南京秋季裸地臭氧干沉降通量观测及土壤阻力模拟

利用涡度相关系统配合快速臭氧浓度脉动仪在南京地区裸地上观测臭氧浓度及沉降通量,分析臭氧浓度、沉降通量与气象条件的相关性,揭示沉降通量和速率的变化特征,利用模拟的土壤阻力计算臭氧沉降通量和速率并与观测结果进行对比.结果表明: 2015年9月25日至10月28日,臭氧浓度日变化呈单峰型分布,并且因辐射的增强而升高.秋季裸地臭氧沉积通量主要受臭氧浓度影响,平均日变化-31.4～-156.8 ng·s^-1·m^-2(负号表示方向向下).因裸地无植被的缓冲作用,臭氧沉降通量受环境因素影响更为明显.臭氧沉降速率为0.09～0.30 cm·s^-1.臭氧在大气传输中湍流交换起主要作用,裸地臭氧干沉降的下垫面条件尤为重要,土壤阻力(R_s)随相对湿度(RH)的增加呈指数上升,其关系模型为R_s=89.981e^0.0246RH,模拟的臭氧通量和沉积速率与观测的通量和速率的一致性较好.     

大气氮沉降通量观测方法

工农业的发展引起含氮化合物排放量日益增多,导致大气向地面输入的沉降量相应增加。大气氮沉降是自然生态系统重要的氮素来源,沉降量的增加必然会对生态系统的生物地球化学循环产生干扰。针对大气氮沉降组成复杂、时空变异性大、观测的技术方法不统一、研究结果之间可比较性差等关键科学问题,本文从大气氮沉降来源和组成出发,综述了过去几十年来国内外大气氮素干湿沉降在观测方法和测试手段方面的重要进展,详细描述了传统雨量计收集法、降水降尘仪法、阴阳离子交换树脂法、降尘缸收集法和沉降速率法等干、湿沉降观测方法的原理,对比不同方法存在的优点与不足;简要对比了国内外大气干、湿沉降通量状况,提供了大气氮沉降区域分布格局方面的量化信息;初步阐明了大气氮沉降观测研究的理论基础和观测原理,为对比分析不同观测方法获得的观测结果提供定性参考,并为不同生态系统氮沉降研究选择合理的观测方法提供理论依据。     

胶州湾大气活性硅酸盐干沉降特征及其生态效应

大气沉降作为陆源物质输送入海的重要途径之一,已成为国际上大气科学、海洋科学与环境科学交叉研究的热点之一。大气中的生源要素沉降入海后可能会对海洋生态系统产生重要影响。基于此,选择我国北方的一个典型海湾——胶州湾,采集了为期一年(2015年6月至2016年5月)的气溶胶总悬浮颗粒物(TSP, Total Suspended Particulate)和干沉降样品,测定了其中活性硅酸盐(SiO₃-Si, Reactive Silicate)的含量,在此基础上分析了大气中SiO₃-Si的浓度、干沉降通量和干沉降速率(V_d, Dry Deposition Velocity),并初步评估了其沉降入海的生态效应。结果表明:胶州湾大气TSP中SiO₃-Si的年均浓度为(1.98±1.22) nmol/m³,呈夏秋季低,冬春季高的显著季节分布特征。大气SiO₃-Si浓度由青岛沿岸至黄、东海呈明显下降梯度,结合相关性分析,表明亚洲沙尘的远距离传输和矿物尘土再悬浮是中国东部陆架边...     

