大氣氣溶膠對北京楊樹人工林生態系統生產力的影響

高 源,律 江,李春征,劉京宇,張志強

1 北京林業大學水保學院水土保持與荒漠化防治重點實驗室, 北京 100083 2 北京市共青林場, 北京 101300

自20世紀50年代起,全球絕大部分地區經歷了太陽輻射先減小后增加的過程[1]。研究表明大氣氣溶膠粒子可以吸收、散射太陽輻射,大氣氣溶膠是造成太陽輻射變化的最重要環境因子[2]。大氣氣溶膠不僅導致太陽總輻射和直接輻射的減小,還導致散射輻射和散射比例的增大(氣溶膠輻射效應)[3]。散射輻射比直接輻射的冠層穿透力更強,植被冠層對散射輻射的光能利用效率更高[4—5],進而散射輻射對陸地森林生態系統生產力有顯著影響[6—7]。因此,氣溶膠輻射效應會對陸地生態系統生產力和碳收支有不可忽視的影響[8]。

20世紀90年代早期,全球大氣CO2濃度出現了異常下降現象[9],研究發現1991年皮納圖博火山大噴發形成的火山灰氣溶膠導致了全球陸地生態系統碳吸收持續增大了3年[6]。隨著氣溶膠生態學效應研究工作的開展,多個模型模擬結果表明：在區域尺度上氣溶膠導致了陸地生態系統生產力增大[10—11],但在全球尺度上氣溶膠卻對陸地生態系統生產力的影響并不顯著[8]。在生態系統觀測尺度,低濃度的氣溶膠就可以導致草地生態系統生產力下降[12],輕度氣溶膠污染下森林生態系統生產力卻達到最大值[13—14],而農作物產量對氣溶膠的響應與種植密度、作物種類有關[15—16]。這些研究表明,氣溶膠對陸地生態系統生產力的影響受氣溶膠濃度、植被類型、葉面積指數等因素影響。近10年來,華北地區大氣氣溶膠污染嚴重,灰霾事件頻發[17]。據估算,到2050年華北地區灰霾事件發生頻率會增大50%且持續時間增加80%[18]。因此華北地區的楊樹人工林可能頻繁處于氣溶膠污染中,并且未來的氣溶膠威脅更加嚴峻。但是,目前國內外對楊樹人工林生態系統碳循環的研究主要集中于生態系統生產力[19]、光能利用效率[20]、生態系統呼吸[21]等方面,氣溶膠對其生態系統生產力影響尚未有報道。因此,氣溶膠對楊樹人工林生態系統生產力的影響的研究就十分迫切。

水分是植物生長發育的關鍵因子,土壤水分也是干旱、半干旱地區陸地生態系統生產力的主要限制因子[22]。隨著全球氣候變化進程的加快,中國華北地區干旱事件發生的頻率不斷增大[23],并且模型研究表明,21世紀華北地區干旱發生的頻率和強度繼續呈增大趨勢[24]。因此,未來干旱可能對華北地區生態系統的影響更大。華北地區的楊樹人工林不僅面臨著氣溶膠污染的影響,還面臨著干旱脅迫的影響。在輕度氣溶膠污染下,氣溶膠散射輻射施肥效應可能導致楊樹人工林生態系統生產力的增大[13—14]；在重度氣溶膠污染下,當氣溶膠散射輻射施肥效應小于太陽總輻射減小帶來的削弱作用時,生態系統生產力會下降[15—16]；但當生態系統受到干旱脅迫時,生態系統的光能利用效率和生產力都會顯著下降[22]。當生態系統同時受到干旱脅迫與氣溶膠污染時,氣溶膠散射施肥效應的促進作用大于干旱脅迫對生產力的抑制作用,生態系統生產力才可能增大；否則,生態系統生產力將會下降。

