环境空气中臭氧(O3)污染对山西省冬小麦产量的影响

杨 超，米晓楠，李 燕，王志伟

(山西省气候中心，山西 太原 030006)

随着我国大气污染防治工作的开展，以PM2.5为代表的大气颗粒物污染逐年减轻，以超过GB 3095—2012《环境空气质量标准》中污染限值为标准的臭氧(O3)污染逐渐加重[1-2]。2019年，全国地级及以上城市中以O3为首要污染物的超标天数占总超标天数的41.7%，仅次于占比45%的PM2.5[3]。2016、2017、2018和2019年全国地级及以上城市PM2.5年均浓度分别为47、43、39和36 μg·m-3，呈逐年下降趋势，与之对应的是O3日最大8 h平均第90百分位数浓度整体呈上升趋势，分别为138、149、151和148 μg·m-3[3]。O3是排放到空气中的氮氧化物(NOx)、挥发性有机物(VOCs)经过一系列的大气化学反应生成的二次污染物，由于其所导致的人体健康效应、影响二次气溶胶生成的环境效应和影响植物生长的生物效应得到广泛的关注[4-6]。在植物生长的过程中，暴露的O3主要通过气孔进入植物体内，转化为活性氧和过氧化氢，从而改变植物细胞成分，甚至导致植物死亡。当O3进入叶绿体后会发生直接或间接损害光合作用的反应，导致叶片过早衰老，光合作用减少，从而使同化物质有效性降低，改变同化物质的分配，进而导致植物产量下降[6-9]。O3会对几乎所有的农作物产生危害，而对O3比较敏感的作物如冬小麦等受到高浓度O3污染时造成的减产和损失会更大[10]。

O3对冬小麦生长的影响可以通过田间的控制环境研究法、田间暴露法和田间小区法来测算，其中田间暴露法中的田间开顶式气室法(open-top chamber，OTC)常被用来研究O3对冬小麦生长的影响。在我国河北开展的一项OTC实验发现，长期暴露在O3浓度分别为50、100和200 nmol·mol-1的环境中会导致冬小麦单株产量分别下降10.5%、58.6%和80.4%[11]。FENG等[6]综合国内外53篇研究文献，分析得到冬小麦暴露在77 nmol·mol-1O3中时产量会下降26%。在OTC等野外实验的基础上，已有研究建立了O3的暴露浓度或剂量(如M7、AOT40、SUM06等)和作物产量影响之间的关系模型，初步确定了O3污染影响冬小麦等作物产量的定量化关系[9, 12-14]。较早的研究模拟了东亚地区1990年的O3生成情况，使用M7指数法研究了O3对冬小麦生长的影响，结果发现O3污染会导致中国、日本和韩国的冬小麦产量分别下降6%、7%和8.8%[15]；类似的研究使用M7指数法和AOT40法发现，2000年O3污染导致全球小麦减产3.9%～15%[16]；2015年一项基于观测数据结合AOT40法在江苏、浙江各地市开展O3对冬小麦产量影响的研究中显示，冬小麦生长期期间AOT40为4.30～15.82 μmol·mol-1，O3污染会对导致冬小麦减产9.86%～36.05%，造成的产量损失为552.55万t[17]。基于观测数据的研究结果虽更能反映O3的真实暴露情况，但我国O3对冬小麦生长影响的研究多集中在长三角、山东等地，且研究时间较早[17-19]。近些年随着大气污染形势的变化，较高的O3浓度对冬小麦生长产生的影响尚不明确，开展O3污染所带来的危害研究有很重要的科学意义。

作为我国重要的煤炭资源储存和利用大省，山西省以能源、冶金为代表的重工业发达，大量的VOCs和NOx排放导致空气中的O3浓度升高[20]。对2017年全国地级及以上城市的O3进行插值分析发现，包括山西在内的4个省份是全国O3污染最显著的区域[21]。2017和2018年全省11个地级市O3日最大8 h第 90 百分位数平均浓度分别为186和182 μg·m-3，超过全国地级及以上城市平均值的24.8%和20.5%[22]。小麦是山西省的重要粮食作物，2017年小麦产量达232.40万t，主要以冬小麦为主[23]，因此冬小麦生产对支撑山西省粮食安全有重要作用。高浓度的O3会对山西省冬小麦的生长产生重要影响，但目前针对山西省冬小麦生长影响的研究鲜有报道，不能准确估计因O3污染导致的产量损失。笔者利用中国环境监测总站全国城市空气质量实时发布平台所提供的O3浓度监测数据，分析山西省冬小麦主要生长季期间O3浓度，计算冬小麦O3暴露浓度(M7指数)和暴露剂量(AOT40指数)及其变化特征，评估O3污染给冬小麦带来的产量损失，研究成果可为评价大气环境污染带来的损失和污染防治提供支撑。