红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究

在江西（鹰潭）红壤典型地区农田下垫面上进行大气SO2、硫酸盐（SO4^2-）的浓度采样,利用阻力模式计算SO2和SO4^2-的干沉降速度,估算大气S输入农田生态系统的干沉降通量,结果表明,农田下热垫面上SO2和SO4^2-干沉降速度的平均值分别是0．43、0．23cm.s^-1,干沉降速率具有明显的日变化特征,一般白天大于夜间,午后出现最大值,大气S输入农田生态系统的半年干沉降通量为6．7g.m^-2。     

胶州湾生源要素的大气沉降及其生态效应研究进展

作为受人类活动影响显著的典型半封闭海湾,胶州湾生源要素的大气沉降研究在揭示人为污染物质排放对海湾生态系统影响方面具有典型性.从大气干/湿沉降生源要素的研究方法、通量及其影响因素、入海生态效应3个方面入手,系统总结了胶州湾生源要素大气干、湿沉降及其生态效应的研究进展:1)与国内外有关海湾、河口和边缘海相比,胶州湾大气干、湿沉降氮的浓度和通量都较高,溶解无机氮(DIN)是其主要组分,溶解有机氮(DON)占总溶解态氮(TDN)含量的22%～31%,而P和Si的浓度和沉降通量都很低.2) (NO₃^--N+NO₂^--N)的大气沉降量比陆源输入量略高,而NH₄⁺-N、PO₄^3--P以及SiO₃^2--Si的大气沉降量所占比例很低.3)大气总悬浮颗粒物(TSP)浓度、排放源强度、降水量以及气象条件是影响胶州湾大气沉降生源要素的主要因素.4)大气沉降的生源要素可促进胶州湾初级生产力的提高和改变表层海水的营养盐结构,进而导致浮游植物群落结构的改变和优势种由硅藻向甲藻的演替,从而对胶州湾生态系统产生重要影响.对今后的研究提出建议:1)建设胶州湾大气干/湿沉降监测网;2)精确量化不同形态和粒径生源要素颗粒的干沉降速率;3)量化大气沉降生源要素入海的生态效应,并深入剖析其生物地球化学机制;4)甄别大气沉降生源要素通过间接方式入海的机制、通量及影响因素.深入研究胶州湾生源要素的大气沉降,对阐明人类活动对海湾生态系统的影响有积极意义,也有助于加深对陆架边缘海生源要素生物地球化学循环过程的理解.     

中国南方典型地区油-稻轮作条件下大气SO2干沉降速率动态变化

以1998年11月～1999年10月中国科学院红壤生态试验站农田小气候观测站气象梯度资料(温度、风速、气压),计算近地面湍流特征参数(u^*、θ^*、L),然后采样阻力模式计算SO2干沉降速率(Vd)。研究了该地油-稻轮作条件下大气SO₂干沉降Vd动态变化．结果表明,一年中大气SO2干沉降Vd时平均年均值为0．124～0．897cm·s^-1(mean±SE=0．507±0．167cm·s^-1)．一年中大气SO2干沉降Vd存在如下规律性：白天>晚上．3～8月份SO2Vd平均值(0．611cm·s^-1)大于9～12、1～2月份SO2Vd平均值(0．401cm·s^-1)．水稻生长期间(0．605±0．093cm·s^-1)>油菜(0．491±0．166cm·s^-1)>休闲(0．342±0．174cm·s^-1)．     

红壤典型地区大气硫输入的干沉降通量研究——以江西红壤站为例

在江西(鹰潭)红壤典型地区农田下垫面上进行大气SO₂、硫酸盐(SO₄^2-)的浓度采样,利用阻力模式计算SO₂和SO₄^2-的干沉降速度,估算大气S输入农田生态系统的干沉降通量.结果表明,农田下垫面上SO₂和SO₄^2-干沉降速度的平均值分别是0.3、0.23cm·s^-1.干沉降速度具有明显的日变化特征,一般白天大于夜间,午后出现最大值.大气S输入农田生态系统的半年干沉降通量为6.7g·m^-2.     

