近地面臭氧污染對江蘇省冬小麥產(chǎn)量的影響評估

王倩 劉苗苗

摘要 江蘇省是全國冬小麥主產(chǎn)區(qū)，同時也面臨著嚴(yán)重的臭氧污染?；诖髿馕廴经h(huán)境建模研究得到精細(xì)化、長時間尺度臭氧濃度數(shù)據(jù)，以江蘇省下轄97個縣級行政區(qū)為研究單元，結(jié)合AOT40的暴露響應(yīng)關(guān)系，評估2007—2019年臭氧污染導(dǎo)致的冬小麥產(chǎn)量損失。結(jié)果表明，2007—2019年冬小麥生長期AOT40的范圍為10.71～22.14 ppm·h，在2017年達(dá)到峰值。2015年以前蘇南污染較為嚴(yán)重，近五年來蘇北地區(qū)，特別是徐州臭氧污染加劇。冬小麥總產(chǎn)量的51.6%暴露在15.0～17.5 ppm·h的臭氧劑量。2007—2019年，江蘇省冬小麥年相對產(chǎn)量損失范圍為14.42%～23.92%，年產(chǎn)量損失達(dá)275～544萬t，約相當(dāng)于2.5～5千萬人的糧食消費(fèi)。臭氧污染對江蘇省冬小麥生產(chǎn)造成了較為嚴(yán)重的威脅，應(yīng)當(dāng)采取有效的大氣污染防治措施進(jìn)一步減輕污染水平，保障糧食生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞 臭氧污染;AOT40;冬小麥;產(chǎn)量損失

中圖分類號：S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）05–0016–04

近年來，臭氧污染逐漸凸顯。2019年，我國臭氧年平均濃度達(dá)148 μg/m3，與2018年同比上升6.5%，以臭氧為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的41.8%。站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，江蘇省臭氧已取代細(xì)顆粒物污染（PM2.5），成為空氣首要污染物。

大量研究證實(shí)，小麥、水稻、玉米、大豆等對臭氧污染敏感，其中冬小麥?zhǔn)浅粞趺舾行宰罡叩淖魑镱愋蚚1-5]。暴露響應(yīng)關(guān)系法是評估農(nóng)作物臭氧減產(chǎn)風(fēng)險的主要方法。趙輝等[6]通過計(jì)算省年均臭氧濃度均值，評估了臭氧對全國2015—2018年農(nóng)作物產(chǎn)量的影響。葉聽聽等[7]采用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金法對臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間插值，以縣級行政區(qū)為研究單元對2014年長三角地區(qū)冬小麥產(chǎn)量損失進(jìn)行了評估。Feng等[8]和Hu等[9]分別基于臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過克里金空間插值估算區(qū)縣臭氧暴露從而評估了2014—2017年華北平原地表臭氧造成的小麥和玉米產(chǎn)量損失。但僅依據(jù)臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)自身分布規(guī)律進(jìn)行簡單插值，未考慮到土地覆蓋類型、氣象條件等對臭氧分布的影響，大大降低了評估結(jié)果的可靠性。

基于大氣污染環(huán)境建模得到精細(xì)化、長時間尺度臭氧濃度數(shù)據(jù)，以江蘇省下轄97個縣級行政區(qū)（以下簡稱區(qū)縣）為研究單元，結(jié)合AOT40的暴露響應(yīng)關(guān)系，評估2007—2019年臭氧污染導(dǎo)致的冬小麥產(chǎn)量損失，以提高臭氧對江蘇省農(nóng)作物產(chǎn)量損失評估的精準(zhǔn)性。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.1.1 臭氧模擬數(shù)據(jù) 以Liu等[10]以往論文中的建?；舅悸泛椭饕獢?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象資料、化學(xué)傳輸模式擬數(shù)據(jù)和土地利用等資料，基于隨機(jī)森林模型算法開發(fā)統(tǒng)計(jì)模型，估算了我國2007—2019年逐日的0.1°×0.1°的臭氧暴露指標(biāo)AOT40數(shù)據(jù)，并通過交叉驗(yàn)證證明了預(yù)測數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。本研究采用了這一臭氧模擬數(shù)據(jù)。

1.1.2 冬小麥年產(chǎn)量 江蘇省下轄97個區(qū)縣2007—2019年水稻和冬小麥的年產(chǎn)量來源于中國縣域統(tǒng)計(jì)年鑒。由于部分市轄區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動比重較小，統(tǒng)計(jì)年鑒中以兩個或兩個以上區(qū)域的產(chǎn)量合并顯示，本研究在計(jì)算臭氧減產(chǎn)效應(yīng)時將其合并單元作為一個研究單元處理。

1.1.3 生長發(fā)育期 冬小麥生長發(fā)育期數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)公布的中國農(nóng)作物生長發(fā)育旬值數(shù)據(jù)集，其中江蘇省有24個監(jiān)測站點(diǎn)（圖1）。數(shù)據(jù)時間范圍為1991年9月—2014年4月。首先，基于數(shù)據(jù)的旬作物名稱、發(fā)育期名稱和發(fā)育期日期3個參數(shù)，計(jì)算每個站點(diǎn)冬小麥年均揚(yáng)花期。然后參考Zhu等[11]的研究，選擇冬小麥生長期為從揚(yáng)花期開始前44天到其后的30天為冬小麥生長期。并用普通克里金法插值到與臭氧模擬數(shù)據(jù)相同的0.1°×0.1°網(wǎng)格上。

