华北平原农田生态系统臭氧通量及其气孔吸收的控制机制研究

全球近地面臭氧浓度呈现增加趋势，其对生态系统和作物的伤害（抑制作物光合作用并降低产量）可能威胁到农业的可持续发展。为了定量研究臭氧对生态系统和作物的影响，本项目拟在我国华北平原农田生态系统首次开展臭氧浓度、沉积速度和通量的观测和模拟研究工作。其研究的基本思路是：以华北平原农田冬小麦和夏玉米为主要研究对象，以目前最先进的快速响应臭氧浓度脉动仪和其他仪器所组成的涡度相关观测系统为主要研究手段，连续在农田上观测臭氧浓度、沉积速度和通量的变化。在分析臭氧浓度、沉积速度和通量日变化和季节变化规律的基础上，重点研究影响臭氧浓度、沉积速度和通量变化的主要环境和生物因子（如气象和辐射，叶面积指数等）。最后，利用观测数据并辅助于模型，区分臭氧的气孔吸收（植物叶茎）和非气孔吸收（土壤等）总量，并研究植物气孔吸收臭氧的主要控制机制，为评估臭氧对华北平原农田生态系统的影响提供科学基础和数据支持。

作为一种主要的污染气体和重要的温室气体,近地面臭氧(O3)对植物生长发育和光合作用等有副作用。基于O3通量和植物气孔吸收的评价指标被认为比基于O3浓度的指标能更好地反应O3对生态系统的影响。为了定量研究臭氧对生态系统和植被的影响，本项目以目前最先进的快速响应臭氧浓度脉动仪和其他仪器所组成的涡度相关观测系统为主要研究手段，在我国鲁西北平原（中国科学院禹城综合试验站）冬小麦和夏玉米上首次连续观测了臭氧浓度、沉积速度、臭氧通量等关键要素。结合其他环境变量，我们分析了该地区臭氧状况的变化规律，计算了作物气孔吸收比例，初步评估了臭氧对产量的影响。结果表明：冬小麦春季生长期间，O3浓度日最大值和最小值分别出现在16:00左右和7:00左右。太阳辐射强度和温度是影响影响白天O3浓度变化的最直接的因子。在臭氧浓度>60 ppb情况下, CO2通量与臭氧浓度呈现负相关关系，表明鲁西北平原O3对冬小麦光合作用影响的阈值取60ppb比较合适, 该值高于欧洲国家普遍采用的40ppb。利用欧美科学家得到的臭氧浓度-产量模型，目前的臭氧浓度水平可使得鲁西北平原冬小麦产量减少约为5.2%～ 8.8%。在夏玉米生长期间，无论白天还是夜间, O3都是向下运动的。沉积速度的日变化规律表现为夜间小而平稳、上午快速上升、中午前后大而平稳以及下午快速下降的过程。白天和夜间平均沉积速度分别为0.29 cm s–1 和0.09 cm s–1。沉积速度的数值既受作物生长期的影响, 也受太阳辐射和相对湿度的影响。臭氧通量的日最大值出现在14时左右，其与CO2通量(Fc)和潜热通量(LE)的相关关系比较显著。白天的气孔吸收是玉米地上大气O3主要的汇。用涡度相关测量臭氧通量存在较大的不确定性，不同的标定和校正方法影响最后的结果，特别是由于闭路系统造成的O3浓度脉动衰减对通量减少不可忽视。已经发表论文5篇（其中SCI论文1篇，4篇CSCD论文），另有1篇英文文章正在修改中。