大氣氣溶膠對北京楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響

高 源,律 江,李春征,劉京宇,張志強

1 北京林業(yè)大學(xué)水保學(xué)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(jì)50年代起,全球絕大部分地區(qū)經(jīng)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(huán)境因子[2]。大氣氣溶膠不僅導(dǎo)致太陽總輻射和直接輻射的減小,還導(dǎo)致散射輻射和散射比例的增大(氣溶膠輻射效應(yīng))[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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有顯著影響[6—7]。因此,氣溶膠輻射效應(yīng)會對陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳收支有不可忽視的影響[8]。

20世紀(jì)90年代早期,全球大氣CO2濃度出現(xiàn)了異常下降現(xiàn)象[9],研究發(fā)現(xiàn)1991年皮納圖博火山大噴發(fā)形成的火山灰氣溶膠導(dǎo)致了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收持續(xù)增大了3年[6]。隨著氣溶膠生態(tài)學(xué)效應(yīng)研究工作的開展,多個模型模擬結(jié)果表明：在區(qū)域尺度上氣溶膠導(dǎo)致了陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增大[10—11],但在全球尺度上氣溶膠卻對陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響并不顯著[8]。在生態(tài)系統(tǒng)觀測尺度,低濃度的氣溶膠就可以導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降[12],輕度氣溶膠污染下森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力卻達(dá)到最大值[13—14],而農(nóng)作物產(chǎn)量對氣溶膠的響應(yīng)與種植密度、作物種類有關(guān)[15—16]。這些研究表明,氣溶膠對陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響受氣溶膠濃度、植被類型、葉面積指數(shù)等因素影響。近10年來,華北地區(qū)大氣氣溶膠污染嚴(yán)重,灰霾事件頻發(fā)[17]。據(jù)估算,到2050年華北地區(qū)灰霾事件發(fā)生頻率會增大50%且持續(xù)時間增加80%[18]。因此華北地區(qū)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(yán)峻。但是,目前國內(nèi)外對楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究主要集中于生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[19]、光能利用效率[20]、生態(tài)系統(tǒng)呼吸[21]等方面,氣溶膠對其生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響尚未有報道。因此,氣溶膠對楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響的研究就十分迫切。

水分是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子,土壤水分也是干旱、半干旱地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(qū)干旱事件發(fā)生的頻率不斷增大[23],并且模型研究表明,21世紀(jì)華北地區(qū)干旱發(fā)生的頻率和強度繼續(xù)呈增大趨勢[24]。因此,未來干旱可能對華北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響更大。華北地區(qū)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(yīng)可能導(dǎo)致楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的增大[13—14]；在重度氣溶膠污染下,當(dāng)氣溶膠散射輻射施肥效應(yīng)小于太陽總輻射減小帶來的削弱作用時,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力會下降[15—16]；但當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到干旱脅迫時,生態(tài)系統(tǒng)的光能利用效率和生產(chǎn)力都會顯著下降[22]。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)同時受到干旱脅迫與氣溶膠污染時,氣溶膠散射施肥效應(yīng)的促進作用大于干旱脅迫對生產(chǎn)力的抑制作用,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力才可能增大；否則,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力將會下降。

本文運用4年(2006—2009年)渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合氣溶膠數(shù)據(jù),選取6—9月份的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、微氣象、氣溶膠數(shù)據(jù)來探究不同水分條件下氣溶膠對楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。我們假設(shè)土壤水分脅迫條件下,氣溶膠輻射效應(yīng)不能增大楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。本研究的主要目的：(1)探究氣溶膠對楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響機理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于北京大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)大興林場(40°06′16″N, 116°43′02″E, 29 m a.s.l)。該區(qū)域為永定河沖積及洪積所形成,地勢平坦。該區(qū)屬于暖溫帶亞濕潤氣候區(qū),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(fā)量高于同期降水量。太陽輻射有明顯的年季變化,表現(xiàn)為夏季高、冬季低,年日照時間2750 h；多年平均風(fēng)速為2.7 m/s,夏季主要為東南風(fēng),冬季為西北風(fēng)。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(shù)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(guān)系統(tǒng)

