楊 超，米曉楠，李 燕，王志偉

(山西省氣候中心，山西 太原 030006)

隨著我國大氣污染防治工作的開展，以PM2.5為代表的大氣顆粒物污染逐年減輕，以超過GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》中污染限值為標準的臭氧(O3)污染逐漸加重[1-2]。2019年，全國地級及以上城市中以O3為首要污染物的超標天數(shù)占總超標天數(shù)的41.7%，僅次于占比45%的PM2.5[3]。2016、2017、2018和2019年全國地級及以上城市PM2.5年均濃度分別為47、43、39和36 μg·m-3，呈逐年下降趨勢，與之對應的是O3日最大8 h平均第90百分位數(shù)濃度整體呈上升趨勢，分別為138、149、151和148 μg·m-3[3]。O3是排放到空氣中的氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機物(VOCs)經(jīng)過一系列的大氣化學反應生成的二次污染物，由于其所導致的人體健康效應、影響二次氣溶膠生成的環(huán)境效應和影響植物生長的生物效應得到廣泛的關注[4-6]。在植物生長的過程中，暴露的O3主要通過氣孔進入植物體內(nèi)，轉化為活性氧和過氧化氫，從而改變植物細胞成分，甚至導致植物死亡。當O3進入葉綠體后會發(fā)生直接或間接損害光合作用的反應，導致葉片過早衰老，光合作用減少，從而使同化物質有效性降低，改變同化物質的分配，進而導致植物產(chǎn)量下降[6-9]。O3會對幾乎所有的農(nóng)作物產(chǎn)生危害，而對O3比較敏感的作物如冬小麥等受到高濃度O3污染時造成的減產(chǎn)和損失會更大[10]。

O3對冬小麥生長的影響可以通過田間的控制環(huán)境研究法、田間暴露法和田間小區(qū)法來測算，其中田間暴露法中的田間開頂式氣室法(open-top chamber，OTC)常被用來研究O3對冬小麥生長的影響。在我國河北開展的一項OTC實驗發(fā)現(xiàn)，長期暴露在O3濃度分別為50、100和200 nmol·mol-1的環(huán)境中會導致冬小麥單株產(chǎn)量分別下降10.5%、58.6%和80.4%[11]。FENG等[6]綜合國內(nèi)外53篇研究文獻，分析得到冬小麥暴露在77 nmol·mol-1O3中時產(chǎn)量會下降26%。在OTC等野外實驗的基礎上，已有研究建立了O3的暴露濃度或劑量(如M7、AOT40、SUM06等)和作物產(chǎn)量影響之間的關系模型，初步確定了O3污染影響冬小麥等作物產(chǎn)量的定量化關系[9, 12-14]。較早的研究模擬了東亞地區(qū)1990年的O3生成情況，使用M7指數(shù)法研究了O3對冬小麥生長的影響，結果發(fā)現(xiàn)O3污染會導致中國、日本和韓國的冬小麥產(chǎn)量分別下降6%、7%和8.8%[15]；類似的研究使用M7指數(shù)法和AOT40法發(fā)現(xiàn)，2000年O3污染導致全球小麥減產(chǎn)3.9%～15%[16]；2015年一項基于觀測數(shù)據(jù)結合AOT40法在江蘇、浙江各地市開展O3對冬小麥產(chǎn)量影響的研究中顯示，冬小麥生長期期間AOT40為4.30～15.82 μmol·mol-1，O3污染會對導致冬小麥減產(chǎn)9.86%～36.05%，造成的產(chǎn)量損失為552.55萬t[17]。基于觀測數(shù)據(jù)的研究結果雖更能反映O3的真實暴露情況，但我國O3對冬小麥生長影響的研究多集中在長三角、山東等地，且研究時間較早[17-19]。近些年隨著大氣污染形勢的變化，較高的O3濃度對冬小麥生長產(chǎn)生的影響尚不明確，開展O3污染所帶來的危害研究有很重要的科學意義。