1 研究材料与方法

1.1 O3观测数据及处理

为研究环境空气中O3对山西省冬小麦生长期(3—5月)[18]的影响，使用山西省11个地级市环境空气质量国控监测点位的逐时O3观测数据，数据来源为全国大气污染物监测平台(http:∥106.37.208.233:/20035)，山西省11个地级市共有国控监测点位55个。先对数据进行筛选和质控，删去数据中的异常值，11个地级市O3数据的有效性达98.8%～100.0%，基本能反映研究时段的O3污染状况。

为了弥补数据在空间上的缺失，使用ArcGIS 10.2软件中的插值法绘制O3浓度的空间分布图，然后计算每个县(区、市)的O3浓度。插值方法采用经验贝叶斯克里金法(EBK)[15,24]。

1.2 评估模型的选取

用于定量分析O3对作物生长影响的指标包括暴露浓度和暴露剂量2种，分别使用M7指数和AOT40指数来分析这2种指标对冬小麦产量的影响。

一般情况下，高浓度的O3主要出现在白天，对作物生长影响最大的时段也是白天，故使用白天的O3浓度分析O3暴露浓度对冬小麦的生长影响。M7指数(M7)为白天7 h(09:00—16:00)的O3浓度平均值。M7指数是由美国国家环境保护局(USEPA) 建立的主要农作物产量与O3浓度之间的定量关系，已被广泛应用到冬小麦的O3暴露评估中[25]。

M7=∑CO3[9-16]/N。

(1)

式(1)中，CO3[9-16]为研究期间不同地区09:00—16:00的O3浓度小时值，nmol·mol-1；N为有效数据数。

选取广泛使用M7与冬小麦相对产量(YR)之间的关系式[16]：

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

(2)

研究表明，O3暴露剂量就是在作物生长期内O3浓度的积分，反映的是O3长期累积效应。在计算过程中，通常在考虑O3对作物暴露临界值的基础上计算高浓度O3对作物生长的影响累积值。欧洲开发的AOT40(O3浓度超过40 nmol·mol-1的累积，A40)是评价冬小麦O3污染暴露剂量常用的指标[14]。

A40=∑Co3-40。

(3)

式(3)中，Co3-40为研究期间O3浓度≥40 nmol·mol-1时的O3小时浓度值，nmol·mol-1。

AOT40与冬小麦相对产量之间的关系式[11]为

YR=1-0. 012 96×A40。

(4)

1.3 冬小麦产量和经济损失的估算

据《山西统计年鉴》，2017年山西省小麦种植面积为5.61×106hm2，产量达2.32×106t，种植区域主要分布在南部的晋城、运城、临汾和长治等地，且以冬小麦种植为主[23]。在对每个县(市、区)进行O3对冬小麦产量影响评估的基础上，计算得到每个县(市、区)冬小麦的相对产量，再结合每个县(市、区)冬小麦的实际产量，计算冬小麦的产量损失。

LC=RC×YR/(1-YR)。

(5)

式(5)中，LC为冬小麦的产量损失，t；RC为冬小麦的实际产量，t。

将山西省11个地级市每个县(市、区)的产量损失分别累加，得到每个地级市的产量损失情况，再计算每个地级市的相对产量损失；进一步将所有地级市的产量损失累加，得到山西省冬小麦的产量损失和相对产量损失。

O3导致冬小麦减产所造成的直接经济损失可以通过下列公式计算：

LE=LC×PW。

(6)

式(6)中，LE为经济损失，元；PW为冬小麦价格，元·kg-1，以国家发展与改革委员会发布的2017年小麦最低收购价(2.36元·kg-1)计算[26]。

2 结果与讨论

2.1 山西省2017年冬小麦生长期O3浓度的时空变化特征

在冬小麦的生长期间，山西省O3平均浓度为37 nmol·mol-1(图1)。

上下横线分别表示最大值和最小值，箱图方框上、中、下横线分别表示上四分位数、中值和下四分位数，黑点表示均值。

O3浓度最高的地级市是长治市，平均浓度达43 nmol·mol-1，较高的城市还包括晋城市(42 nmol·mol-1)和阳泉市(41 nmol·mol-1)；O3浓度最低的地级市是吕梁市(24 nmol·mol-1)，太原市O3浓度也较低(29 nmol·mol-1)。造成O3浓度区域分布不均的原因一方面与不同地级市的O3前体物VOCs和NOx排放量有关，长治市、晋城市、阳泉市的工业(尤其是VOCs排放量大的化工行业)发达，排放到空气中的VOCs和NOx会生成O3，造成O3浓度升高；另一方面与不同城市的位置相关，位于山西省南部地区的地级市温度高于北部地区，有利于光化学反应的进行，O3浓度会高于其他地区。

