差异
受城市热岛效应影响,清凉山样点近地层月平
均气温在整个观测期间均高于同期的下蜀样点(图
2),年平均高 0.93 益,其中 2012 年 5 月份两样点的
差值最大,达 1.41 益;2011年 11 月份两样点的差值
最小,为 0.48 益。 与近地层气温相反,清凉山样点近
地层月平均大气湿度在整个观测期间均低于同期的
下蜀样点,年平均低 3.37%,其中,两样点相差最大
值出现在 2012年 10 月,达 6.29%,相差最小值出现
在 2011 年 11 月,为 1.61%。 与近地层大气湿度相
似,清凉山样点日光照强度最大值的月平均值在整
个观测期除 2012年 3月和 7月以外的其它月份均低
于同期的下蜀样点,年平均低13108.77lx(11.0%),
图 2摇 城市和乡村森林样点近地层大气温度、湿度和日光照最大值的月平均值
Fig.2摇 Monthly average values of near鄄surface atmospheric temperature 、 relative humidity 、daily max light intensity for urban and
suburban forest sites
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两样点最大差值出现在 2011 年 12 月, 相差
24022郾 39 lx(25.4%)。 通过双因素方差分析,样点
和月份对温度、湿度、光照强度的影响都是极显著
(P<0.001)。
2.2摇 城乡样点植物冠层内臭氧浓度的变化特征
2.2.1摇 臭氧频谱分布
清凉山样点,臭氧频度的分布总体表现为随臭
氧浓度增加而逐步减少的趋势(图 3),最大值出现
在小于 10 nL / L区域,臭氧浓度在 0—10 nL / L 之间
的相对频度为 41.0%,在 10—40 nL / L之间的相对频
率为 45.0%,而大于 40 nL / L 的频度为 14.0%,也即
清凉山样点一年中 41.0%的时间臭氧浓度小于 10
nL / L,而 14.0%的时间臭氧浓度大于 40 nL / L。 下蜀
样点,臭氧频度的分布总体表现为中间高、两边低,
臭氧浓度出现在 0—10 nL / L 之间的频度为 28.3%,
在 10—40 nL / L 之间的相对频率为 57.7%,大于 40
nL / L的频度为 13.9%。 结果表明,两个样点间臭氧
频度的分布表现出一定的差异,清凉山样点臭氧频
度低浓度(<10 nL / L)的区域分布相对较高,下蜀样
点在 10—40 nL / L 范围内分布相对较高,而两者在
高浓度(>40 nL / L)区域的频度总和则相差不大。
图 3摇 城市和乡村森林样点植物冠层内大气臭氧频度分布
Fig.3摇 Frequency distribution of inside forest canopy O3 concentration for urban and suburban sites
2.2.2摇 日变化与季节变化动态
两个样点臭氧浓度的日变化在全年均以单峰曲
线为主:最低值和最高值都分别出现在 7: 00 和
15:00左右(图 4)。 但是,日变化幅度在不同季节表
现出较大差异,春夏秋三季日变化幅度都较大,都在
20 nL / L左右,而在冬季,日变化幅度则较小,清凉山
冬季变化幅度为 7.02 nL / L,而下蜀冬季变化幅度为
9.68 nL / L。 两样点间,不同季节的日变化动态也表
现出一定的差异:春秋两季,下蜀在各个时段的臭氧
浓度均高于清凉山;而在夏季,两样点间臭氧浓度相
差较小,基本上同步变化。 在冬季,清凉山和下蜀在
夜间臭氧浓度相差不大,而在白天则下蜀高于清凉
山。 表明,两个样点臭氧浓度的日变化趋势相似,大
部分时段下蜀样点的臭氧浓度高于清凉山样点。
两样点季节平均臭氧值最大值均出现在秋季,
清凉山样点和下蜀样点秋季平均值分别为 24. 93
nL / L和 31.63 nL / L。 季节平均值最小值出现在冬
季,清凉山样点和下蜀样点冬季平均值分别为 7.82
nL / L和 11.48 nL / L。 两样点间差别最小的季节为夏
季,清凉山样点和下蜀样点夏季平均值分别为 24.47
