王 華，歐陽志云，任玉芬，張紅星，王效科，郜世奇，關云飛，高付元

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085;2.北京市農林科學院林業(yè)果樹研究所，北京 100093;3.北京教學植物園，北京 100061)

近地層臭氧(O3)作為影響全球氣候變化的重要因素和危害人類健康、動植物生長的二次污染物，受到廣泛關注［1－3］。隨著城市化進程的推進，近地層臭氧濃度迅速增加［4］。樹木是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可通過氣孔途徑和非氣孔途徑有效去除大氣臭氧，在凈化空氣方面發(fā)揮著重要作用［5］。其中，通過氣孔途徑吸收是林木去除臭氧的主要途徑，并與臭氧引起林木傷害密切相關［6］。因此，城市樹木吸收臭氧方面的研究已成為目前植物生理生態(tài)學和城市生態(tài)學研究的熱點。然而，現有的大部分研究主要集中在天然林吸收臭氧的影響機制［7－10］，城市樹木吸收臭氧的環(huán)境影響機制研究較少。

葉片尺度和生態(tài)系統(tǒng)尺度上森林去除臭氧的研究均有報道，但是冠層尺度上森林去除臭氧的研究很少。樹干液流技術已經廣泛應用于森林水分利用研究，由于水分蒸騰和吸收臭氧通過氣孔行為耦合，故基于樹干液流技術能夠衡量森林冠層吸收臭氧量，這種方法考慮了邊界層的影響，適用于異質性景觀和山地景觀［8，11］。因此，結合城市環(huán)境的異質化特征，本研究采用基于樹干液流的方法衡量北京市典型綠化樹種刺槐冠層吸收臭氧規(guī)律。

我國首都北京是世界上面積最大、歷史最悠久的城市之一，是現代城市化的典型代表。由于大范圍建設和機動車數量迅速增加，臭氧污染問題日趨嚴峻［12］。改善空氣質量一直是該城市面臨的重大難題。本文以北京市典型綠化樹種刺槐為研究對象，通過測定樹干液流密度，結合環(huán)境因子監(jiān)測，探索冠層尺度上刺槐吸收臭氧特征及其與環(huán)境因子之間的關系。研究結果和方法可為明確環(huán)境如何影響樹木吸收臭氧功能、空氣質量提高、以及城市規(guī)劃提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點和研究對象

研究地點位于北京市南二環(huán)的北京教學植物園(116°25'37″— 116°25'50″E，39°52'20″— 39°52'28″N)，占地面積116，500m2，周邊商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)密集，行人和機動車流量較大。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫11—12℃，年均降水量約為586 mm，超過70%發(fā)生在6—8月。

研究對象為北京市典型綠化樹種刺槐，選擇健康、生長環(huán)境一致的單株作為研究對象，2009年樣樹樹形測定結果為:平均胸徑為(38.43±2.43)cm，平均樹高(12.87±0.20)m，平均邊材面積為(129.12±12.11)cm2(表 1)。

表1 測定樹干液流樣樹的樹形特征Table 1 Characteristics of the sampled trees for sap flow measurements

1.2 樹形測定

樹冠垂直投影面積采用測定東西和南北冠幅，結合橢圓面積計算公式確定。為避免傷害樣樹，于北京教學植物園和北京林業(yè)大學鷲峰教學林場選取各個徑級的23株樹木，采用生長錐鉆取木芯，再用直尺測定邊材厚度，建立邊材面積與胸徑之間的關系式，進而反推測定樣樹邊材面積(圖1)。

1.3 樹干液流密度測定

2009年7月1日到2009年10月31日采用熱消散傳感器(Dynamax，Houston，TX，USA)連續(xù)測定單位邊材面積上的瞬時樹干液流密度(Js，g H2O cm－2s－1)。傳感器的工作原理、安裝、液流密度計算以及整樹蒸騰計算方法參見文獻［13－14］。將傳感器饋線與數據采集器(CR1000 Dynamax，USA)連接，組成完整的樹干液流測定系統(tǒng)，每10 min進行平均并儲存數據，將筆記本電腦與數據采集器連接，定期采集數據。

在樹干液流密度點的測定值尺度推廣到整樹尺度的過程中，忽視樹干液流密度的軸向和徑向變異，將引起結果的誤差［15－16］。為明確樹干液流密度的軸向變異，Herbst等建議小樹采用1個或者2個傳感器，大樹采用4個傳感器［17］，因而，在每株刺槐樣樹東南西北面各安裝一個傳感器。由于刺槐樣樹邊材厚度為2 cm左右，故樹干液流密度徑向變異不明顯，因而，采用長度為30mm的傳感器。

1.4 環(huán)境因素監(jiān)測

圖1 刺槐邊材面積與胸徑之間的關系Fig.1 The relationship between sapwood area(A s)and diameter at breast height(DBH)for R.pseudoacacia