图2显示，全省环境空气中O3浓度呈明显的单峰分布，总体呈现白天高、夜间低的特征。O3浓度最低值出现在07：00(18 nmol·mol-1)，随着日出后的光照增强、温度上升和排放到空气中的O3前体物VOCs和NOx的增多，O3浓度逐渐上升，在15：00—17：00达到全天的峰值(60 nmol·mol-1)；此后，随着光照的减弱和温度的下降，O3的消耗速率远高于产生速率，O3浓度不断降低，至07：00达到最低值。山西省各地级市整体O3的日变化情况与之前在山西省太原市等地发现的变化趋势一致[27]。

误差为数据的标准偏差。

在冬小麦的生长期(3—5月)，各地级市不同月份的O3变化趋势(图3)可以看出，随着3—5月温度上升，山西省各地级市的O3浓度均呈现逐渐上升的趋势。全省3、4、5月O3的平均浓度分别为29、34和48 nmol·mol-1，4月和5月O3浓度较3月和4月分别上升19.4%和40.7%。其中，3、4、5月O3浓度最高的城市分别为晋城市(35 nmol·mol-1)、忻州市(40 nmol·mol-1)和长治市(56 nmol·mol-1)。4月忻州市的O3浓度为40 nmol·mol-1，较3月(27 nmol·mol-1)上升48.7%，高于其他城市；5月太原市的O3浓度为42 nmol·mol-1，较4月(25 nmol·mol-1)上升65.9%，高于其他城市。

2.2 O3 污染对山西省冬小麦相对产量损失的影响

山西省不同地区的M7指数和AOT40指数如图4所示。山西省不同县(市、区)的M7为48～53 nmol·mol-1，平均值为50 nmol·mol-1；各地级市的M7为 49～52 nmol·mol-1，其中吕梁市最小(49 nmol·mol-1)，阳泉市、长治市、晋城市最大(52 nmol·mol-1)。不同县(市、区)的A40为13～20 μmol·mol-1，平均值为18 μmol·mol-1；各地级市的A40为15～20 μmol·mol-1，其中吕梁市最小(15 μmol·mol-1)，晋城市最大(20 μmol·mol-1)。山西省A40(均值18 μmol·mol-1)大于长三角地区(4.3～15.82 μmol·mol-1)，显示山西省在冬小麦生长阶段的O3污染较重。总体来看，在冬小麦生长期间，山西省M7和A40的空间分布情况与O3的平均浓度分布基本一致。

误差为数据的标准偏差。

结合M7、AOT40与冬小麦相对产量之间的响应方程，进一步计算山西省各县冬小麦的相对产量损失和产量损失，将各地级市每个县(市、区)的产量损失累加，使用产量损失数据和实际产量计算每个地级市的相对产量损失；进一步将所有地级市的产量损失累加，得到山西省冬小麦的产量损失和相对产量损失(图5)。O3污染对山西省冬小麦相对产量损失的影响为7.87%(M7指数法)～24.28%(AOT40指数法)。采用2种方法计算O3对山西省各地级市冬小麦相对产量损失的影响，结果存在一定的差异，与之前在长三角[18]、东亚[25]等地的研究结果相似。使用M7指数法计算得到全省相对产量损失的范围为6.99%～8.41%，平均值为7.87%；使用AOT40指数法得到全省相对产量损失的范围为20.79%～26.00%，平均值为24.28%。金明红[11]在河北开展的OTC试验中发现，当冬小麦生产过程中AOT40指数达到23 μmol·mol-1时，可造成冬小麦减产30%，笔者研究结果与之基本一致。两种方法结果的差异反映了方法本身的特点，M7指数法反映的是O3暴露浓度对冬小麦的生长影响，而AOT40指数法反映的是O3暴露剂量导致的长期累积效应，因此AOT40指数法更能反映在冬小麦生长期O3暴露对产量的影响[14]。

