Impacts of ozone on the biomass and yield of rice in open-top chambers

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＯｚｏｎｅ(Ｏ3)ｆｏｒｍｅｄａｓｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｍｏｇｉｓｔｈｅｍｏｓｔｄａｎｇｅｒａｎｄｗｉｄｅｓｐｒｅａｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｔｈｅａｉｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎ.Ｎｏｗａｄａｙｓ,ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｄａｉｌｙｍａｘｉｍｕｍＯ3ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎｕｒｂａｎｓｕｂｕｒｂａｎａｎｄａｒｅａｓｈａｖｅｒｅａｃｈｅｄ100～400ｎｌ/Ｌａｎｄ50～120ｎｌ/Ｌ,ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｒｕｒａｌ…     

Effect of elevated tropospheric ozone on methane and nitrous oxide emission from rice soil in north India

Physiological changes in crop plants in response to the elevated tropospheric ozone (O₃) may alter N and C cycles in soil. This may also affect the atmosphere-biosphere exchange of radiatively important greenhouse gases (GHGs), e.g. methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O) from soil. A study was carried out during July to November of 2007 and 2008 in the experimental farm of Indian Agricultural Research Institute, New Delhi to assess the effects of elevated tropospheric ozone on methane and nitrous oxide emissions from rice (Oryza sativa L.) soil. Rice crop was grown in open top chambers (OTC) under elevated ozone (EO), non-filtered air (NF), charcoal filtered air (CF) and ambient air (AA). Seasonal mean concentrations of O₃ were 4.3 ± 0.9, 26.2 ± 1.9, 59.1 ± 4.2 and 27.5 ± 2.3 ppb during year 2007 and 5.9 ± 1.1, 37.2 ± 2.5, 69.7 ± 3.9 and 39.2 ± 1.8 ppb during year 2008 for treatments CF, NF, EO and AA, respectively. Cumulative seasonal CH₄ emission reduced by 29.7% and 40.4% under the elevated ozone (EO) compared to the non-filtered air (NF), whereas the emission increased by 21.5% and 16.7% in the charcoal filtered air (CF) in 2007 and 2008, respectively. Cumulative seasonal emission of N₂O ranged from 47.8 mg m⁻² in elevated ozone to 54.6 mg m⁻² in charcoal filtered air in 2007 and from 46.4 to 62.1 mg m⁻² in 2008. Elevated ozone reduced grain yield by 11.3% and 12.4% in 2007 and 2008, respectively. Global warming potential (GWP) per unit of rice yield was the least under elevated ozone levels. Dissolved organic C content of soil was lowest under the elevated ozone treatment. Decrease in availability of substrate i.e., dissolved organic C under elevated ozone resulted in a decline in GHG emissions. Filtration of ozone from ambient air increased grain yield and growth parameters of rice and emission of GHGs.     

大气臭氧浓度升高对农作物产量的影响

大气O₃浓度升高对农作物产量的影响是评估大气O₃造成农作物减产及经济损失的基础. 分别在北京和广东东莞建立OTC(田间开顶式气室)系统,开展大气O₃对大田冬小麦和水稻的影响研究,在整个生长期对作物进行O₃熏蒸,计算O₃暴露量,获得冬小麦和水稻产量与O₃暴露量之间的响应关系. 结果表明:东莞水稻临界水平(以AOT40计,AOT40为大于40nL/L的小时平均φ(O₃)与40nL/L差值的累计值)为4.95μL/(L·h),而北京冬小麦为2.44μL/(L·h). 根据我国已有农作物O₃暴露量-产量响应关系计算可知,我国水稻和冬小麦的AOT40分别为4.950~9.506和2.280~3.858μL/(L·h),水稻对O₃的敏感性从我国北方到南方呈逐渐增加态势,但冬小麦对O₃敏感性并无明显的地域变化规律. 在大田环境大气φ(O₃)条件下,东莞水稻相对产量损失为2.70%〔AOT40=2.68μL/(L·h)〕,北京冬小麦的相对产量损失为12.85%〔AOT40=6.72μL/(L·h)〕. 我国农作物生长环境多样,作物种类繁多,需要继续开展试验研究来建立本地化O₃暴露量-产量响应关系,用于合理评估区域农作物产量损失.      