nL / L和 24.15 nL / L。 在春季,下蜀样点高于清凉山
样点,清凉山样点和下蜀样点秋季平均值分别为
12郾 05 nL / L和 22.57 nL / L。 清凉山的臭氧年平均浓
度为 19.95 nL / L,下蜀为 23.24 nL / L。 通过配对样本
T检验,发现春季、秋季、冬季 3个季节不同样点间臭
氧浓度差异都是极显著(P<0.01),而夏季两样点间
的臭氧浓度则差异不显著(P>0.05)。
2.2.3摇 AOT40值
统计两个样点 4 个季节的 AOT40 的结果表明,
两个样点 AOT40均为夏秋较高,春冬较低。 清凉山
夏季 AOT40 为 0. 643 伊 10-6 h,下蜀夏季 AOT40 为
0郾 578伊10-6 h;冬季都为 0。 两个样点全年的 AOT40
累计值估计为 0.968伊10-6 h,1.259伊10-6 h(表 1)。
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图 4摇 城市和乡村森林植物冠层内四季臭氧日变化对比图
Fig.4摇 Average inside forest canopy Ozone concentration diurnal patterns of four season for urban and suburban forest sites
表 1摇 城市与乡村样点不同季节的植物冠层内臭氧 AOT40
Table 1摇 The inside forest canopy ozone concentrations AOT40 for urban and suburban forest sites
AOT40 / (伊10-6 h)
春 Spring 夏 Summer 秋 Autumn 冬 Winter 总 AOT40All year AOT40
清凉山 Qingliangshan 0.016 a 0.643 a 0.318 a 0.00 a 0.968
下蜀 Xiashu 0.199 a 0.578 a 0.482 a 0.00 a 1.259
摇 摇 AOT40: Accumulated Ozone Exposure over a threshold of 40 Parts Per Billion 臭氧浓度超过 40 nL / L时,高于 40 nL / L部分臭氧浓度对时间积分
的结果; 同列不同字母表示差异显著(P<0.05)
3摇 讨论
3.1摇 城乡样点臭氧浓度差异
分析植物冠层内臭氧四季的日变化发现,在 4
个季节中乡村样点的臭氧浓度都要高于城市样点,
尤其在春季和秋季,这种差别更加明显(图 4)。 这
与马志强等在北京与香河县观测到的结果类似[25]。
乡村的的臭氧浓度偏高可能是城市带有臭氧前体物
质的气团在往乡村扩散的过程中逐渐反应积累的结
果[19鄄20]。 臭氧是由在其前体物在太阳辐射下经光化
学反应生成的,本研究的光照辐射结果显示,乡村样
点的光照强度比城市平均要高 11%(图 2),这可能
也是乡村臭氧浓度高于城市的一个重要因素。 本研
究发现在四个季节中,秋季臭氧浓度平均值最高,这
与段玉森等研究类似[26]。 这可能是因为臭氧易在
高温和强光下产生,但因南方夏季降雨较多,湿度较
高(图 2)能降低臭氧浓度,所以夏季虽然有高温和
强光照(图 2)等有利于产生臭氧的条件,但臭氧总
体水平依然相对较低。 在冬季,温度、光照等条件不
利于臭氧生成,所以冬季臭氧浓度相对其它季节来
说都要低,但乡村样点相对城市依然要高。 这与
Lamaud等在法国大西洋海岸森林观察到的现象一
致,Lamaud等的研究表明在森林地区夏季植物生长
旺盛,能降低臭氧浓度,所以城市与森林相差不大,
而冬季植物休眠,则森林地区消除臭氧的能力较
弱[27]。 而城市相对而言气流扰动较大,所以臭氧浓
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度相对较低[28]。
3.2摇 植被对臭氧浓度的影响和样点的选择
植物吸收空气的同时,也能吸入臭氧,臭氧通过
植物的气孔进入植物叶片细胞间隙内,对植物会造
成伤害[29鄄30];另一方面,植物在吸收臭氧,受到臭氧
伤害的同时,也能消耗一部分臭氧,使臭氧浓度降
低。 Lamaud等在法国大西洋沿岸森林做的研究表
