地表O3对作物的影响研究进展

摘要 基于近几十年国内外地表臭氧对农作物影响的发展历史，本文介绍了地表O3对不同作物生长及产量影响的研究成果，概述了地表O3的来源、浓度时空变化、对作物胁迫的影响以及对作物伤害的研究，通过使用OTC和FACE技术模拟O3浓度，研究高03浓度对作物的表观伤害、光合固碳能力以及作物产量和品质的影响。

关键词 地表臭氧;农作物;产量;表观伤害

中图分类号 S511

文献标识码 A

文章编号 1007-5739（2019）08-0164-05

平流层臭氧（O3）可以为地球上的生命抵御紫外线的照射，对流层的O3是一种强氧化性气体，具有强烈的植物毒性，高浓度O3会对植物造成严重的损伤I一）;03也是光化学烟雾的主要成分和夏季主要的二次空气污染物。通过近几十年观测发现，随着我国工业、交通业的快速发展，化石燃料的燃烧，人类生产活动产生的硫氧化合物（SOx）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（CH）挥发性有机物（VOCs）、一氧化碳（CO）等一次气态污染物的排放量大幅度增加，氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOCs）和甲烷（CH4）等气态污染物在一定气象条件下，经过强烈阳光照射，就会生成光化学烟雾，其主要成分就是O3，这导致地表03浓度显著增加。前人研究发现，如今地球表面约1/4地区会受到不断增加的O3浓度（夏日可达到60μg/L）的威胁，部分地区甚至有高浓度O3暴发;光化学氧化物随着大气环流在全球范围内循环，使全球O3浓度增加4;有研究者估算地表O3浓度正以每年0.5%～2.0%的幅度在全球范围内增加，并预测2015-2050年间地表O3浓度与如今相比将会上升20%～25%5。按照目前排放趋势，预测在2100年地表O3浓度将提高40%～60%，从如今的50μg/L增加至70μg/L间。从全世界的O3分布范围情况来看，北半球高浓度地表03污染的主要区域集中在中、低纬度地区，如美国东部，欧洲大陆中南部地以及亚洲中东部地区。在一些科技发达、人口密集的大城市，如美国洛杉矶、纽约、日本东京等地，地表O3浓度最高值高于背景浓度的10倍3.7。对于发展中国家的中国和印度，由于工业发展、化石燃料燃烧、汽车尾气的排放，城市化进程的加快，使得NOx、VOCs和CH等O3前体污染物排放量增加，地表O3浓度快速增长。目前，地表O3浓度监测显示中国大部分地区夏季地表O3浓度平均都已超过50μg/L，高于作物受O3损伤的阈值40μg/L图，这已经严重破坏了城市的生态环境，尤其是我国东部及东南沿海的华北平原、长江三角洲及珠江三角洲等地，夏季大气O3浓度时常超标，同时由于大气环流的传输，，03污染也逐步由大城市向城市周围的郊区及农村地区扩散9，迫使作物遭受大面积减产的损失，甚至在某些极端天气已经开始危及人体健康。

地表O3是具有植物毒性的气体污染物，可抑制作物生长速率，使作物叶片出现可见伤，甚至是破坏叶片细胞结构等不可见损伤，加快叶片衰老，降低作物光合速率，改变碳代谢，造成生物量积累减少，最终导致作物籽粒品质降低、产量下降，严重破坏生态环境和经济效益。自从1958年Richard等首次提出地表03浓度的升高对农作物的生长产生不利影响，随后国内外许多地区先后开展了大量关于慢性或急性O3暴露的情况下对植物影响的研究，研究对象以大多数农作物、常见树种以及草本植物为主，研究显示大部分农作物暴露在O3污染下均出现了不同程度减产。中国作为农业大国，也是O3污染的主要受害区域，高浓度的O3污染已经对我国造成大量的经济损失，中国已然成为高浓度O3污染的热点研究区域。

1地表O3来源

在地球的平流层中，存在着天然的低浓度O3，它可以保护地球生物，平流层臭氧被称为有益的O3;不同于平流层O3对地球生态系统的巨大贡献，对流层O3对人类及生物圈是有害的。对流层O3通常被称为有害O3，是夏季常见二次污染物，也是重要温室气体之一。近地层O3是地球表面15km范围中对流层03，具有强氧化性，对植物具有强烈的植物毒性。近地层O3少部分来自平流层的大气传输过程（动力下传）7，大部分是由氮氧化物（NOx）、挥发性有机物（VOCs）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）等污染前体物经过复杂的光化学反应生成3.18-191，这些前体物来源于各种各样的人为源（如交通、化学溶剂、化石原料等）和自然源（如森林、湿地、土壤闪电等）。以上4种臭氧前体物中，NOx和VOCs是形成臭氧最为重要的2个前体物。根据前体物的不同，03形成过程可分为2个部分：①在大气本底NO2浓度较高的地区，NO2在强烈光照射下可直接发生光解反应，释放出游离氧原子，不稳定的氧原子和空气中的氧分子结合生成O3;②空气中的O2光解产生的自由基可将VOCs等污染物氧化为过氧化物自由基和羟基自由基，这些活性自由基可进一步使大气中NO向NO2转化，从而导致O3形成的NO2源增多。地表环境O3的生成与气象条件也有很大相关性，O3浓度高峰值一般出现在前体物浓度较高的夏季午后凹地表O3形成后随大气环流进行传输，与此同时和大气污染物的氧化产物发生反应还原为03，或直接向地表沉降并最终分解。

2地表O3浓度时空变化

关于对O3浓度的监测，早在18-19世纪已有记录，在工业革命以前的几百年间，全球的地表O3浓度几乎维持在10μg/L左右。这段时期地表O3主要来自于大气平流层O3的动力下传叨。而到了19世纪后期，随着工业的发展，地表O3浓度达到了30～35μg/L，几乎为原来的3倍，更有如北美歐洲和非洲等地地表O3峰值浓度持续超过WHO参考标准值50μg/L2。随着城市化进程的加快，人类活动生态环境的持续破坏，导致过去的30年中，NOx大量排放，全球约1/4的国家和地区在夏季面临对流层O3浓度60μg/L以上的威胁2。北半球O3浓度每年上涨0.5%～2.0%，年平均背景O3浓度达到20～45μg/LS。全球的03浓度平均值由1750年的25μg/L上升至34μg/L，增加了36%。北半球地表O3浓度年均值在35～40μg/L范围内，欧洲地区地表O3浓度年均值几乎都>30μg/L，亚洲及北美等地基本都>40μg/L，个别污染严重的城市或地区地表O3浓度更高，在50～60μg/L范围内52425。造成世界各地03浓度不同的主要原因是各个地区O3前体物的排放量的差异。有研究显示，近十几年，北美和欧洲地区的发达国家通过加强对NOx.VOCs、CH4和CO等O3前体物的排放控制，背景O3浓度峰值有所下降叫，但是对于亚洲等经济正在崛起的新型地区则呈显著增加的趋势。

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