近地层O3污染对作物产量与经济损失的影响——以江苏省冬小麦和水稻为例

利用2015年冬小麦和水稻主要生长季期间江苏省各城市逐时O₃浓度观测资料,分析了O₃浓度和AOT40的变化特征,评估了O₃对冬小麦和水稻产量的影响,并估算了其造成的经济损失.结果表明：①冬小麦和水稻主要生长季期间,江苏省平均O₃浓度分别为80.1μg/m³和83.8μg/m³,呈单峰型的日变化规律.空间上,O₃呈现南低北高,东部沿海地区高于西部内陆地区的特征.②冬小麦主要生长季期间,江苏省各市AOT40指数范围为3.08~14.47μL/L·h.水稻主要生长季期间,江苏省各市AOT40指数范围为10.79~21.67μL/L·h.③在当前O₃浓度水平下,近地层O₃对江苏省冬小麦和水稻平均相对产量的损失率分别为23.9%和16.5%,产量总损失分别为368.7万t和385.8万t,经济总损失分别为87.01亿元和106.48亿元.因此,急需采取有效控制措施,降低O₃污染造成的农业损失.     

Effect of water-driven changes in rice rhizosphere on Cd lability in three soils with different pH

Pot experiments were conducted to evaluate the effect of water management, namely continuous flooding (CF), intermittent flooding (IF) and non-flooding (NF), on Cd phytoavailaility in three paddy soils that differed in pH and in Cd concentrations. Diffusive gradients in thin films (DGT) technique was employed to monitor soil labile Cd and Fe concentrations simultaneously at three growth stages (tillering, heading and mature stage) of rice. The Cd phytoavailability were generally in the order of NF?>?IF?>?CF, and higher rice Cd (over permitted level, 0.2?mg/kg) were only found in neutral and acidic soils under NF conditions. DGT measured soil labile Cd rather than total Cd was the most reliable predictor for Cd accumulation in rice. CF enhanced the formation of root plaques, which related to oxidation of large quantities of available Fe on root surfaces due to the O₂ secretion of rice root. The Cd concentration in root plaques shared the same trend with DGT-Cd. Generally, root plaques would inhibit Cd uptake by rice under CF conditions, while under IF and NF conditions, root plaques act as a temporarily store of Cd, and soil labile Cd is the key factor that controls the transfer of Cd from soil to rice. The results of principle component analysis revealed that water management had the greatest effect on soil Cd lability and rice Cd in acidic soil. Thus, it is important to consider the availability of Cd and soil pH when assessing current agricultural practices of contaminated soil in China.     

气候变化情景下地表O3对水稻产量的潜在风险评估

利用2013~2015年水稻生长季期间气象因子、O₃浓度和气孔导度的实测数据,分析了O₃浓度与AOT40的变化,引入并修订了水稻气孔导度模型,模拟了水稻气孔O₃吸收通量的动态变化,评估了当前和未来气候变化情景下O₃污染所造成的水稻产量损失.结果表明：2013~2015年水稻生长季期间的白天时段,平均O₃浓度分别为35.8,42.0,47.9nL/L,AOT40值分别为5.33,9.03,11.25μL/（L·h）.修订后的模型可用于本地区水稻气孔导度的模拟,2013~2015年水稻气孔O₃通量AF_st02分别为2.02,6.42,7.79mmol/m².2013~2015年地表O₃造成水稻平均相对产量损失分别为4.9%、11.7%和14.3%.在未来气候变化情景下若不考虑O₃浓度的变化,O₃对水稻的胁迫效应将会降低,若考虑未来O₃浓度的变化,O₃造成水稻产量的损失将增加4.7~5.7%.     

