关键词:
臭氧污染
ST-LightGBM
M7臭氧指标
粮食安全
中国
摘要:
随着我国经济的快速发展,氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCS)等前体物排放增加,导致近地面臭氧(O3)浓度不断升高、污染问题日益突出。近地面O3是一种强氧化性污染物,会对农业生产造成损害,导致农作物减产。我国是农业生产大国,小麦产量居全球第一位,其中冬小麦产量占我国总小麦产量的94%。冬小麦被证明是O3敏感性作物,臭氧胁迫会导致冬小麦作物产量减少,从而引起粮食安全问题。因此,亟需开展近地面O3污染对冬小麦作物减产风险的评估研究。高精度、全覆盖O3数据获取是开展相关研究的重要前提。
空气质量监测站点是获取O3浓度的可靠方式,但城市与作物种植区O3污染水平具有显著时空差异。稀疏分布的城市区域站点O3数据难以精准表达作物种植区O3浓度时空变化特征,导致臭氧污染对作物产量影响评估结果的不确定性。目前有关臭氧胁迫对农作物影响的研究受到数据方面限制,进行臭氧减产效应评估存在空间尺度不够精细、时间趋势分析不足等问题,且大多研究未考虑低浓度臭氧污染对作物产量的影响。针对上述问题,本研究基于优化扩展的时空-轻量级梯度提升机(ST-LightGBM)模型,结合地面监测站点数据和卫星遥感数据等,反演构建2015-2022年中国10km分辨率下全覆盖M7(平均7小时日间O3浓度)臭氧浓度数据集。最后通过卫星遥感反演以及站点直接代替、站点空间插值三种处理方式评估了近地面臭氧污染对中国冬小麦产量影响的时空变化格局。主要研究工作和发现如下:
(1)中国近地面臭氧浓度遥感估算与时空变异规律分析。纳入时空特征信息构建时空轻量级梯度提升机模型,提高近地面臭氧反演预测精度。精度评估结果表明本研究所构建的模型性能表现良好,M7 O3预测值稳定可靠。模型具有较高的整体精度和空间预测能力,基于十折交叉验证的决定系数(CV-R2)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和平均相对误差(MRE)值分别为0.91和0.82、11.48μg/m3和16.59μg/m3、8.06μg/m3和11.98μg/m3、14.63%和22.61%。2015-2022年间CV-R2范围为0.87-0.95,RMSE区间为8.19-14.59μg/m3。由于空气污染防治措施的实施以及受到新冠肺炎影响,我国O3浓度呈阶段性上升趋势,年均M7 O3变化率为0.83μg/m3/yr。约79.22%的地区O3浓度处于增长趋势,其中华北平原地区O3污染最为严重。研究成果可为污染治理措施的制定提供理论支撑,对农业生产、粮食安全研究提供基础数据支撑。
(2)中国冬小麦生长季各市近地面臭氧污染情况及时空分布特征。通过三种处理方式获取2015-2022年冬小麦生长季全国各市M7浓度数据,各市M7的空间分布特征具有一致性,均表明我国臭氧污染具有明显的地域差异性;2015-2018年臭氧浓度呈上升趋势,在2018年达到最高值后开始下降,其中每年臭氧高值区位于山东省、江苏省。三种处理方式所得臭氧浓度在数值上存在显著差异,站点直接代替M7均值范围在78.24-95.82μg/m3之间;站点空间插值范围在80.31-92.68μg/m3之间;卫星遥感反演范围在83.72-97.88μg/m3之间。由于站点直接代替和站点空间插值处理方式仅依赖已有城市内部监测站点,没有考虑到农村臭氧浓度高于城市的情况,导致所得臭氧浓度偏低。
(3)近地面臭氧污染对中国各省市冬小麦产量影响的时空格局。三种处理方式评估所得结果时空分布格局与臭氧浓度时空分布格局具有一致性,臭氧污染高值区所在城市冬小麦相对产量损失较为严重。2015-2021年,基于站点直接代替、站点空间插值、卫星遥感反演三种处理方式下中国冬小麦相对产量损失范围分别为23.58%-33.59%、22.69%-33.00%、27.62%-34.97%;年产量损失分别达5547.07-9739.61万吨、5241.27-9544.84万吨、6722.03-9740.88万吨。值得注意的是,有的城市虽然臭氧污染较为严重,但由于不是冬小麦主产区,其农业产量较低,臭氧污染对冬小麦的产量损失低于臭氧污染程度较弱但以农业种植为主的城市。本身较不发达,经济更依靠农业的省市受臭氧污染导致的产量损失更为严重,臭氧污染加剧了区域发展的不平衡。