九龙江流域大气氮干沉降

对九龙江流域10个站位的大气氮干沉降量进行为期1a的连续观测。利用专用降尘缸湿法收集大气沉降氮,在获取各月氮组分浓度和相应水样体积后,求得各月氮沉降速率,再将各月数值相加得到全年的大气氮干沉降量。结果表明,九龙江流域大气氮干沉降表现出一定的时空差异性,总氮沉降量为3·41~7·63kgN/(hm2·a),铵氮为1·02~3·00kgN/(hm2·a),硝氮为0·76~1·76kgN/(hm2·a)。干沉降中氮的3种主要形态铵氮、硝氮与有机氮分别占总沉降量的31%、24%和45%。中游漳州地区的大气氮干沉降总量较大。上游龙岩地区与中游漳州地区具有较高的铵氮沉降量,硝态氮在上下游间无明显变化,而有机氮沉降量在中下游地区较高。在时间尺度上,大气氮干沉降呈现出夏秋两季比春冬两季略高的总体趋势,季节性差异显著(p<0·05)。大气氮干沉降时空差异主要与氮排放量和气象条件有关。     

中国南方典型地区油-稻轮作条件下大气SO2干沉降速率动态变化

以1998年11月～1999年10月中国科学院红壤生态试验站农田小气候观测站气象梯度资料(温度、风速、气压),计算近地面湍流特征参数(u^*、θ^*、L),然后采样阻力模式计算SO₂干沉降速率(V_d),研究了该地油-稻轮作条件下大气SO₂干沉降V_d动态变化。结果表明,一年中大气SO₂于沉降V_d时平均年均值0.124～0.897cm·s^-1(mean±SE=0.507±0.167cm·s^-1).一年中大气SO₂干沉降V_d存在如下规律性:白天>晚上。3～8月份SO₂V_d平均值(0.611cm·s^-1大于9～12、1～2月份SO₂V_d平均值(0.401cm·s^-1)。水稻生长期间(0.605±0.093cm·s^-1)>油菜(0.491±0.166cm·s^-1)>休闲(0.342±0.174cm·s^-1)。     

陆地生态系统臭氧通量观测和气孔吸收估算研究进展

近地面大气中臭氧(O3)对植物生长发育和产量会产生不良影响。工业和交通排放的增加使得全球地面O3浓度逐年增加,不断升高的O3浓度已开始影响到我国的粮食产量。O3对植物的影响是由于其进入植物体内发生生化反应所引起的,所以需要建立一种考虑到植物生理生态状况的评估指标来评估O3对植物的影响。其中基于O3通量(特别是植物气孔吸收)的评价指标和方法,被认为比传统的基于O3浓度的评价指标和方法更符合O3对植物的影响机理。介绍了O3对生态系统影响评估方法和评价指标,重点评述了生态系统尺度O3通量观测和气孔吸收估算的主要方法以及在不同生态系统上的研究进展分析了我国关于O3对植物和生态系统影响的研究现状,并对未来的研究工作进行了展望。     

Characteristics and partitioning of ozone dry deposition measured by eddy-covariance technology in a winter wheat field

