人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣中氣溶膠濃度增加。氣溶膠顆粒能夠吸收和散射太陽輻射，氣溶膠濃度的升高導(dǎo)致到達(dá)地表的太陽總輻射降低，但同時(shí)增加了散射輻射的比例。此外，氣溶膠和空氣溫濕度等微氣象條件存在相互作用，高氣溶膠天氣下，太陽輻射和微氣象環(huán)境的變化將影響植物的光合速率和水分利用，從而改變生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)。然而，由于缺乏在野外控制氣溶膠濃度的實(shí)驗(yàn)手段，目前在葉片及個(gè)體尺度上，有關(guān)氣溶膠如何影響植物光合和水分利用的野外觀測較少，相關(guān)機(jī)制尚不清楚。

中國科學(xué)院植物研究所研究員劉玲莉課題組基于華北地區(qū)氣溶膠濃度周期性波動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合野外觀測、機(jī)理模型和衛(wèi)星遙感觀測，評(píng)估了氣溶膠對(duì)植物光合作用及水分利用的影響，并探討了相關(guān)機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，在中等水平的氣溶膠濃度下，大豆的陽生葉、陰生葉和冠層光合速率達(dá)到最大值。在整個(gè)華北平原區(qū)域，通過衛(wèi)星觀測到的太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓╯olar-induced chlorophyll fluorescence，SIF，表征生態(tài)系統(tǒng)光合速率）表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)光合對(duì)氣溶膠呈現(xiàn)出先升后降的非線性響應(yīng)，即在中等氣溶膠濃度的區(qū)域，農(nóng)田的光合速率最高。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氣溶膠天氣下太陽輻射特征的改變及伴隨的高濕度是導(dǎo)致這種非線性響應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)因素，并且背景氣象條件會(huì)調(diào)控農(nóng)作物對(duì)氣溶膠的響應(yīng)強(qiáng)度。該結(jié)果為評(píng)估大氣污染對(duì)糧食安全的影響提供了科學(xué)支持。

研究人員通過對(duì)楊樹葉片蒸騰和莖干液流的密集觀測，發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度上升情況下，陽生葉的蒸騰顯著下降，這主要是伴隨的低飽和水汽壓差（VPD）導(dǎo)致的；陰生葉的蒸騰變化較小，主要是由于氣孔導(dǎo)度增加對(duì)蒸騰的正面效應(yīng)抵消了低VPD的負(fù)面效應(yīng)。在個(gè)體尺度上的研究進(jìn)一步表明，大氣氣溶膠濃度升高顯著降低楊樹的莖干液流。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在高氣溶膠天氣下，植物對(duì)氣象干旱耐受性增強(qiáng)。該結(jié)果表明，氣溶膠濃度升高降低了植物的水分利用量，使植物對(duì)水分的利用更趨保守。上述研究揭示了植物光合作用和水分利用響應(yīng)氣溶膠濃度變化的機(jī)理，為評(píng)估氣溶膠污染對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收和水分循環(huán)提供了觀測基礎(chǔ)和機(jī)理支撐。

相關(guān)研究成果于近期在線發(fā)表在Geophysical Research Letters和Journal of Ecology上。植物所副研究員王欣和在讀博士研究生王斌分別為上述論文的第一作者，劉玲莉?yàn)檎撐耐ㄓ嵶髡摺Ｑ芯抗ぷ鞯玫絿易匀豢茖W(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：1、2

圖1.大氣氣溶膠對(duì)農(nóng)作物光合在葉片和區(qū)域尺度上的影響

圖2.大氣氣溶膠對(duì)楊樹葉片及個(gè)體水分利用的影響