氣象站位于北京教學植物園中較為開闊的一塊空地上，避免樹木、建筑物和其它障礙物的影響，同時距離研究對象近?？諝鉁囟葷穸葌鞲衅?HMP45C，Vaisala Inc.，Helsinki，Finland)，風速風向傳感器(034B，Met One Instruments，Grants Pass，Oregon，USA)安裝在高度為10 m的標準桅桿上。日照強度計(CMP－11，Kipp and Zonen，Delft，Netherlands)安裝在高度為1.5 m的標準桅桿上測定太陽輻射。降雨由雨量計(TE525MM，Campbell Scientific Inc.，Logan，UT)在地面以上2 m以下高度測定。土壤溫度傳感器(109，Campbell Scientific Inc.，Logan，UT)埋設深度為10、30、50 cm和 80 cm。土壤含水量傳感器(ECH2O，Decagon Devices Inc.，Pullman，WA，USA)埋設位于研究樹木之間，深度為30 cm。水汽壓虧缺是由大氣溫度和空氣相對濕度計算得到［18］。上述氣象和土壤參數監(jiān)測與樹干液流測定同步。

大氣臭氧濃度采用 TEI Model 49i氣體分析儀(Thermo Environmental Instruments Inc.，Franklin，MA，USA)監(jiān)測。臭氧監(jiān)測儀器距離研究對象近，每小時記錄一個濃度值。

1.5 冠層導度計算

城市樹木冠層開放，通風好，空氣動力學粗糙，表明冠層表面與大氣之間耦合度強［19］。因此，研究樹種刺槐的整樹冠層導度(Gc，mmol H2O·m－2·s－1)計算公式如下［20］:

式中，Ec是冠層蒸騰，將樹干液流密度乘以邊材面積再除以冠層投影面積得到［13］;ρ是水的密度(998 kg/m3);GV是水蒸氣的通用氣體常數(0.462 m3kPa K－1kg－1);Ta是大氣溫度;D是水汽壓虧缺(kPa)。參考Granier等人的建議［21］，基于如下原則選擇樹干液流密度數據計算冠層導度:1)去除降雨或者降雨以后2h的數據，從而避免蒸散和樹木蒸騰之間不一致;2)去除總輻射、水汽壓虧缺、或者林段蒸騰非常低的數據(小于最大值的5%)，因為在這些條件下計算冠層導度的不確定性較大。

Gc對水汽壓虧缺(D)和總輻射(Rs)的響應規(guī)律通過邊界線分析得到［22－23］，采用不同D(步長0.2 kPa)或者Rs(步長50 W/m2)等級下3株樣樹的最大冠層導度。采用如下公式描述Gc響應D變化［19］:

式中，參數－m為回歸方程斜率，量化了氣孔導度響應D變化的敏感度;參數b為回歸方程截距，為D=1 kPa的參比冠層導度。采用Sigma－Plot 10.0軟件(Systat Software Inc.，San Jose，California)的最小二乘回歸確定m和b。上述Gc和ln(D)之間的關系式為各樣樹之間的比較提供了簡便的基準。

1.6 整樹冠層吸收臭氧速率計算

葉肉中臭氧濃度近乎為0［24］，因此，可以根據如下通量公式計算冠層吸收臭氧速率:

式中，FO3是單位冠層投影面積的冠層吸收臭氧速率，［O3］是大氣臭氧濃度，Gc是冠層對水蒸氣的導度，0.613是轉換系數，代表大氣中臭氧和水蒸氣擴散系數比［7，25］。

2 結果

2.1 刺槐吸收臭氧的日變化規(guī)律

夏季晴天天氣條件下，大氣臭氧濃度隨著總輻射增大逐漸上升，于15:00左右達到峰值，之后開始下降;刺槐冠層對臭氧的導度上午達到峰值，之后迅速下降;刺槐吸收臭氧速率呈單峰曲線，于15:00左右達到最大值，峰值范圍較窄，盡管上午冠層對臭氧的導度最高，但由于臭氧濃度很低，故上午刺槐吸收臭氧速率并沒有達到最大值;刺槐吸收臭氧累積量不斷增加，中午前后增加最明顯，夜間隨著臭氧濃度降低和氣孔關閉，其吸收臭氧累積量變化不大(圖2)。

秋季晴天天氣條件下，總輻射和水汽壓虧缺明顯減少，進而大氣臭氧濃度也降低;刺槐冠層對臭氧的導度明顯降低，且下午刺槐冠層對臭氧的導度響應水汽壓虧缺下降而減少的幅度較小;刺槐吸收臭氧速率呈單峰曲線，峰值范圍較寬;刺槐冠層吸收臭氧累積量明顯減少，中午前后增加最明顯，且從傍晚開始保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)(圖2)。