1.2 生長期臭氧暴露表征

根據(jù)生長期網(wǎng)格插值數(shù)據(jù)，將每個網(wǎng)格冬小麥生長期中逐日的AOT40累加，得到每個網(wǎng)格每年水稻和冬小麥生長期的臭氧暴露指標(biāo)AOT40。在區(qū)縣研究單元上取平均值后，得到各區(qū)縣每年水冬小麥生長期的臭氧暴露劑量AOT40值。

1.3 冬小麥產(chǎn)量損失計(jì)算

冬小麥相對產(chǎn)量對臭氧暴露AOT40的響應(yīng)函數(shù)參考Feng等[12]的研究，計(jì)算公式如（1）、（2）、（3）所示：

RY=-0.1296×AOT40+1? ? ? ? ? ? ?（1）

RYL=1-RY? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

WPL=RYL×WP/（1-RYL）? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，RY相對產(chǎn)量;RYL表示相對產(chǎn)量損失;WP表示冬小麥的年產(chǎn)量（t）;WPL表示冬小麥的年產(chǎn)量損失（t），即不受臭氧污染影響的冬小麥理論產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量之間的差值。

計(jì)算出各區(qū)縣冬小麥產(chǎn)量損失后，累加至城市尺度得到每個地級市的的產(chǎn)量損失，并進(jìn)一步加和得到江蘇省總的產(chǎn)量損失。江蘇省的相對產(chǎn)量損失由總產(chǎn)損失除以不受臭氧污染的理論總產(chǎn)量計(jì)算得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 生長期分布

江蘇省各地冬小麥起始生長期集中在3月1日—3月15日，生長期結(jié)束日期在5月14日—5月28日。其中蘇南地區(qū)的冬小麥生長期相比于蘇北地區(qū)起始期更早一些。連云港、宿遷、淮安、鹽城、徐州冬小麥起始生長期集中于3月8日—3月15日;南京、鎮(zhèn)江、南通、泰州、揚(yáng)州、無錫、蘇州、常州冬小麥起始生長期集中在3月1日—3月5日，比蘇北地區(qū)普遍提前1周左右。這可能與蘇南地區(qū)比蘇北地區(qū)升溫更早、溫度更高有關(guān)。

研究結(jié)果與前人研究中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定或者田間試驗(yàn)觀測到的江蘇省冬小麥生長期能較好匹配。以往對江蘇省或長三角的有關(guān)研究中，趙輝等[11]選擇3月22日—5月22日為江蘇省冬小麥生長期;葉聽聽等[7]選擇3—5月作為長三角冬小麥生長期;Feng等[12]將南京市冬小麥生長期定為3月15日—5月15日;Wang等[13]通過田間實(shí)驗(yàn)觀測，2004—2008年冬小麥生長期起始于3月15—20日之間，終止于4月28日—5月13日。

2.2 生長期AOT40時空分布

研究時期內(nèi)，所有區(qū)縣年生長期AOT40的范圍為10.71～22.14 ppm·h;2007—2019年AOT40平均值分別為17.52、16.14、16.52、12.73、17.27、16.06、14.85、13.65、13.8、15.37、19.44、17.88、16.20 ppm·h（圖2）。時間趨勢上，除極端年份2010年以外，2007—2012年AOT40較為穩(wěn)定，均值維持在16～18 ppm·h之間。2013—2017年AOT40總體呈緩慢上升趨勢，到2017年達(dá)到峰值后，隨著近兩年環(huán)境監(jiān)管力度的加強(qiáng)和相關(guān)污染防治措施的實(shí)施，臭氧水平顯著下降。

冬小麥生長期AOT40在空間分布上呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性（圖3）。多年AOT40平均值的高值依次出現(xiàn)在揚(yáng)州（16.56 ppm·h）、徐州（16.34 ppm·h）和鹽城（16.31 ppm·h）;多年AOT40平均值的最低值出現(xiàn)在無錫（15.33 ppm·h），其次是南通（15.58 ppm·h）和宿遷（15.67 ppm·h）。區(qū)縣尺度上，2015年以前，AOT40高值主要分布在蘇南地區(qū)，特別是蘇州南部、無錫北部、常州東部和揚(yáng)州全域;近五年蘇北地區(qū)臭氧污染加劇，冬小麥生長期AOT40趕超蘇南地區(qū)，特別是徐州西北部和鹽城西部較為嚴(yán)重。

將研究期間江蘇省各區(qū)縣同一臭氧暴露水平下的年產(chǎn)量進(jìn)行匯總，分析不同暴露水平的產(chǎn)量分布（圖4）。冬小麥生長期臭氧暴露劑量AOT40在10～23 ppm·h，其中，研究期間冬小麥總產(chǎn)量的51.6%分布在臭氧暴露劑量15.0～17.5 ppm·h;其次，總產(chǎn)量的31.3%分布在臭氧暴露劑量10～15 ppm·h，較少的產(chǎn)量（4.7%）分布在20 ppm·h以上。