Cadmium pollution enhanced ozone damage to winter wheat: biochemical and physiological evidences

Combined e ects of ozone (O3) and cadmium (Cd) on growth and physiology of winter wheat (Triticum aestivum L. cv. JM22) were determined. Wheat plants were grown without or with Cd and exposed to charcoal-filtered air (< 10 ppb O3) or elevated O3 (80 5 ppb, 7 hr/day) for 20 days. Results showed that O3 considerably depressed light saturated net photosynthetic rate (–20%), stomatal conductance (–33%), chlorophyll content (–33%), and total biomass (–29%) without Cd. The corresponding decreases were further enhanced by 45%, 56%, 60% and 59%, respectively with Cd, indicating a synergistic e ect of O3 and Cd on wheat. Ozone significantly increased the activity of superoxide dismutase (46%), catalase (48%) and peroxidase (56%). However, great increases in malondialdehyde (MDA) content (2.55 folds) and intercellular CO2 concentration (1.13 folds) were noted in O3+Cd treatment compared to control. Our findings demonstrated that the increased anti-oxidative activities in wheat plants exposed to O3+Cd might not be enough to overcome the adverse e ects of the combination of both pollutants as evidenced by further increase in MDA content, which is an important indicator of lipid peroxidation. Precise prediction model on O3 damages to crop should be conducted to ensure agricultural production security by considering environmental constraints in an agricultural system in peri-urban regions.     

O3浓度升高对南方城市绿化树种氮素的影响

近地层臭氧(O3)浓度升高会降低树木的光合速率,抑制Rubisco酶的活性,势必会间接影响树木N素的吸收与分配.本研究利用开顶式气室研究过滤大气(CF,<20 nL·L-1)与O3浓度升高(E-O3,约150 nL·L-1)对10种南方城市常用绿化树种幼苗N素吸收和分配的影响.结果表明,与CF相比,E-O3使枫香叶生物量和马褂木茎生物量分别显著降低了20.9%和21.4%,使枫香和马褂木的根生物量显著降低了24.2%和32.5%.O3对被测树种茎中N素含量影响显著,而对叶和根中N素含量无显著影响.O3对被测树种整株树N素吸收总量(Ntu)、叶片N素吸收量及根的N素吸收量存在显著影响,而对茎N素吸收量无显著影响.与CF相比,E-O3使马褂木与木荷的Ntu分别显著降低了28.4%与22.7%,而使舟山新木姜子Ntu显著增加了15.5%.O3浓度升高对各树种N素吸收量在各器官中的分配无显著影响.     

全缘冬青幼苗（Ilex integra Thunb.）对大气O_3浓度升高的响应

采用开顶式气室（open top chambers,OTCs）装置,研究O3浓度升高（E-O3,约150μL.L-1）对常绿阔叶树种全缘冬青幼苗的影响,主要包括伤害症状、植株生长、光合色素含量、气体交换速率与叶绿素荧光、丙二醛含量以及主要抗氧化剂含量变化.经过高浓度O3处理一个生长季后,当年生全展叶片表面分布着大量的黑...     

地表臭氧浓度升高对旱作农田N2O排放的影响

通过田间试验,在冬小麦和大豆生长季设置3种不同臭氧(O3)浓度的处理,包括自由空气(对照,CK)、100 n L·L-1O3浓度(T1)和150 n L·L-1O3浓度(T2),采用静态箱-气相色谱法测定N2O排放通量,研究地表O3浓度升高对冬小麦-大豆轮作系统N2O排放的影响.结果表明,与CK相比,在冬小麦返青期,T1和T2处理都降低了土壤-冬小麦系统N2O累积排放量,降幅分别为37.8%(P=0.000)和8.8%(P=0.903);在拔节-孕穗期,T1和T2处理使N2O累积排放量分别降低了15.0%(P=0.217)和39.1%(P=0.000);从冬小麦全生育期来看,T1、T2的N2O累积排放量分别降低了18.9%(P=0.138)和25.6%(P=0.000).由于本年度大豆生长季降水偏少,受干旱胁迫的影响,O3浓度升高对大豆田N2O排放的作用不明显.本研究表明地表O3浓度升高会减少旱作农田N2O排放量.     