作為我國重要的煤炭資源儲存和利用大省，山西省以能源、冶金為代表的重工業(yè)發(fā)達，大量的VOCs和NOx排放導致空氣中的O3濃度升高[20]。對2017年全國地級及以上城市的O3進行插值分析發(fā)現(xiàn)，包括山西在內(nèi)的4個省份是全國O3污染最顯著的區(qū)域[21]。2017和2018年全省11個地級市O3日最大8 h第 90 百分位數(shù)平均濃度分別為186和182 μg·m-3，超過全國地級及以上城市平均值的24.8%和20.5%[22]。小麥是山西省的重要糧食作物，2017年小麥產(chǎn)量達232.40萬t，主要以冬小麥為主[23]，因此冬小麥生產(chǎn)對支撐山西省糧食安全有重要作用。高濃度的O3會對山西省冬小麥的生長產(chǎn)生重要影響，但目前針對山西省冬小麥生長影響的研究鮮有報道，不能準確估計因O3污染導致的產(chǎn)量損失。筆者利用中國環(huán)境監(jiān)測總站全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺所提供的O3濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析山西省冬小麥主要生長季期間O3濃度，計算冬小麥O3暴露濃度(M7指數(shù))和暴露劑量(AOT40指數(shù))及其變化特征，評估O3污染給冬小麥帶來的產(chǎn)量損失，研究成果可為評價大氣環(huán)境污染帶來的損失和污染防治提供支撐。

1 研究材料與方法

1.1 O3觀測數(shù)據(jù)及處理

為研究環(huán)境空氣中O3對山西省冬小麥生長期(3—5月)[18]的影響，使用山西省11個地級市環(huán)境空氣質量國控監(jiān)測點位的逐時O3觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為全國大氣污染物監(jiān)測平臺(http:∥106.37.208.233:/20035)，山西省11個地級市共有國控監(jiān)測點位55個。先對數(shù)據(jù)進行篩選和質控，刪去數(shù)據(jù)中的異常值，11個地級市O3數(shù)據(jù)的有效性達98.8%～100.0%，基本能反映研究時段的O3污染狀況。

為了彌補數(shù)據(jù)在空間上的缺失，使用ArcGIS 10.2軟件中的插值法繪制O3濃度的空間分布圖，然后計算每個縣(區(qū)、市)的O3濃度。插值方法采用經(jīng)驗貝葉斯克里金法(EBK)[15,24]。

1.2 評估模型的選取

用于定量分析O3對作物生長影響的指標包括暴露濃度和暴露劑量2種，分別使用M7指數(shù)和AOT40指數(shù)來分析這2種指標對冬小麥產(chǎn)量的影響。

一般情況下，高濃度的O3主要出現(xiàn)在白天，對作物生長影響最大的時段也是白天，故使用白天的O3濃度分析O3暴露濃度對冬小麥的生長影響。M7指數(shù)(M7)為白天7 h(09:00—16:00)的O3濃度平均值。M7指數(shù)是由美國國家環(huán)境保護局(USEPA) 建立的主要農(nóng)作物產(chǎn)量與O3濃度之間的定量關系，已被廣泛應用到冬小麥的O3暴露評估中[25]。

M7=∑CO3[9-16]/N。

(1)

式(1)中，CO3[9-16]為研究期間不同地區(qū)09:00—16:00的O3濃度小時值，nmol·mol-1；N為有效數(shù)據(jù)數(shù)。

選取廣泛使用M7與冬小麥相對產(chǎn)量(YR)之間的關系式[16]：

YR=exp (-M7/137)2.34/exp(-25/137)2.34。

(2)

研究表明，O3暴露劑量就是在作物生長期內(nèi)O3濃度的積分，反映的是O3長期累積效應。在計算過程中，通常在考慮O3對作物暴露臨界值的基礎上計算高濃度O3對作物生長的影響累積值。歐洲開發(fā)的AOT40(O3濃度超過40 nmol·mol-1的累積，A40)是評價冬小麥O3污染暴露劑量常用的指標[14]。

A40=∑Co3-40。

(3)

式(3)中，Co3-40為研究期間O3濃度≥40 nmol·mol-1時的O3小時濃度值，nmol·mol-1。

AOT40與冬小麥相對產(chǎn)量之間的關系式[11]為

YR=1-0. 012 96×A40。

(4)

1.3 冬小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟損失的估算

據(jù)《山西統(tǒng)計年鑒》，2017年山西省小麥種植面積為5.61×106hm2，產(chǎn)量達2.32×106t，種植區(qū)域主要分布在南部的晉城、運城、臨汾和長治等地，且以冬小麥種植為主[23]。在對每個縣(市、區(qū))進行O3對冬小麥產(chǎn)量影響評估的基礎上，計算得到每個縣(市、區(qū))冬小麥的相對產(chǎn)量，再結合每個縣(市、區(qū))冬小麥的實際產(chǎn)量，計算冬小麥的產(chǎn)量損失。

