大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)顆粒物的總稱。近幾十年來，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展導(dǎo)致大氣中人為源氣溶膠的含量持續(xù)增加，氣溶膠污染帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。眾所周知，氣溶膠污染會(huì)影響人類健康。那么，氣溶膠污染如何影響植物呢？

圖1 低氣溶膠天氣和高氣溶膠污染天氣的對(duì)比（攝影：劉玲莉）

光、溫度和水分是植物進(jìn)行生命活動(dòng)的必要條件。由于氣溶膠顆粒可以吸收和散射太陽輻射，其濃度的升高會(huì)顯著降低到達(dá)地表的總輻射，但同時(shí)會(huì)增加散射輻射的比例。此外，在高氣溶膠天氣下通常伴隨較低的空氣溫度和較高的空氣濕度。氣溶膠引起的這三個(gè)環(huán)境因素的變化必將影響植物的光合速率和蒸騰作用，進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程。然而，由于目前在葉片及個(gè)體尺度上的野外觀測較少，氣溶膠如何影響植物光合和水分利用的機(jī)理還不清楚。

為了探索植物在氣溶膠污染下如何生長，中科院植物研究所劉玲莉研究組基于華北地區(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)星遙感觀測等多種手段，評(píng)估了無云天氣下，大氣氣溶膠對(duì)農(nóng)作物光合作用及樹木蒸騰作用的影響，并解析了相關(guān)生理機(jī)制。

圖2 氣溶膠改變了葉片光合速率、葉片蒸騰作用和樹干液流（繪圖：王欣和王斌）

研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物的光合速率在葉片，冠層和區(qū)域尺度上對(duì)氣溶膠均呈現(xiàn)出先升后降的非線性響應(yīng)。也就是說，農(nóng)作物光合作用在中等氣溶膠條件下最高，而高氣溶膠情況下，農(nóng)作物光合速率受到了抑制。

進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，陽生葉和陰生葉的響應(yīng)機(jī)制不同。在中等氣溶膠天氣下，伴隨的高空氣濕度顯著促進(jìn)了陽生葉片的光合速率；而散射輻射的增加改善了冠層內(nèi)部的光環(huán)境，從而促進(jìn)了陰生葉片的光合。但隨著氣溶膠濃度的進(jìn)一步增加，總的太陽輻射顯著降低，從而抑制了陽生葉和陰生葉的光合速率。此外，還發(fā)現(xiàn)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。

圖3 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（繪圖：王欣）

研究人員還在野外對(duì)楊樹葉片蒸騰和樹干液流進(jìn)行了密集觀測。發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度上升時(shí)，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；而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)。和葉片尺度的響應(yīng)一致，氣溶膠濃度升高顯著降低了植物個(gè)體的蒸騰作用（即樹干液流）。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)高氣溶膠濃度天氣下，植物在葉片和個(gè)體尺度上的蒸騰作用對(duì)氣象干旱（VPD）的敏感性降低。較少的水分耗散和較低的干旱敏感性意味著氣溶膠濃度升高使植物的水分利用變得更加保守。

圖4 研究人員在野外觀測葉片光合、蒸騰和樹干液流（攝影：王斌）

圖5 大氣氣溶膠對(duì)楊樹葉片及個(gè)體水分利用的影響（繪圖：王斌）

上述結(jié)果表明，氣溶膠濃度升高降低了農(nóng)作物的光合速率和樹木的水分利用量，并發(fā)現(xiàn)共變化的環(huán)境條件調(diào)節(jié)了植物對(duì)氣溶膠的響應(yīng)強(qiáng)度，為評(píng)估大氣氣溶膠污染對(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生王斌分別為上述論文的第一作者，劉玲莉研究員為通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091893

http://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1365-2745.13633

來源：中國科學(xué)院植物研究所