Aims Anthropogenic pollutants cause an increase in ground-level ozone concentration, which is a known threat to plant growth and yield and has been extensively observed worldwide. Since ozone is only slightly soluble in water, it is deposited mainly through dry deposition in terrestrial ecosystem. The object of this study was to analyze the characteristics of ozone dry deposition and to estimate the contribution of stomatal and non-stomatal ozone deposition pathways to total ozone deposition in a winter wheat field.Methods The research site was a winter wheat (Triticum aestivum) field located in Yongfeng experimental station of Nanjing University of Information Science & Technology. The data used in this study were collected from March 16, 2016 to May 30, 2016. We observed ozone dry deposition with an eddy-covariance system. This system mainly included a 3D sonic anemometer, an open-path infrared absorption spectrometer, a fast-response ozone chemiluminescent analyzer and a slow-response ozone monitor. We simultaneously measured meteorological data including solar radiation (SR), air temperature (T), air relativity humidity (RH), wind speed, net radiation, and rainfall. All raw data were recorded with data-logger and averaged every 30 min.Important findings Half hourly means of ozone concentrations (C_O3), ozone flux (F_O3) and ozone dry deposition velocity (V_d) in the winter wheat field were 32.9 nL·L^-1, -5.09 nmol·m^-2·s^-1, 0.39 cm·s^-1, and the ranges of them were 16-58 nL·L^-1, -2.9- -11.7 nmol·m^-2·s^-1, 0.17-0.63 cm·s^-1, respectively. F_O3 and C_O3/V_d were found to be mismatched with phase peaks occurring at different time intervals. The ecosystem was more effective on ozone dry deposition, under conditions of moderate to high SR (SR ≥ 400 W·m^-2), moderate T and humility (T = 18 °C and RH > 40%). The relationship between V_dmax and SR was this function (y = 1.06 -exp (-0.0094 - x)). V_dmax increased with SR When SR < 400 W·m^-2, and V_dmax reached its maximum when SR =400 W·m^-2. V_dmax maintained its maximum when SR ≥ 400 W·m^-2. The relationship between V_dmax and T was “bell” curve (y = 1.06 - (x - 18)²/169). V_dmax reached its maximum when T = 18 °C. V_dmax decreased with RH when RH < 40 % (y = 0.030x - 0.106). The variation of V_d might uncertainty when RH was high. There was a liner positive relationship between friction velocity (u*) and V_d, but this relationship was not significant. The mean day-to-day and daytime contributions of stomatal and non-stomatal ozone deposition pathway to total ozone deposition were 32%, 68% and 42%, 58%, respectively, during the whole experimental period.     

基于气孔导度和臭氧吸收模型的冬小麦干物质累积损失评估

为深入了解地表臭氧(O3)增加对冬小麦的伤害,利用开顶式气室(OTC)开展了大田试验,综合分析了不同生育期温度、光照、水汽压差等环境变量的变化,以及生育期差异和O3胁迫的影响,利用Pleijel等2007年修正的Jarvis型气孔导度阶乘模型,计算了冬小麦气孔导度的变化,并与冬小麦扬花期测定的日气孔导度变化进行了比较,表明该模型适用于本地O3增加对冬小麦影响的评估。同时,根据O3吸收通量模型,计算冬小麦的O3日吸收通量大于6nmol.m-2全生育期的累积吸收通量AFst06,并建立其与冬小麦全生育期干物质累积损失响应的关系模型,分析结果表明,在整个O3熏期期间的150nL.L-1和100 nL.L-1处理的AFst06与冬小麦不同生育期的干物质累积相对值的决定系数分别为0.91和0.93(P0.01),存在显著的相关关系,当AFst06增加10mmol.m-2,150nL.L-1和100nL.L-1处理组与对照相比,其干物质累积分别损失16.41%和13.23%。此外,讨论了O3胁迫下不同评估方法的优劣和通量响应评估模型的优势,以及不同水汽压差(VPD)等环境条件对气孔导度和O3吸收通量的影响。     

臭氧胁迫下冬小麦物质生产与分配的数值模拟

利用ML9810B型臭氧监测分析仪,测定了浙江嘉兴麦田空气O3浓度,并通过改进的开顶式气室实验确定O3浓度变化对冬小麦叶片光合速率的影响函数.在此基础上,加入O3对叶片生长和穗部光合影响的模拟函数,建立反映O3对冬小麦生长和产量形成影响的作物模型.模型的检验结果表明,该模型较好地反映了O3对冬小麦生长的影响,生物量平均相对误差为10.3%.对冬小麦春后生育期(3—5月)的研究表明,水肥适宜时,由O3影响造成的该地区冬小麦干物质累积总损失量为11.4%,产量损失为17.8%.     