明植物对臭氧的吸收能够显著降低臭氧浓度[27]。
Gerosa 等在地中海的森林的研究表明,植物冠层对
臭氧浓度影响较大,植物冠层下方(2 m)比上方(18
m)臭氧浓度要低(最大值达 20 nL / L),尤其在早上
和晚上差值更大[31];Ollinger 等的研究表明,森林上
方的臭氧浓度同其下方的植物 LAI 成一定的相关
性,森林 LAI越高,O3越低[17]。 此外,除了直接的吸
收外,植物也能通过释放的 NO 和萜类等气体的中
和作用来降低大气的臭氧浓度[13]。 安俊琳等在南
京北郊监测到的臭氧浓度年平均值为 30.7 nL / L[32],
高于本实验的两个监测样点。 其原因可能就与监测
样点的选择有关:安俊琳等的监测样点设在学校的
楼顶,周边是教学生活区,而本研究的样点周围都是
植物,监测点设在植物冠层内。
近地层臭氧浓度易受植被的影响,考虑到样点
间小生境,特别是植被特征差异的影响,严格地选择
样点,以降低其可能的干扰。 除臭氧外,还监测了样
点的温度、湿度、光照等气象因子,结果表明,城市样
点呈现高温、低湿、弱光照等特点,表现出典型的城
市特征(图 2);两样点间温度、湿度和光照的结果符
合典型的城市鄄乡村环境梯度特征。 但是其差值小
于已报道的无森林覆盖地区[4]。 同样的,本实验两
样点的臭氧浓度在变化趋势上与同城的其它观测结
果相似,但是在平均值上却比他们的要低[32鄄33]。 表
明观测的城乡臭氧浓度是城乡大环境和观测样点小
生境条件共同作用的结果;由于选择的样点小生境
差异较小,样点间臭氧浓度的差别主要是由城乡间
大环境差异造成的。
3.3摇 城乡臭氧浓度差异对植被的影响
城市有着较高的温度以及 CO2浓度,因此城乡
的空间差异能用来研究全球变化的时间差异,这种
方法,即“城市自然大实验场法冶 [7鄄8],已经被广泛的
讨论,Carreiro 等和 Grimm 等对这一方法进行了肯
定[7鄄9]。 本研究的结果表明,南京的城市乡村森林间
温度存在显著差异(图 2),2011 年 6 月至 2012 年 5
月,市区的温度均高于乡村,最高高出 1.41 益,平均
高出 0.93 益。 说明城区森林环境依然受城市大环境
的影响。 此外,赵德华等在 2009 年南京的研究结果
还表明,南京市中心的 CO2浓度要比郊区白天和夜
间平均高出 55 nL / L 和 20 nL / L。 这说明南京市城
市与乡村的空间差异与全球变化的时间差异相类
似,符合“城市自然大实验场冶的要求。
然而有研究表明城乡间臭氧浓度的差别可能是
城市与乡村植物生长差别最主要的原因,且其影响
程度可能远远大于城乡间温度、CO2浓度差异对植物
的影响[2, 10鄄11]。 AOT40值被广泛用作评估臭氧对植
物生长影响大小的指标。 Fuhrer 等在 1994 年的研
究发现,臭氧超过 40nL / L的累积值(AOT40)与植物
生长之间有很好的相关性[23]。 马志强等在研究北
京及其下游地区臭氧浓度差异中发现,兴隆(郊区)
地区的臭氧浓度 AOT40春夏秋各为 23.1 伊 10-6 h 、
26.5伊10-6 h、14.1伊10-6 h,能导致对小麦的减产超过
30%[11]。 Gregg等 2006年在研究纽约城郊臭氧浓度
差别对植物生长影响时发现,郊区的 AOT40 累计值
在 5.1伊10-6 h 到 10.2伊10-6 h 之间,而城市为 1.6伊
10-6 h到 6.6伊10-6 h之间,导致郊区的杨树比城市的
生长要慢一倍[10]。 本研究表明,清凉山冠层内的
AOT40年累计值为 0. 968 伊 10-6 h,下蜀为 1郾 259 伊
10-6 h(表 1),不仅远远低于北京和纽约的监测结
果[2, 11],而且低于其它在南京的研究监测结果[32],
对植物的影响相对较小。 此外,虽然两样点间年臭
氧平均浓度相差较大,但是主要的差别来自非生长
季节,在植物生长旺盛的夏季则相差不大(图 4),且
两样点间夏季的 AOT40值差异并不显著(表 1)。 因
此,通过选择具有一定规模的森林(公园)作为研究
样点,可以有效降低样点间臭氧浓度差异对“城乡自
然大实验场法冶的干扰,提高其可行性。
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