LC=RC×YR/(1-YR)。

(5)

式(5)中，LC為冬小麥的產(chǎn)量損失，t；RC為冬小麥的實際產(chǎn)量，t。

將山西省11個地級市每個縣(市、區(qū))的產(chǎn)量損失分別累加，得到每個地級市的產(chǎn)量損失情況，再計算每個地級市的相對產(chǎn)量損失；進一步將所有地級市的產(chǎn)量損失累加，得到山西省冬小麥的產(chǎn)量損失和相對產(chǎn)量損失。

O3導致冬小麥減產(chǎn)所造成的直接經(jīng)濟損失可以通過下列公式計算：

LE=LC×PW。

(6)

式(6)中，LE為經(jīng)濟損失，元；PW為冬小麥價格，元·kg-1，以國家發(fā)展與改革委員會發(fā)布的2017年小麥最低收購價(2.36元·kg-1)計算[26]。

2 結果與討論

2.1 山西省2017年冬小麥生長期O3濃度的時空變化特征

在冬小麥的生長期間，山西省O3平均濃度為37 nmol·mol-1(圖1)。

上下橫線分別表示最大值和最小值，箱圖方框上、中、下橫線分別表示上四分位數(shù)、中值和下四分位數(shù)，黑點表示均值。

O3濃度最高的地級市是長治市，平均濃度達43 nmol·mol-1，較高的城市還包括晉城市(42 nmol·mol-1)和陽泉市(41 nmol·mol-1)；O3濃度最低的地級市是呂梁市(24 nmol·mol-1)，太原市O3濃度也較低(29 nmol·mol-1)。造成O3濃度區(qū)域分布不均的原因一方面與不同地級市的O3前體物VOCs和NOx排放量有關，長治市、晉城市、陽泉市的工業(yè)(尤其是VOCs排放量大的化工行業(yè))發(fā)達，排放到空氣中的VOCs和NOx會生成O3，造成O3濃度升高；另一方面與不同城市的位置相關，位于山西省南部地區(qū)的地級市溫度高于北部地區(qū)，有利于光化學反應的進行，O3濃度會高于其他地區(qū)。

圖2顯示，全省環(huán)境空氣中O3濃度呈明顯的單峰分布，總體呈現(xiàn)白天高、夜間低的特征。O3濃度最低值出現(xiàn)在07：00(18 nmol·mol-1)，隨著日出后的光照增強、溫度上升和排放到空氣中的O3前體物VOCs和NOx的增多，O3濃度逐漸上升，在15：00—17：00達到全天的峰值(60 nmol·mol-1)；此后，隨著光照的減弱和溫度的下降，O3的消耗速率遠高于產(chǎn)生速率，O3濃度不斷降低，至07：00達到最低值。山西省各地級市整體O3的日變化情況與之前在山西省太原市等地發(fā)現(xiàn)的變化趨勢一致[27]。

誤差為數(shù)據(jù)的標準偏差。

在冬小麥的生長期(3—5月)，各地級市不同月份的O3變化趨勢(圖3)可以看出，隨著3—5月溫度上升，山西省各地級市的O3濃度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。全省3、4、5月O3的平均濃度分別為29、34和48 nmol·mol-1，4月和5月O3濃度較3月和4月分別上升19.4%和40.7%。其中，3、4、5月O3濃度最高的城市分別為晉城市(35 nmol·mol-1)、忻州市(40 nmol·mol-1)和長治市(56 nmol·mol-1)。4月忻州市的O3濃度為40 nmol·mol-1，較3月(27 nmol·mol-1)上升48.7%，高于其他城市；5月太原市的O3濃度為42 nmol·mol-1，較4月(25 nmol·mol-1)上升65.9%，高于其他城市。