2.2 刺槐吸收臭氧的季節(jié)變化規(guī)律

圖2 夏(2009年7月18日)秋(2009年10月4日)季節(jié)晴天天氣下總輻射(R s)、水汽壓虧缺(D)、大氣臭氧濃度(O3)、刺槐冠層對臭氧的導度(G O3)、吸收臭氧速率的日變化(F O3)以及吸收臭氧累積量(AFst)Fig.2 Diurnal course of total radiation(R s)，vapour pressure deficit(D);ambient O3 concentration(middle)and canopy conductance for ozone(G O3);canopy O3 uptake rate(F O3)and cumulative O 3 uptake(AFst)in R.pseudoacacia on clear days in the summer(18th July 2009，left)and the autumn(4th October 2009，right)

大氣臭氧濃度、刺槐冠層對臭氧的導度、吸收臭氧速率日均值以及吸收臭氧累積量的季節(jié)變化規(guī)律如圖3所示。臭氧濃度日均值季節(jié)變化明顯，夏季出現最大值146.4μg/m3，秋季出現最小值1.5μg/m3。夏秋季節(jié)刺槐冠層對臭氧的導度和吸收臭氧速率日均值波動較大，陰雨天氣條件下冠層對臭氧的導度和吸收臭氧速率較低，而晴天天氣條件下冠層對臭氧的導度和吸收臭氧速率較高;然而，從總體趨勢上看，刺槐冠層對臭氧的導度和吸收臭氧速率從夏季到秋季逐漸降低，可見，刺槐吸收臭氧速率的日變化與季節(jié)變化規(guī)律交疊。刺槐吸收臭氧累積量夏季顯著增加，秋季略有增加。

2.3 總輻射和水汽壓虧缺對刺槐吸收臭氧的影響

刺槐冠層吸收臭氧速率日變化規(guī)律與大氣臭氧濃度日變化規(guī)律相似(圖2)。在一定的臭氧濃度下，刺槐冠層吸收臭氧速率的變化主要由冠層對臭氧的導度調控，進而受水汽壓虧缺和總輻射影響(圖4)。3株刺槐樣樹冠層對臭氧的導度接近，且對水汽壓虧缺和總輻射的響應方式相似(圖4)。

水汽壓虧缺較高的條件下，臭氧濃度較高，但刺槐冠層對臭氧的導度降低，進而導致冠層吸收臭氧速率降低;水汽壓虧缺較低的條件下，刺槐冠層對臭氧的導度很高，故在臭氧濃度較低的條件下，冠層吸收臭氧速率較高;水汽壓虧缺很小的條件下，刺槐冠層吸收臭氧速率略降，可能是由于早晨光合作用較弱，氣孔開度較小(圖4)。

隨著總輻射上升，臭氧濃度增加，當總輻射大于800 W/m2，臭氧濃度顯著降低。當總輻射小于600 W/m2，刺槐冠層對臭氧的導度變化很小;當總輻射大于600 W/m2，刺槐冠層對臭氧的導度迅速下降，這個時候氣孔可能達到了光飽和。因此，受臭氧濃度和冠層對臭氧的導度的雙重影響，刺槐冠層吸收臭氧速率呈不對稱單峰格局:當總輻射小于800 W/m2，隨總輻射增強，刺槐冠層吸收臭氧速率略有增加;當總輻射在800 W/m2左右時，冠層吸收臭氧速率達到峰值，之后迅速下降(圖4)。

3 討論

3.1 刺槐整樹冠層吸收臭氧特征

北京市典型綠化樹種刺槐整樹冠層吸收臭氧速率夏季高于秋季，與夏季大氣溫度、輻射、臭氧濃度等較高有關，這與高海拔地區(qū)成年挪威云杉(Picea abies)、瑞士五葉松(Pinus cembra)和歐洲落葉松(Larix decidua)吸收臭氧速率的季節(jié)變化規(guī)律一致［8］。與上述研究不一致，加那利群島松林吸收臭氧速率季節(jié)變化不大，可能是如下原因導致:首先，當空氣和土壤干旱時，在濃霧對空氣濕度的影響和松林根系能獲取土壤深層水分的聯合作用下，松林吸收臭氧速率降低不顯著［26，27］。其次，由于地處低緯度和冷洋流中，該群島氣候季節(jié)變化不大。最后，群島的經濟長期以農業(yè)為主，大城市很少，故污染源少。

圖4 2009年7月1日到2009年10月31日大氣臭氧濃度(O3)、刺槐冠層對臭氧的導度(G O3)、吸收臭氧速率(F O3)對水汽壓虧缺(D)和總輻射(R s)的響應規(guī)律Fig.4 Means of ambient air ozone concentration(O3)，canopy conductance for ozone(G O3)，and canopy O3 uptake rate(F O3)in relation to vapour pressure deficit(D)and total radiation(R s)from 1st July，2009 to 31th October，2009