本文運用4年(2006—2009年)渦度相關系統的觀測數據結合氣溶膠數據,選取6—9月份的生態系統生產力、微氣象、氣溶膠數據來探究不同水分條件下氣溶膠對楊樹人工林生態系統生產力的影響。我們假設土壤水分脅迫條件下,氣溶膠輻射效應不能增大楊樹人工林生態系統生產力。本研究的主要目的：(1)探究氣溶膠對楊樹人工林生態系統生產力和光能利用效率的影響；(2)探究不同水分條件下氣溶膠對楊樹人工林生態系統的影響差異,以期為揭示不同水分條件下氣溶膠對楊樹人工林生態系統生產力的影響機理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于北京大興區榆垡鎮大興林場(40°06′16″N, 116°43′02″E, 29 m a.s.l)。該區域為永定河沖積及洪積所形成,地勢平坦。該區屬于暖溫帶亞濕潤氣候區,近50年的平均氣溫為12.0℃,平均無霜期為195 d。近20年的年平均降水為625 mm,最少年降水量為242 mm,最大年降水量1058 mm,多年平均水面蒸發量高于同期降水量。太陽輻射有明顯的年季變化,表現為夏季高、冬季低,年日照時間2750 h；多年平均風速為2.7 m/s,夏季主要為東南風,冬季為西北風。試驗地為楊樹人工林(歐美楊,Populuseuramericanacv.74/76),主要為2002—2003年營造,林分平均種植密度為3 m×2 m。截止到2009年,林木的平均胸徑為(14.5±1.6) cm,樹高為(16.2±1.6) m,2006—2009年楊樹人工林最大葉面積指數為3.3 m2/m2。該試驗地為典型的楊樹人工林,林下灌草稀疏,多為一年生草本植物,主要有紫苜蓿(Medicagosativa)、尖頭葉藜(Chenopodiumacuminatum)及黃花篙(Artemisiaannua)等。

1.2 渦度相關系統

本實驗利用渦度相關觀測系統連續動態監測大興楊樹人工林生態系統與大氣之間的碳水交換。在實驗站點中心架設一座高37m的通量觀測塔,開路式紅外氣體分析儀(Li- 7500; Li-Cor, Inc., Linclon, NE, USA)、三維超聲風速儀(CSAT- 3, Campbell Scientific, Inc.,CSI,UT, USA)、凈輻射儀(CNR- 1; Kipp and Zonen, Delft, Netherlands)、光量子探頭(LI- 190SB; Li-Cor, Inc.)等通量觀測儀器在2006—2009年分別安裝在16、18、18、20m高度。在通量塔21.0、22.5 m高度處分別安裝有氣壓計(CS105, CS)和翻斗式自動雨量計(TE525-L,Texas Electronics, USA)以及分別在5、10、15、20 m高度上安裝了4層空氣溫濕度傳感器(HMP45C; Vaisala, Helsinki, Finland)來測定楊樹人工林生態系統不同高度的溫、濕度。通量塔下土壤溫度傳感器(TCAV107, CSI)和土壤熱通量板(HFT3, Seattle, WA)均分別置于地表以下5、10、20 cm處,而土壤水分觀測儀TDR(CS616, CS, USA)分別位于地表以下5、20 cm處。通量塔上的數據使用數據采集器(CR3000, Campbell Scientific Ltd, USA)進行采集,通量塔下的常規數據使用數據采集器(CR23X, CS, USA)進行采集。

1.3 通量數據處理及計算方法

本次研究使用2006—2009年的通量數據。該數據經過嚴格的數據質量控制,依次經過平面坐標擬合、WPL校正以及大氣穩定度分析、臨界風速μ*確定、異常點剔除、數據插補以及質量控制與分析等步驟[25—27]。缺失數據根據時長進行數據插補:對小于2 h的數據缺口采用線性內插法[28],對2 h到7 d的數據缺口采用7 d尺度的平均晝夜變化方法進行插補,對大于7 d的數據缺口,通過區分NEE (net ecosystem exchange)和RE(ecosystem respiration),采用非線性回歸方法插補[29—30]。

(1)

(2)

R10=a0+a1×VWC+a2×VWC2

(3)