2.2 O3 污染對山西省冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響

山西省不同地區(qū)的M7指數(shù)和AOT40指數(shù)如圖4所示。山西省不同縣(市、區(qū))的M7為48～53 nmol·mol-1，平均值為50 nmol·mol-1；各地級市的M7為 49～52 nmol·mol-1，其中呂梁市最小(49 nmol·mol-1)，陽泉市、長治市、晉城市最大(52 nmol·mol-1)。不同縣(市、區(qū))的A40為13～20 μmol·mol-1，平均值為18 μmol·mol-1；各地級市的A40為15～20 μmol·mol-1，其中呂梁市最小(15 μmol·mol-1)，晉城市最大(20 μmol·mol-1)。山西省A40(均值18 μmol·mol-1)大于長三角地區(qū)(4.3～15.82 μmol·mol-1)，顯示山西省在冬小麥生長階段的O3污染較重。總體來看，在冬小麥生長期間，山西省M7和A40的空間分布情況與O3的平均濃度分布基本一致。

誤差為數(shù)據(jù)的標準偏差。

結合M7、AOT40與冬小麥相對產(chǎn)量之間的響應方程，進一步計算山西省各縣冬小麥的相對產(chǎn)量損失和產(chǎn)量損失，將各地級市每個縣(市、區(qū))的產(chǎn)量損失累加，使用產(chǎn)量損失數(shù)據(jù)和實際產(chǎn)量計算每個地級市的相對產(chǎn)量損失；進一步將所有地級市的產(chǎn)量損失累加，得到山西省冬小麥的產(chǎn)量損失和相對產(chǎn)量損失(圖5)。O3污染對山西省冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響為7.87%(M7指數(shù)法)～24.28%(AOT40指數(shù)法)。采用2種方法計算O3對山西省各地級市冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響，結果存在一定的差異，與之前在長三角[18]、東亞[25]等地的研究結果相似。使用M7指數(shù)法計算得到全省相對產(chǎn)量損失的范圍為6.99%～8.41%，平均值為7.87%；使用AOT40指數(shù)法得到全省相對產(chǎn)量損失的范圍為20.79%～26.00%，平均值為24.28%。金明紅[11]在河北開展的OTC試驗中發(fā)現(xiàn)，當冬小麥生產(chǎn)過程中AOT40指數(shù)達到23 μmol·mol-1時，可造成冬小麥減產(chǎn)30%，筆者研究結果與之基本一致。兩種方法結果的差異反映了方法本身的特點，M7指數(shù)法反映的是O3暴露濃度對冬小麥的生長影響，而AOT40指數(shù)法反映的是O3暴露劑量導致的長期累積效應，因此AOT40指數(shù)法更能反映在冬小麥生長期O3暴露對產(chǎn)量的影響[14]。

圖4 山西省冬小麥生長期O3暴露濃度的M7指數(shù)和AOT40指數(shù)空間分布特征

使用M7指數(shù)法計算得到山西省相對產(chǎn)量損失平均值為7.87%，高于較早在全球(3.9%)、中國(6%)、日本(7%)和長三角(5.7%)的研究結果，略低于在韓國(8.8%)的研究結果[15-16,18]；使用AOT40指數(shù)法計算得到的山西省相對產(chǎn)量損失平均值(24.28%)高于較早在全球(15.4%)、江蘇省(23.9%)的研究結果，略低于長三角(25.5%)的研究結果[12,16,18]。兩種方法的結果均表明，與其他地區(qū)相比，O3對山西省冬小麥產(chǎn)量的影響比較嚴重。

使用M7指數(shù)和AOT40指數(shù)法計算O3對山西省各地級市冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響結果趨勢基本一致，相對產(chǎn)量損失影響最大均出現(xiàn)在晉城市，兩種方法得到的相對產(chǎn)量損失分別達到8.41%和26.00%；此外，在O3濃度較高的長治市、陽泉市和運城市，O3對冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響均超過全省平均值。使用M7指數(shù)和AOT40指數(shù)法計算O3對山西省各地級市冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響最小值(除無冬小麥種植的大同市)均出現(xiàn)在呂梁市，兩種方法得到的相對產(chǎn)量損失分別達到6.99%和20.79%。