臭氧对冬小麦叶片膜保护系统的影响

通过开顶式气室（ＯＴＣｓ）研究臭氧对冬小麦不同发育时期（抗节期、抽穗期、灌浆期）的叶片膜保护系统的影响。实验结果表明,在自氧胁迫下,小麦叶片叶绿素ａ、ｂ含量明显下降,膜透性增加、丙二醛（ＭＤＡ）含量上升,过氧化氢酶（ＣＡＴ）活性开始上升后转为逐渐下降,过氧化特（ＰＯＤ）活性逐渐或急剧上升。臭氧诱导了活怀氧生成,影响了抗氧化酶的活性,造成活性氧产生和清除之间的不平衡,促进了膜脂过氧化,对叶片膜保护系     

鲁西北平原冬小麦田臭氧浓度变化特征及对产量的潜在影响和机理分析

近地层高浓度臭氧(O₃)对农作物生长和产量形成有明显的影响。利用在中国科学院禹城综合试验站(山东省)冬小麦(Triticum aestivum)农田生态系统上观测的O₃浓度及微气象资料, 分析了鲁西北平原冬小麦农田生态系统O₃浓度的日变化和季节变化规律, 在此基础上初步分析了O₃浓度与CO₂通量(F_c)的关系, 并用欧洲和美国科学家在实验室得到的O₃浓度-冬小麦产量关系模型估算了O₃对冬小麦产量的潜在影响。结果表明: O₃浓度存在明显的日变化规律, 日最小值和最大值分别出现在7:00和16:00左右。整个观测期间(2011年3-5月)平均O₃浓度为(30.4 ± 20.1) nL·L ^-1(平均值±标准误差); 30 min平均浓度的最大值为93.1 nL·L ^-1。在冬小麦春季生长季节, O₃浓度日平均值呈现逐步增加的趋势, O₃浓度日均增加约为0.17 nL·L ^-1·d ^-1; 白天7 h和12 h平均浓度(M7和M12)分别为45.7和43.1 nL·L ^-1; O₃浓度超过40 nL·L ^-1的3个月累积值(AOT40)为9.8 μL·L ^-1·h; 超过60 nL·L ^-1的O₃浓度累积值(SUM06)为12.6 μL·L ^-1·h; 经过权重修正的O₃污染指标W126为10.1 μL·L ^-1·h。在高浓度O₃ (>60 nL·L ^-1)情况下, CO₂通量与O₃浓度呈现负相关关系, 鲁西北平原O₃对冬小麦光合作用影响的阈值取60 nL·L ^-1比较合适, 该值高于欧洲国家普遍采用的40 nL·L ^-1。基于以上结果, 初步估算得出: 在目前的O₃浓度水平下, 鲁西北平原近地层O₃可能会使冬小麦产量减少5.2%-8.8%。     

Differential responses in two varieties of winter wheat to elevated ozone concentration under fully open‐air field conditions

Two modern cultivars [Yangmai16 (Y16) and Yangfumai 2 (Y2)] of winter wheat (Triticum aestivum L.) with almost identical phenology were investigated to determine the impacts of elevated ozone concentration (E‐O₃) on physiological characters related to photosynthesis under fully open‐air field conditions in China. The plants were exposed from the initiation of tillering to final harvest, with E‐O₃ of 127% of the ambient ozone concentration (A‐O₃). Measurements of pigments, gas exchange rates, chlorophyll a fluorescence and lipid oxidation were made in three replicated plots throughout flag leaf development. In cultivar Y2, E‐O₃ significantly accelerated leaf senescence, as indicated by increased lipid oxidation as well as faster declines in pigment amounts and photosynthetic rates. The lower photosynthetic rates were mainly due to nonstomatal factors, e.g. lower maximum carboxylation capacity, electron transport rates and light energy distribution. In cultivar Y16, by contrast, the effects of E‐O₃ were observed only at the very last stage of flag leaf ageing. Since the two cultivars had almost identical phenology and very similar leaf stomatal conductance before senescence, the greater impacts of E‐O₃ on cultivars Y2 than Y16 cannot be explained by differential ozone uptake. Our findings will be useful for scientists to select O₃‐tolerant wheat cultivars against the rising surface [O₃] in East and South Asia.