GPP=NEE-RE

(4)

其中,NEE為凈生態系統碳交換(mg m-2s-1),R10為土壤溫度為10℃的生態系統呼吸(mg m-2s-1)；Ea為活化能(KJ/mol)；R是氣體常數(8.3143 KJ /(mol/K))；Tref是參考土壤溫度,Ta為土壤5 cm處溫度(℃)；α為生態系統表觀光合量子效率(μmolCO2/μmol photon),PAR為光合有效輻射(μmol photon m-2s-1),Amax為最大凈光合生產力(μmolCO2m-2s-1),a0、a1、a2分別為R10對土壤體積含水量(soil volume moisture content， VWC,%)的二次方程的系數,GPP為生態系統生產力(μmolCO2m-2s-1)。渦度相關技術測得的CO2通量即為凈生態系統碳交換量(NEE),用日間的凈生態系統碳交換量減去生態系統呼吸(RE),得到生態系統的光合生產力(GPP)。2006—2009年日總量能量通量的4年平均能量平衡比為0.87,與全球173個站點能量平衡比的均值一致(0.84)[19—20],數據質量可靠。

1.4 氣溶膠數據

本研究采用的氣溶膠數據來源于氣溶膠數據共享網(AERONET：https://aeronet.gsfc.nasa.gov/)的北京站。該站點位于北京市大氣物理所內,北京站安裝了CE318型太陽-天空掃描光譜輻射計(CE318,Cimel,France),該儀器可以獲取340、380、440、500、675、870、940、1020 mm波長的太陽直接輻射數據；采用統一的反演算法,可計算氣溶膠光學厚度(AOD)、Angstrom波長指數、粒子氣溶膠譜分布等氣溶膠各種光化學參數[31]。AERONET提供3個質量等級的產品,其中本文使用的Level 2.0數據是經過去云檢驗以及人工檢查的保證質量的數據[32]。北京地區霧霾發生前AOD穩定在0.40左右(背景氣溶膠),重度霧霾出現時AOD急劇上升到1.50以上(嚴重污染)[32]。選擇每日10:00—14:00的氣溶膠均值作為氣溶膠日均值,其原因為：這一時段太陽天頂角小,觀測到的氣溶膠數據能夠較好的反應大氣特性,且接近氣溶膠日均值水平[33]。

1.5 生物物理參數

相對土壤含水量是衡量生態系統土壤中可利用水分的良好指標,其計算公式如下：

(5)

式中VWC為20 cm土壤體積含水量(%),VWCmin、VWCmax分別為研究中土壤的凋萎濕度和田間持水量(%)。當REW<0.4時,生態系統受到土壤水分脅迫的影響[34]。

散射輻射計算采用下式計算[35—36]：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Sr=Sg-Sf

(11)

式中,kt為晴空指數,Sg為太陽輻射(W/m2),So為天文輻射(W/m2),Sf為散射輻射(W/m2),Sr為直接輻射(W/m2)。

光能利用效率計算公式如下：

(12)

式中,GPP是生態系統生產力(gC m-2d-1),PAR是光合有效輻射(MJ m-2d-1),LUE是光能利用效率(gC/MJ)。

1.6 數據處理

本研究選擇碳通量數據、氣溶膠同時可用的6—9月的日尺度數據進行分析：首先去掉無氣溶膠觀測的通量數據,然后依據時間序列將氣溶膠數據和通量數據匹配成氣溶膠-碳通量日時間序列(197個觀測值),然后進行氣溶膠-碳通量日時間序列數據的統計分析。

通徑分析方法是一種多元回歸分析方法,可以用來分析各個環境變量之間的直接、間接影響程度,該方法已經被廣泛應用陸地生態系統碳通量研究領域[37]。本研究以AOD、輻射、生態系統生產力等參數構建通徑分析模型,探究氣溶膠對生態系統生產力的直接、間接影響。本研究使用AMOS 24.0軟件進行通徑分析,模型選用多個擬合度指數如：卡方統計量(χ2)、均方根誤差(MRSE)、適配度指數(GFI)進行模型擬合度評價[38]。所有的數據擬合繪圖均使用SigmaPlot 14.0完成。