2.3 O3污染導致的山西省冬小麥產(chǎn)量損失和直接經(jīng)濟損失

使用M7指數(shù)法和AOT40指數(shù)法分別計算O3污染對山西省各地級市冬小麥產(chǎn)量損失和經(jīng)濟損失的影響。表1顯示，O3污染導致的山西省冬小麥產(chǎn)量損失為236 943.07 t(M7指數(shù)法)～889 176.97 t(AOT40指數(shù)法)，帶來的直接經(jīng)濟損失為55 918.57 萬元(M7指數(shù)法)～209 845.77萬元(AOT40指數(shù)法)。O3污染導致的山西省冬小麥產(chǎn)量損失已經(jīng)關乎山西省的糧食安全問題，應該引起重視。

運城市由于O3污染導致的冬小麥產(chǎn)量損失和經(jīng)濟損失最大，使用M7指數(shù)法和AOT40法計算的產(chǎn)量損失分別為129 822.02和488 853.74 t，因此帶來的直接經(jīng)濟損失達到30 638.00萬和115 369.48 萬元。雖然O3污染導致的運城市冬小麥相對產(chǎn)量損失低于晉城市、長治市和陽泉市，但因為運城市是山西省主要冬小麥產(chǎn)區(qū)，導致運城市冬小麥的產(chǎn)量損失和直接經(jīng)濟損失最大。

類似的情況也發(fā)生在臨汾市，雖然相對產(chǎn)量損失低于全省平均值，但其產(chǎn)量損失和直接經(jīng)濟損失僅次于運城市。陽泉市雖然O3污染導致的冬小麥相對產(chǎn)量損失較高，但由于冬小麥產(chǎn)量低，導致其產(chǎn)量損失和直接經(jīng)濟損失較少。

圖中橫線分別為M7和AOT40指數(shù)法得到的各地市冬小麥相對產(chǎn)量損失率的平均值。

表1 O3污染對山西省冬小麥產(chǎn)量損失和直接經(jīng)濟損失的影響

2.4 研究結果的不確定性

(1)研究中使用的O3觀測數(shù)據(jù)是各個市區(qū)的數(shù)據(jù)，而大部分地區(qū)的O3數(shù)據(jù)都是通過插值方法得到的。研究顯示，農(nóng)村和郊區(qū)的O3由于消耗較少導致濃度高于城市，因此得到的M7指數(shù)和AOT40指數(shù)可能會偏低，其所導致的相對產(chǎn)量損失和產(chǎn)量損失計算結果也會偏低[18]。

(2)M7指數(shù)法和AOT40指數(shù)法分別采用由美國和歐洲科學家開發(fā)的作物污染物影響評價模型，主要是考慮了O3暴露濃度和暴露劑量對冬小麥的影響，未進一步考慮作物本身抗性、氣候變化等因素的影響[28]，結果會存在一定的不確定性。

(3)研究中使用的M7指數(shù)法和AOT40指數(shù)法采用的效應公式均為引用其他研究，未進行本地化實驗，尤其是針對本地冬小麥品種進行的實驗。已有研究表明，魯西北地區(qū)冬小麥的O3耐受性要明顯強于文獻報道的研究結果[19]。因此，研究結果可能會高估相對產(chǎn)量損失和產(chǎn)量損失。

3 結論

在冬小麥的生長期(3—5月)，山西省O3平均濃度為37 nmol·mol-1，濃度最高的地級市是長治市、晉城市和陽泉市。山西省M7指數(shù)和AOT40指數(shù)的空間分布情況與O3的平均濃度分布情況基本一致，各地級市的M7指數(shù)在49～52 nmol·mol-1之間，其中陽泉市、長治市、晉城市的M7指數(shù)最大；AOT40指數(shù)在15～20 μmol·mol-1之間，其中晉城市的AOT40指數(shù)最大。O3污染對山西省冬小麥相對產(chǎn)量損失的影響為7.87%(M7指數(shù)法)～24.28%(AOT40指數(shù)法)，導致山西省冬小麥產(chǎn)量損失為236 943.07 t(M7指數(shù)法)～889 176.97 t(AOT40指數(shù)法)，帶來的直接經(jīng)濟損失為55 918.57萬元(M7指數(shù)法)～209 845.77萬元(AOT40指數(shù)法)。研究結果顯示，O3對山西省冬小麥的生長影響較大，已經(jīng)成為影響產(chǎn)量的重要因素。因此，面對嚴峻的O3污染形勢，必須采取必要的措施，降低O3前體物NOx和VOCs的排放，從而降低環(huán)境空氣中的O3濃度，減少因O3污染所造成的農(nóng)業(yè)損失。