图4 山西省冬小麦生长期O3暴露浓度的M7指数和AOT40指数空间分布特征

使用M7指数法计算得到山西省相对产量损失平均值为7.87%，高于较早在全球(3.9%)、中国(6%)、日本(7%)和长三角(5.7%)的研究结果，略低于在韩国(8.8%)的研究结果[15-16,18]；使用AOT40指数法计算得到的山西省相对产量损失平均值(24.28%)高于较早在全球(15.4%)、江苏省(23.9%)的研究结果，略低于长三角(25.5%)的研究结果[12,16,18]。两种方法的结果均表明，与其他地区相比，O3对山西省冬小麦产量的影响比较严重。

使用M7指数和AOT40指数法计算O3对山西省各地级市冬小麦相对产量损失的影响结果趋势基本一致，相对产量损失影响最大均出现在晋城市，两种方法得到的相对产量损失分别达到8.41%和26.00%；此外，在O3浓度较高的长治市、阳泉市和运城市，O3对冬小麦相对产量损失的影响均超过全省平均值。使用M7指数和AOT40指数法计算O3对山西省各地级市冬小麦相对产量损失的影响最小值(除无冬小麦种植的大同市)均出现在吕梁市，两种方法得到的相对产量损失分别达到6.99%和20.79%。

2.3 O3污染导致的山西省冬小麦产量损失和直接经济损失

使用M7指数法和AOT40指数法分别计算O3污染对山西省各地级市冬小麦产量损失和经济损失的影响。表1显示，O3污染导致的山西省冬小麦产量损失为236 943.07 t(M7指数法)～889 176.97 t(AOT40指数法)，带来的直接经济损失为55 918.57 万元(M7指数法)～209 845.77万元(AOT40指数法)。O3污染导致的山西省冬小麦产量损失已经关乎山西省的粮食安全问题，应该引起重视。

运城市由于O3污染导致的冬小麦产量损失和经济损失最大，使用M7指数法和AOT40法计算的产量损失分别为129 822.02和488 853.74 t，因此带来的直接经济损失达到30 638.00万和115 369.48 万元。虽然O3污染导致的运城市冬小麦相对产量损失低于晋城市、长治市和阳泉市，但因为运城市是山西省主要冬小麦产区，导致运城市冬小麦的产量损失和直接经济损失最大。

类似的情况也发生在临汾市，虽然相对产量损失低于全省平均值，但其产量损失和直接经济损失仅次于运城市。阳泉市虽然O3污染导致的冬小麦相对产量损失较高，但由于冬小麦产量低，导致其产量损失和直接经济损失较少。

图中横线分别为M7和AOT40指数法得到的各地市冬小麦相对产量损失率的平均值。

表1 O3污染对山西省冬小麦产量损失和直接经济损失的影响

2.4 研究结果的不确定性

(1)研究中使用的O3观测数据是各个市区的数据，而大部分地区的O3数据都是通过插值方法得到的。研究显示，农村和郊区的O3由于消耗较少导致浓度高于城市，因此得到的M7指数和AOT40指数可能会偏低，其所导致的相对产量损失和产量损失计算结果也会偏低[18]。

(2)M7指数法和AOT40指数法分别采用由美国和欧洲科学家开发的作物污染物影响评价模型，主要是考虑了O3暴露浓度和暴露剂量对冬小麦的影响，未进一步考虑作物本身抗性、气候变化等因素的影响[28]，结果会存在一定的不确定性。

(3)研究中使用的M7指数法和AOT40指数法采用的效应公式均为引用其他研究，未进行本地化实验，尤其是针对本地冬小麦品种进行的实验。已有研究表明，鲁西北地区冬小麦的O3耐受性要明显强于文献报道的研究结果[19]。因此，研究结果可能会高估相对产量损失和产量损失。

3 结论

在冬小麦的生长期(3—5月)，山西省O3平均浓度为37 nmol·mol-1，浓度最高的地级市是长治市、晋城市和阳泉市。山西省M7指数和AOT40指数的空间分布情况与O3的平均浓度分布情况基本一致，各地级市的M7指数在49～52 nmol·mol-1之间，其中阳泉市、长治市、晋城市的M7指数最大；AOT40指数在15～20 μmol·mol-1之间，其中晋城市的AOT40指数最大。O3污染对山西省冬小麦相对产量损失的影响为7.87%(M7指数法)～24.28%(AOT40指数法)，导致山西省冬小麦产量损失为236 943.07 t(M7指数法)～889 176.97 t(AOT40指数法)，带来的直接经济损失为55 918.57万元(M7指数法)～209 845.77万元(AOT40指数法)。研究结果显示，O3对山西省冬小麦的生长影响较大，已经成为影响产量的重要因素。因此，面对严峻的O3污染形势，必须采取必要的措施，降低O3前体物NOx和VOCs的排放，从而降低环境空气中的O3浓度，减少因O3污染所造成的农业损失。