2 結果與討論

2.1 北京市氣溶膠特征

北京市氣溶膠光學厚度(AOD)有明顯的季節變化特征,表現為春、夏季大于秋、冬季(圖1)。2006—2009年,北京市6—9月僅有35.39%氣溶膠為背景氣溶膠(AOD<0.40),低于全年的41.68%；但是有17.70%的氣溶膠為重度污染(AOD>1.50),比全年平均AOD高12.16%。

圖1 北京市2006—2009年氣溶膠光學厚度(AOD 500 nm)特征,圖中小圖為氣溶膠月均值特征Fig.1 Characteristics of aerosol optical depth (AOD 500 nm) in Beijing from 2006 to 2009, the panel shows the monthly average AOD (500 nm)

2.2 氣溶膠對輻射及溫濕度的影響

總輻射、直接輻射隨AOD的變化呈線性變化(圖2)。當AOD從0增大到3,總輻射減小了43.63%。散射輻射隨AOD的變化呈二次拋物線變化,隨著AOD從0增大到1.78,散射輻射一直在增大(增幅為132.26%),隨后AOD繼續增大,散射輻射開始減小,當AOD增大到3時,散射輻射仍然增大3.48 MJ/m2或者70.16%。散射輻射比例(Fdif)也隨AOD的增大呈線性增大,當AOD從0增大到1.8,Fdif增大2.55倍。

圖2 北京市2006—2009年6—9月份氣溶膠光學厚度對太陽輻射以及散射比例(Fdif)的影響Fig.2 The relationship between AOD and radiation and Fdif in Beijing from June to September during 2006—2009

日最低溫度、日溫差、相對濕度隨AOD的變化呈線性變化(圖3)。當AOD從0增大到3,日最低溫度增大了16.21%(3.12℃),日溫差減小了26.69%(3.24℃),相對濕度增大了48.52%,日最高氣溫及日平均氣溫對AOD變化不顯著。

圖3 北京市2006—2009年6—9月份大氣氣溶膠光學厚度對溫度和相對濕度的影響Fig.3 The relationship between AOD and temperature and relative humidity (RH) in Beijing from June to September during 2006—2009

大氣氣溶膠通過吸收、散射以及影響云的輻射特征等多種方式影響地表輻射量及輻射組分[3,39]。本研究中,隨著AOD的增大,北京市6—9月份總輻射減小了43.63%,散射輻射增大132.26%,這與Oliveira等[14]在巴西亞馬遜雨林的研究結果相似。在晴朗無云無污染的天氣條件下,到達地面的散射輻射比例約為0.15[40],隨著氣溶膠濃度增大,更多直接輻射被顆粒物轉變為散射輻射。本研究中,當AOD為3時,Fdif達到了80%。當AOD為2.5時,西伯利亞泰加地區散射輻射比例約為80%[33],這與本文研究結果相似。氣溶膠的輻射效應不僅會削弱達到地面的輻射量,還有可能影響地面溫度及濕度[39]。大氣氣溶膠對地表溫度的影響總體上表現為“冷卻效應”,但是對夜間溫度卻有可能是“增溫效應”[41]。本研究中,隨AOD的增大,日最低氣溫增大,日溫差減小,該研究與東亞氣溶膠地表溫度對大氣棕色云響應的規律一致[41]。由此可見,氣溶膠的輻射效應導致北京地區地表輻射量、輻射組分發生變化,也引起相對濕度及大氣溫度的變化。