北京市典型綠化樹種刺槐單位冠層投影面積上年吸收臭氧量約為0.16 g/m2(例如，3株樣樹單位冠層投影面積上月均吸收臭氧量0.57 mmol·m－2·月－1×6個月×48 g/mol÷1000=0.16 g/m2)，明顯低于模型得到的結果［5，28］。采用城市森林影響模型，Nowak和 Dwyer［5］總結美國城市森林年均去除污染物量為 9.3 g/m2，變化范圍為6.6—12.0 g/m2，臭氧占污染物比率為31.8%，因此其去除臭氧量約為2.96 g/m2(例如，9.3 g/m2×31.8%=2.96 g/m2)。采用同樣的模型，北京城市森林去除污染物量較高(27.5 g/m2)，臭氧占污染物比率為20%，因此其去除臭氧量約為5.50 g/m2［28］。野外觀測數據得到的結果和模型方法得到結果區(qū)別較大，可能是如下原因導致。首先，基于樹干液流的方法確定的是氣孔吸收臭氧量，而模型方法確定的是干沉降值，包括氣孔吸收量和樹木非蒸騰表面吸附量。其次，模型方法得到的結果為森林去除污染物量的粗略估計，需要在如下幾個方面調整參數以提高模型的準確度:模型產生結果的不確定性分析;測定樹木個體去除污染物以改進模型的假設－樹木處于相同層次;準確模擬大氣污染物濃度及其與地點、城市森林的面積和樹種組成之間的關系［28］。再次，老樹較低的水力導度限制其光合速率［29］，研究對象刺槐樹齡超過100 a，因而推斷其氣孔導度明顯降低，進而導致冠層吸收臭氧速率較低。最后，近年來北京市空氣質量逐漸改善，大氣臭氧濃度有所降低。兩種方法得到結果的區(qū)別表明:評估森林受臭氧危害的風險應考慮各樹種冠層臭氧通量。

3.2 刺槐整樹冠層吸收臭氧的環(huán)境調控

城市典型綠化樹種刺槐整樹冠層吸收臭氧特征受臭氧濃度和冠層導度的共同影響。本研究地點臭氧濃度季節(jié)變化顯著，夏季較高，秋季較低。在一定程度上，這導致了研究樹種刺槐冠層吸收臭氧速率的季節(jié)變化規(guī)律與臭氧濃度的變化規(guī)律相似(圖3)。在一定的臭氧濃度下，氣孔導度是整樹吸收臭氧速率的關鍵限制因子，進而受微氣候、樹齡、海拔等因素影響［7，25］。與上述研究一致，刺槐整樹冠層對臭氧的導度主要受水汽壓虧缺和總輻射影響(圖4)。低輻射條件下刺槐保持一定的吸收臭氧速率，可能由于夜間、凌晨或者陰雨天氣條件下氣孔保持部分開放。很多研究表明某些植物夜間氣孔開放，保持一定速率的蒸騰［30］。城市環(huán)境中較高的空氣溫度與較低的平均風速，可能誘導植物氣孔增大開度。因此，城市環(huán)境下刺槐吸收臭氧速率可能高于自然環(huán)境下刺槐吸收臭氧速率。

3.3 冠層尺度上城市樹木吸收臭氧研究方法

量化樹木吸收臭氧的方法包括葉片水平上的氣體交換法和冠層尺度上的渦度相關法、模型、基于樹干液流的方法。氣體交換法測定葉片吸收臭氧量，但是忽視了邊界層的影響［31］。渦度相關技術測定冠層臭氧沉降量，但是無法區(qū)分氣孔吸收臭氧與樹木表面吸附臭氧［32］。模型則需要根據當地環(huán)境以及植被的特點對模型參數化［33］。基于樹干液流的方法考慮了邊界層的影響，適用于異質性景觀和山地景觀［7］。

由于城市環(huán)境突出的異質性特征，如何選擇適合的方法研究城市樹木吸收臭氧的一個難點。目前，城市林木吸收臭氧速率主要采用整合植被、氣象和大氣臭氧濃度信息的模型模擬的方法［28］。此類研究能反映區(qū)域尺度上城市樹木去除臭氧速率，但是不能反映樹木直接吸收臭氧量，也無法進行種間比較。為解決上述問題，根據樹木吸收臭氧和蒸騰作用通過氣孔行為耦合，提出基于樹干液流技術和大氣臭氧濃度監(jiān)測確定城市樹木整樹吸收臭氧速率方法，為衡量城市林木吸收臭氧及其它痕量氣體，以及評價城市樹木受臭氧危害的風險等提供了準確可行的方法。

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