减氮条件下不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失的影响

稻田氮素淋溶流失是农田面源污染的主要流失途径之一.为探究洱海流域稻田合理的施肥模式,减少稻田氮素淋溶流失,通过田间小区试验,在减氮条件下设置单施化肥、单施有机肥、有机无机配施和单施缓控释肥处理,研究不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失和水稻产量的影响.结果表明,与常规施肥处理(CF)相比,单施化肥处理(T1)和有机无机配施处理(T3)水稻籽粒和秸秆产量无显著差异;单施有机肥处理(T2)水稻籽粒产量降低13.0%,秸秆产量降低17.1%;单施缓控释肥处理(T4)水稻籽粒和秸秆产量分别增加15.7%和21.0%.与常规施肥处理(CF)相比,单施化肥处理(T1)、单施有机肥处理(T2)和有机无机配施处理(T3)土壤30 cm处总氮淋溶流失量分别降低了26.9%、18.0%和33.9%,铵态氮淋溶流失量分别降低了24.4%、36.9%和36.6%,硝态氮淋溶流失量分别降低了40.2%、4.8%和46.4%;土壤60 cm处总氮淋溶流失量分别降低了34.2%、26.3%和42.1%,铵态氮淋溶流失量分别降低了31.4%、35.7%和46.6%,硝态氮淋溶流失量分别降低了8.0%、10.1%和23.9%...     

近地层大气臭氧对水稻光合作用影响的数值模拟

利用TE 4 9C型臭氧自动观测仪测定了常熟稻田上方O3 浓度 ,并利用OTC 1型开顶式气室测定了O3 浓度对水稻叶片光合速率的影响 .在此基础上建立了O3 对水稻冠层光合影响的数值模式 ,模式具有较高分辨率和准确度 .观测表明 :O3 浓度逐时值变化幅度在 0～ 16 0× 10 -9之间 ,而日平均值变化仅在 5× 10 -9～ 6 0× 10 -9范围内 ;稻田上方O3 存在高浓度单峰型和低浓度平缓型两种典型日变化 .数值分析表明 :全晴天时高浓度单峰型对光合日总量影响较大 ;随日总辐射量加大臭氧浓度增加对光合作用影响程度加强 .全生育期积分表明 :受O3 影响水稻光合作用总损失量约为 11 6 % .     

南京城市下垫面变化对夏季臭氧浓度的影响研究

利用南京基准地面气象站1951~2010年的气象数据分析南京气象要素的长期变化,利用2007年南京草场门大气污染物监测数据探讨O3同气象要素之间关系并分析气象要素改变对污染的可能影响,结合WRF-CALGRID模式基于2008年7月的情景模拟研究1990年代以后南京城市下垫面变化对气象要素变化的贡献,并分析其对O3浓度的影响.结果显示,南京气温呈现增长趋势,平均风速、大气湿度、日照时数呈现降低趋势.气温与O3浓度呈一定的正相关关系、较小的风速和相对湿度有利于O3的生成.城市下垫面的增加使得南京城区气温增高超过1℃、风速减小0.4m/s、湿度下降0.5g/kg、混合层高度增加100m.气象要素的改变使地面NOx浓度减小,最大减小量超过6×10-9.对O3浓度的影响有增有减,南京市北部、西部增加,增加量超过2×10-9,主要受温度增加、风速减小以及NO的垂直输送影响;主城区的南部、东部O3浓度减小,减少量1×10-9~3×10-9,主要受混合层高度增加的影响.     