2.3 氣溶膠對光能利用效率及生態系統生產力的影響

不同的水分條件下光能利用效率隨AOD的變化呈現不同的變化規律(圖4)。生態系統受到土壤水分脅迫時,光能利用效率隨AOD的增加線性增大,隨著AOD從0增大到2.5,LUE增大42.86%。生態系統處于非土壤水分脅迫時,光能利用效率隨AOD的增大先增大后減小,當AOD為1.3時,光能利用效率有最大值0.48gC/MJ(增大54.52%),隨著AOD的持續增加光能利用效率開始減小,當AOD大于2.7時,非水分脅迫的光能利用效率小于土壤水分脅迫的光能利用效率。

不同的水分條件下光能利用效率均隨散射輻射比例增大線性增大(圖5)。生態系統受到土壤水分脅迫時,其光能利用效率小于非水分脅迫下的光能利用效率,隨著散射輻射比例從0.2增大到0.9,受水分脅迫的光能利用效率增大53.85%,而非水分脅迫的光能利用效率增大85.20%。

圖4 北京市2006—2009年6—9月份氣溶膠光學厚度對光能利用效應的影響Fig.4 The relationship between AOD and light utiliation eficiency (LUE) from June to September during 2006—2009 in Beijing

圖5 北京市2006—2009年6—9月份散射輻射比例對光能利用效率的影響Fig.5 The relationship between Fdif and LUE from June to September during 2006—2009

當生態系統受到水分脅迫時,GPP對AOD不敏感,而非水分脅迫時,GPP隨AOD變化呈二次拋物線變化(圖6)。生態系統處于非土壤水分脅迫時,當AOD為1.0—1.5時,GPP維持在較高的水平,當AOD為1.22時,GPP有最大值,當出現嚴重氣溶膠污染時(AOD>1.5),GPP開始減小,當AOD>2.5時,GPP小于背景氣溶膠的GPP。

圖6 北京市2006—2009年6—9月份氣溶膠光學厚度對生態系統生產力的影響Fig.6 The relationship between AOD and gross primary productivity (GPP) from June to September during 2006—2009

散射輻射對冠層光能利用效率的促進作用被稱為散射光施肥效應[42]。氣溶膠粒子作用下散射輻射及散射輻射比例增大,散射光的施肥效應增強,進而LUE和GPP的增大[16]。研究表明,散射光的光能利用效率是直射光的2倍以上[43],更多的散射光不僅可以穿透冠層增大底層葉片的光合作用,還因其藍光的增大而緩解上層葉片光飽和[16]。在本研究中,隨著散射輻射比例的增大,楊樹人工林的LUE線性增大,這一結論與眾多生態學者研究一致[44—45]。本研究中,隨AOD的增大,非水分脅迫條件下的楊樹人工林GPP呈先增大后減小趨勢。在澳大利亞西北部稀疏森林生物質燃燒氣溶膠(AOD ≤ 0.4)對GPP無顯著影響[46],在亞馬遜熱帶雨林地區,GPP隨AOD先增大后減小,當處于嚴重氣溶膠污染(AOD>2.7)時,森林生態系統生產力顯著下降[14]。模型模擬結果也表明氣溶膠可以對生態系統產生不同的影響,不同生態系統的氣溶膠閾值也不同(生態系統生產力最大或者為0時的氣溶膠濃度值),這主要受氣溶膠濃度、植被類型、葉面積指數、云量等要素的影響[47],即取決于散射光施肥效應增加導致的促進作用與總輻射下降導致的減弱作用之間的平衡[15,48]。森林生態系統葉面積指數較大,散射光施肥效應顯著,生態系統生產力隨AOD的增大而增大,達到生態系統生產力最大值(出現氣溶膠閾值)；當AOD過大時,散射光施肥效應無法抵消總輻射下降導致的減弱作用,生態系統生產力下降甚至出現生態系統生產力為0的現象(出現第二個氣溶膠閾值)[14]。草地或者農田生態系統葉面積指數較小,散射光施肥效應較小,總輻射減小導致的生態系統生產力下降[49—50]。由此可見,適度的AOD可以增加森林生態系統的GPP。

