近地层臭氧干沉降及其对冬小麦产量形成影响机制研究

As one of the main atmospheric pollutants over Surface Layer, researches on the increasing surface ozone concentration and its impact on main crops have become the focus of every government and the public. Based on the observations at the typical stations (Nanjing in Jiangsu Province and Gucheng in Hebei Province) using the main local cultivars in China's major winter wheat producing areas, it is expected to obtain the data including ozone concentration, meteorological data, soil heat flux and wheat growth index and yield by continuous observation. The objectives of this research is to gain an insight on surface ozone dry deposition and its influences on winter wheat yield formation. According to the Surfatm-O3 model, we will analysis on the ozone dry deposition flux in natrual farmland and assess the assignment mechanism to the proportion of ozone absorpted by winter wheat stomatal, on winter wheat surface and land. Based on the disscussion on the interrelationships of ozone dry deposition flux-winter wheat absorption flux-the deceased yield, we will further understand the dynamic change of winter wheat stomatal absorption flux in the each growth peroid, accumulation characteristics and damage mechanism. Then a conceptual model will be established to estimate the influences ozone dry deposition flux and winter wheat stomatal absorption flux on winter wheat yield formation. According to satallite data and land surface model, we will construct a regional evaluation on the probable damage to China's winter wheat output. This system can aid the analysis on the ozone pullution risk faced with our main grain crops in future.

地表臭氧作为近地层最主要的大气污染物之一，其不断上升的浓度及其对冬小麦的影响已经成为各国政府和公众关注的焦点。本项目拟选择冬小麦主要种植区典型站点（江苏南京、河北固城），开展O3浓度、主要气象因子、土壤热通量及作物生理生长指标和产量等参数的连续观测，结合臭氧干沉降模型，研究自然农田臭氧干沉降通量及其在冬小麦气孔吸收、表面沉降和土壤沉降的分配机制，在明确O3干沉降通量-冬小麦吸收O3通量-产量降低关系基础上，厘清冬小麦全生育期气孔通道臭氧吸收通量的动态变化、累积特征及其损伤机理，建立冬小麦各生育期臭氧沉降-气孔吸收通量-产量形成影响概念模型。结合遥感手段及陆面模式模拟结果，评估并揭示自然生态系统臭氧干沉降对冬小麦产量形成潜在风险，从而为为精细化评估臭氧干沉降对自然农田冬小麦产量的影响提供技术支撑。

本项目基于梯度法与涡度相关法，引入并参数化土壤-植被-大气传输模型（Surfatm-O3干沉降模型），观测并模拟了冬小麦全生育期O3干沉降通量及其在气孔吸收、表面沉降和土壤沉降的通量分配规律，分析了不同天气条件下O3干沉降特征，计算了冬小麦主要生育期总初级生产力和气孔O3吸收通量的动态变化及其累积特征，开展了O3光合损耗和产量损失的评估研究，并利用WRF-Chem模式了长三角地区O3干沉降过程及不同沉降通道量分配的时空变化。项目完成了预期目标，共发表期刊论文29篇，其中SCI收录5篇，申请并授权了4项专利。主要创新成果如下：.(1) 阐明了长三角地区O3的变化特征。明确了该地区站点尺度O3浓度的日变化、季节变化及其与气象条件的关系。揭示了近地层O3的发生机制及其区域尺度的季节与空间分布特征。.(2) 明确了麦田生态系统气象与生物要素的变化特征。揭示了O3干沉降各特征参数的变化及其影响因素。指出冬小麦生物要素对O3干沉降过程的动态影响。.(3) 获得了O3干沉降模型的参数化方案。建立了叶片温度、光合有效辐射、水汽压差和土壤含水量与气孔导度的函数关系，并建立基于观测而推导的O3气孔导度与CO2同化通量的函数关系，确定了气孔阻力驱动因子的参数化方案。建立了表面阻力与相对湿度和叶面积指数的函数关系，确定了表面阻力的参数化方案，明确了相对湿度对表面阻力的影响规律。建立了土壤阻力与土壤表面相对湿度和土壤含水量的函数关系，确定了土壤阻力的参数化方案。.(4) 明确了冬小麦全生育期O3干沉降通量及其在不同通道的分配规律。确定了O3伤害阈值的动态变化，改进了O3吸收通量响应模型，构建了O3胁迫对冬小麦产量影响的定量评估方法。估算了长三角地区近地层O3对冬小麦生长和产量的影响。.上述成果深化了长三角地区大气复合污染特征及其对农业影响的认识，为控制大气污染，认识其环境气候与生态效应提供了重要的理论支撑，为环境保护、农业、气象等部门开展相关业务服务提供了新思路，为我国粮食安全评估提供了重要的评价手段。