O3浓度升高对银杏及油松BVOCs排放的影响

以生长在沈阳市区内的银杏及油松为试材,开顶式熏气室模拟升高O₃浓度（80 nmol·mol^-1）和正常大气O₃浓度（≈30 nmol·mol^-1）条件,采用GC-FID技术对银杏及油松的异戊二烯和7种单萜类物质的排放速率进行测定,探讨高浓度O₃对单株银杏及油松挥发性有机物排放规律的影响.结果表明,O₃浓度增高可以显著提高银杏和油松的异戊二烯排放速率（p＜0.05）,及银杏Δ3-蒈烯的排放速率（p＜0.05）,其分别达到1.96、 9.71和0.09 μg·(g·h)^-1,而对于其他单萜物质的排放速率,2种树木对高浓度的O₃熏蒸均没有表现出显著的变化;树种不同,排放的BVOCs组成也不同,自然条件下银杏排放的BVOCs以异戊二烯为主,而油松以α-蒎烯为主;高浓度O₃熏蒸下油松释放的异戊二烯达到其BVOCs组成的64.73%,增加大气O₃浓度改变了树木挥发性有机物的组成比例.因此,O₃浓度升高对银杏及油松BVOCs排放规律具有显著影响.     

东亚边界层臭氧时空分布的数值模拟研究

利用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)对2010年东亚地区边界层臭氧(O3)的时空分布进行了数值模拟,并评估了东亚边界层光化学反应的活性.结果表明,NAQPMS模式与观测结果较为一致,站点观测与模拟的日均值(月均值)相关系数达到0.56~0.91,模式能合理再现东亚地区地面O3的时空分布特征.东亚地区冬季边界层O3低值区出现在中国东部;春季O3浓度增加,西北太平洋沿岸地区O3浓度达60μL/m3左右;夏季东亚中纬度35°N附近大陆地区O3由于强烈的光化学反应呈现出一浓度高值带,浓度达60μL/m3以上;秋季东亚大部分地区O3浓度维持在40~45μL/m3左右.夏季中国京津冀和长江三角洲部分地区光化学净生成率已超过30×10-9/d.     

中国自然背景地区臭氧浓度时空变化特征分析

为揭示中国自然背景地区臭氧浓度变化特征,并以其为自然背景值指导人为活动导致的臭氧污染控制工作,该研究通过汇总统计中国15个典型自然背景地区与337个地级及以上城市2016—2020年环境空气臭氧自动监测数据,比较分析中国自然背景地区臭氧浓度的年度、季节、日内变化规律与空间分布规律. 结果表明:2016—2020年,中国自然背景地区臭氧年均浓度明显高于城市区域,但臭氧日最大8小时平均浓度的第90百分位数(简称“臭氧年90百分位浓度”)明显低于城市,自然背景地区和城市区域臭氧年均浓度同步快速提升,年均增长分别为1.5和2.0 μg/m3. 中国自然背景地区臭氧浓度季节性变化规律与城市区域存在较大差异,自然背景地区臭氧平均浓度最高值出现在春季,夏、秋、冬三季臭氧平均浓度差异不明显,与东亚环太平洋背景地区臭氧浓度季节性变化规律(春季最高、夏季最低)存在明显差异. 部分自然背景地区受人为活动排放的影响较小,臭氧浓度不存在明显的日内峰谷差,全天臭氧浓度基本保持相同水平;部分自然背景地区可能受邻近城市人为活动排放的臭氧前体物影响,臭氧浓度日内变化规律与邻近城市较为一致,存在明显的日内峰谷差. 研究显示,中国自然背景地区臭氧浓度变化规律与城市区域存在显著差异,臭氧浓度年均值升高迅速,部分自然背景地区臭氧浓度变化规律可能受邻近城市人为活动排放的臭氧前体物传输的影响.      