2.3 相對產(chǎn)量損失與產(chǎn)量損失

江蘇省2007—2019年冬小麥年相對產(chǎn)量損失分別為21.69%、20.89%、21.10%、16.56%、21.92%、20.96%、19.30%、17.55%、17.77%、20.87%、23.92%、22.91%和21.17%（圖5），與冬小麥生長期臭氧暴露劑量A0T40分布一致。2007—2019年13個地級市中相對產(chǎn)量損失最高的地區(qū)分別是揚(yáng)州（22.58%）、泰州（21.95%）、揚(yáng)州（22.32%）、泰州（17.14%）、蘇州（23.70%）、徐州（21.79%）、鹽城（21.08%）、淮安（19.46%）、揚(yáng)州（18.97%）、鹽城（21.88%）、宿遷（27.61%）、徐州（25.32%）和南京（23.94%）。2011年以前，蘇南地區(qū)冬小麥相對產(chǎn)量損失較為嚴(yán)重，隨后，由于臭氧污染在蘇北地區(qū)的加劇，使得近10年臭氧污染對蘇北地區(qū)冬小麥減產(chǎn)效應(yīng)加劇。

2007—2019年江蘇省每年冬小麥總產(chǎn)量范圍為1.05×107～1.41×107 t，臭氧污染導(dǎo)致的產(chǎn)量損失依次為3.25×106、3.56×106、3.70×106、2.75×106、4.10×106、3.87×106、3.52×106、3.27×106、3.32×106、3.95×106、5.44×106、4.74×106和4.28×106（圖6）。年平均冬小麥產(chǎn)量損失相當(dāng)于2.5～5千萬人一年的糧食消費(fèi)量。

2007—2019年，年冬小麥產(chǎn)量最高的地區(qū)是鹽城和徐州，同時它們也是研究期內(nèi)每年冬小麥產(chǎn)量損失最嚴(yán)重的地區(qū)，鹽城年平均產(chǎn)量損失為5.91×105 t;徐州年平均產(chǎn)量損失為5.83×105 t。年平均損失量最小的地區(qū)是南京（6.39×104 t），其次是無錫（6.79×104 t）。由于蘇北地區(qū)的臭氧污染逐漸加劇以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其遭受臭氧污染造成的作物減產(chǎn)顯著高于蘇南地區(qū)。

目前，以區(qū)縣為單元研究高精度尺度上臭氧減產(chǎn)效應(yīng)的研究較少。Feng等與本研究方法較為相似，同樣以區(qū)縣為研究單元，但其僅將臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)做簡單空間插值，結(jié)果表明2014—2019年長三角的冬小麥相對產(chǎn)量損失為4.9%～11.4%，由于未考慮農(nóng)村與城市臭氧濃度分布的差異，導(dǎo)致低估了臭氧對冬小麥的損失影響。對照田間暴露試驗(yàn)結(jié)果，Wang等[13]從2004到2008年分別在嘉興和江都開展了較長時間的臭氧對冬小麥影響的觀測試驗(yàn)，結(jié)果表明，在處理組目標(biāo)臭氧濃度160～214 μg/m3情景下，AOT40為1.58～22.61 ppm·h，開頂式氣室試驗(yàn)（OTC）和自由通風(fēng)開放式無氣室試驗(yàn)（O3-FACE）分別導(dǎo)致冬小麥實(shí)際減產(chǎn)8.5%～58%和10%～25%。本研究評估結(jié)果在暴露試驗(yàn)觀測結(jié)果范圍內(nèi)，驗(yàn)證了研究結(jié)果的可靠性。

3 結(jié)論

（1）2007—2019年，江蘇省所有區(qū)縣冬小麥生長期AOT40范圍為10.71～22.14 ppm·h。時間趨勢上，AOT40平均值總體呈波動緩慢上升趨勢，2010年AOT40平均值最低，2017年達(dá)到峰值后，近兩年下降趨勢明顯?？臻g分布上，呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異性，近五年來蘇北地區(qū)，特別是徐州臭氧污染較為嚴(yán)重。省內(nèi)冬小麥總產(chǎn)量的一半以上（51.6%）暴露在AOT40為15～17.5 ppm·h的臭氧劑量中。

（2）2007—2019年，江蘇省冬小麥年相對產(chǎn)量損失范圍為14.42%～23.92%，年產(chǎn)量損失達(dá)2.75×106～5.44×106 t，相當(dāng)于2.5～5千萬人一年的糧食消費(fèi)量。研究時期內(nèi)，年平均冬小麥產(chǎn)量損失最嚴(yán)重的地區(qū)是鹽城（5.91×105 t），其次是徐州（5.83×105 t）。年平均損失量最小的地區(qū)是南京（6.39×104 t），其次是無錫（6.79×104 t）。由于蘇北地區(qū)的臭氧污染逐漸加劇以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其遭受臭氧污染造成的作物減產(chǎn)顯著高于蘇南地區(qū)。

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責(zé)任編輯：黃艷飛