2.4 氣溶膠對生態系統生產力的影響的通徑分析

兩種水分條件下通徑分析的擬合度指標都滿足要求,模型可以用來解釋氣溶膠對生產力的直接和間接影響(圖7)。無論在什么水分條件下,AOD對散射輻射的影響大于直接輻射的影響；散射輻射都是GPP最主要的影響因素。在土壤水分脅迫條件下,土壤水分是影響生態系統生產力的關鍵因子,但氣溶膠與土壤水分弱相關(標準化總系數-0.029),氣溶膠對土壤水分的影響微弱；氣溶膠通過影響直接輻射、散射輻射、相對濕度、土壤水分間接影響生態系統生產力(間接影響標準化系數0.016)。在非水分脅迫條件下,散射輻射對GPP的影響較大(直接標準化系數0.87),散射輻射、直接輻射、相對濕度共同影響GPP。

圖7 不同水分條件下氣溶膠光學厚度對相對濕度(RH)、直接輻射(Sr)、散射輻射(Sf)、土壤相對含水量(VWC)及楊樹人工林生態系統生產力(GPP)通徑分析圖Fig.7 The effects of AOD on ecosystem photosynthetic productivity under different water condition左圖中土壤水分脅迫條件下,卡方統計量為0.074、適配度指數為0.982,比較擬合指數為0.988；右圖中非土壤水分脅迫條件下,卡方統計量為0.66、適配度指數為0.99,比較擬合指數為1.0. 圖中每個箭頭上的數值代表通徑系數大小,大于0代表正相關,小于0代表負相關

土壤水分是干旱、半干旱地區生態系統生產力的重要驅動因子[51]。本研究中,當生態系統受到水分脅迫時,氣溶膠僅能小幅增大楊樹人工林生態系統的光能利用效率(圖4),卻不能顯著增大楊樹人工林生態系統的生產力(圖6、圖7)。干旱脅迫使生態系統光合速率、呼吸速率、蒸騰速率顯著降低[21]。當生態系統受到水分脅迫時,水分是生態系統的限制因子,干旱引起葉片氣孔導度的下降,甚至導致植物生理和形態特征發生變化[22],生態系統對太陽輻射的需求降低,散射輻射增加也不能顯著增大生態系統的生產力[22]。在印第安那熱帶雨林地區,厄爾尼諾現象帶來的嚴重干旱,即使生物質燃燒形成的氣溶膠也不能增大生態系統生產力[53],這與我們的研究結論一致。當生態系統處于非水分脅迫時,太陽輻射是生態系統的最重要的環境因子,氣溶膠粒子導致的散射光施肥效應可以有效的增大光能利用效率,進而增大生態系統生產力；當總輻射顯著降低,散射光施肥效應不足以抵消總輻射減小導致的減弱作用時,太陽輻射成為生態系統的限制因子,生態系統光能利用效率及生態系統生產力下降[52]。太陽輻射、散射輻射、土壤水分均是生態系統生產力的重要影響因子[54],干旱脅迫下生態系統的光能利用效率減小,生態系統對散射輻射的敏感性下降,散射輻射不能增大生態系統生產力；在非水分脅迫時,散射輻射可以增加生態系統生產力[55]。由此可見,土壤含水量也是影響散射光施肥效應的重要因素,不同水分條件下散射光施肥效應不同,干旱脅迫下氣溶膠不能顯著增大生態系統生產力。

3 結論

2006—2009年北京市氣溶膠具有明顯的季節變化特征,6—9月份氣溶膠光化學厚度較大；氣溶膠光化學厚度可以顯著改變輻射組分和溫濕度氣象因子。氣溶膠主要通過散射光的施肥效應增加生態系統態系統生產力。不同水分條件下,氣溶膠對生態系統的影響不同,水分脅迫條件下,氣溶膠對楊樹人工林生態系統生產力無顯著影響；非水分脅迫條件下,氣溶膠散射光施肥效應導致楊樹人工林生態系統生產力先增大后減小,當大氣氣溶膠光化學厚度超過1.22后,生態系統生產力開始下降,氣溶膠濃度大于2.5時生態系統生產力顯著下降。