臭氧浓度升高与土壤湿度对农田土壤微生物呼吸温度敏感性的影响

为研究臭氧浓度升高条件下土壤湿度对农田土壤微生物呼吸温度敏感性的影响,采集经过3个生长季臭氧(100 nL.L-1)熏蒸及对照(CK)处理的农田土壤,在不同土壤湿度下研究土壤微生物呼吸对温度升高的响应规律.结果表明,在土壤湿度适宜的情况下,无论臭氧浓度升高处理还是对照处理中的土壤微生物呼吸均与土壤温度呈现出极显著的指数回归关系.就整个培养试验阶段的平均值而言,CK和100 nL.L-1臭氧处理下的平均土壤呼吸速率分别为0.48和0.33μmol.(m2.s)-1,前者比后者高约45%.臭氧浓度升高显著抑制了土壤微生物呼吸速率,并且显著降低了土壤微生物呼吸的温度敏感性.进一步的结果表明,正常土壤中土壤微生物呼吸的Q10随土壤湿度增加(20%～35%)而下降,而臭氧浓度升高改变了土壤中两者间的这种规律.综合本研究中的结果与以往关于土壤呼吸温度敏感性的研究结果,将Q10与土壤湿度(体积含水量)进行回归分析,可见两者间呈现极显著的二次函数关系,由此可推断其最大Q10值对应的土壤含水量在20%～25%范围内.     

我国北方两地环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响

地表臭氧对植物具有显著毒害作用,矮菜豆(Phaseolus vulgaris L.)已被证实对臭氧非常敏感.选用对臭氧敏感性不同的矮菜豆(R123,臭氧耐受性及S156,臭氧敏感性)分别在3个地点(北京昌平、北京生态中心、哈尔滨市)进行室外直接暴露实验,旨在探讨当前环境臭氧浓度对矮菜豆生长的影响.结果表明,生态中心和昌平两地菜豆在当前臭氧浓度下叶片都出现严重臭氧损伤症状,整个生长季S156型菜豆平均臭氧损伤比例比R123型菜豆高23.5%;臭氧损伤自开花期开始,开花期至结荚期损伤加剧,在豆荚成熟期臭氧损伤比例达到最大值.豆荚产量对比发现,昌平和生态中心两地S156型与R123型豆荚产量比值分别为0.48和0.24,哈尔滨地区为0.73,二者比值为1视为生长不受臭氧影响.可见,北京地区较高的环境臭氧浓度已使敏感性作物矮菜豆显著减产.     

O3/H2O2法降解甲基叔丁基醚（MTBE）的试验研究

采用自制鼓泡反应器对臭氧/双氧水(O3/H2O2)降解水中甲基叔丁基醚(MTBE)进行了试验研究,考察了进气(含O3)流量、H2O2 投加量、MTBE初始浓度、pH、温度等因素对MTBE降解的影响.结果表明,在MTBE初始浓度为10 mg·L-1,气体流量为0.5 L·min-1,温度293K, pH=6.5, H2O2 添加量为2.4mg·L1 条件下,反应30 min后, MTBE去除率可达75.5%, COD去除率为68.0%.降解得到的中间产物主要有叔丁基甲酯(TBF)、叔丁醇(TBA)、乙酸甲酯(MA)和丙酮(AC)等,据此探讨了O3/H2O2氧化MTBE的可能反应机理和降解途径.     

臭氧253.65nm吸收截面系数变化对中国环境空气质量达标的影响

臭氧253.65 nm波长处的吸收截面系数通过朗伯-比尔定律被普遍用于紫外吸收原理臭氧测量,是直接影响臭氧监测数据的基础参数.国际计量局重新测定并于2019年修订了臭氧253.65 nm处的吸收截面系数,拟从1.147×10-17 cm2/mol降至1.132 9×10-17 cm2/mol,将导致臭氧监测浓度系统性升高1.24%.为研究臭氧吸收截面系数变化对中国环境空气质量达标的影响,使用2018年中国国家环境空气监测网臭氧监测数据模拟了特征吸收截面变化后中国337个地级及以上城市的臭氧监测数据,并统计了特征吸收截面变化对全国以及重点城市群臭氧超标城市数量、臭氧污染天数和优良天数比例的影响.结果表明:臭氧吸收截面系数的变化将导致全国臭氧超标城市增加7个;全国以及"2+26"城市群、长三角城市群、珠三角城市群、汾渭平原城市群中各城市臭氧超标天数分别增加1.4、3.5、2.4、1.7和2.1 d,优良天数比例分别降低0.3%、0.9%、0.6%、0.4%和0.6%.研究显示,臭氧吸收截面系数变化将系统性影响全国以及重点地区环境空气质量达标工作,应予以重点关注.