本實驗利用渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)連續(xù)動態(tài)監(jiān)測大興楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳水交換。在實驗站點中心架設(shè)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(fēng)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(tài)系統(tǒng)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(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)采集器(CR3000, Campbell Scientific Ltd, USA)進行采集,通量塔下的常規(guī)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)采集器(CR23X, CS, USA)進行采集。

1.3 通量數(shù)據(jù)處理及計算方法

本次研究使用2006—2009年的通量數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,依次經(jīng)過平面坐標(biāo)擬合、WPL校正以及大氣穩(wěn)定度分析、臨界風(fēng)速μ*確定、異常點剔除、數(shù)據(jù)插補以及質(zhì)量控制與分析等步驟[25—27]。缺失數(shù)據(jù)根據(jù)時長進行數(shù)據(jù)插補:對小于2 h的數(shù)據(jù)缺口采用線性內(nèi)插法[28],對2 h到7 d的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)缺口,通過區(qū)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(tài)系統(tǒng)碳交換(mg m-2s-1),R10為土壤溫度為10℃的生態(tài)系統(tǒng)呼吸(mg m-2s-1)；Ea為活化能(KJ/mol)；R是氣體常數(shù)(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(tài)系統(tǒng)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(chǎn)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(shù),GPP為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(μmolCO2m-2s-1)。渦度相關(guān)技術(shù)測得的CO2通量即為凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE),用日間的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量減去生態(tài)系統(tǒng)呼吸(RE),得到生態(tài)系統(tǒng)的光合生產(chǎn)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(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

1.4 氣溶膠數(shù)據(jù)

本研究采用的氣溶膠數(shù)據(jù)來源于氣溶膠數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(AERONET：https://aeronet.gsfc.nasa.gov/)的北京站。該站點位于北京市大氣物理所內(nèi),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(shù)據(jù)；采用統(tǒng)一的反演算法,可計算氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)、Angstrom波長指數(shù)、粒子氣溶膠譜分布等氣溶膠各種光化學(xué)參數(shù)[31]。AERONET提供3個質(zhì)量等級的產(chǎn)品,其中本文使用的Level 2.0數(shù)據(jù)是經(jīng)過去云檢驗以及人工檢查的保證質(zhì)量的數(shù)據(jù)[32]。北京地區(qū)霧霾發(fā)生前AOD穩(wěn)定在0.40左右(背景氣溶膠),重度霧霾出現(xiàn)時AOD急劇上升到1.50以上(嚴(yán)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(shù)據(jù)能夠較好的反應(yīng)大氣特性,且接近氣溶膠日均值水平[33]。

1.5 生物物理參數(shù)

相對土壤含水量是衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤中可利用水分的良好指標(biāo),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(dāng)REW<0.4時,生態(tài)系統(tǒng)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(shù),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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(shù)據(jù)處理

本研究選擇碳通量數(shù)據(jù)、氣溶膠同時可用的6—9月的日尺度數(shù)據(jù)進行分析：首先去掉無氣溶膠觀測的通量數(shù)據(jù),然后依據(jù)時間序列將氣溶膠數(shù)據(jù)和通量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的統(tǒng)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(huán)境變量之間的直接、間接影響程度,該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量研究領(lǐng)域[37]。本研究以AOD、輻射、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等參數(shù)構(gòu)建通徑分析模型,探究氣溶膠對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(shù)如：卡方統(tǒng)計量(χ2)、均方根誤差(MRSE)、適配度指數(shù)(GFI)進行模型擬合度評價[38]。所有的數(shù)據(jù)擬合繪圖均使用SigmaPlot 14.0完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 北京市氣溶膠特征

北京市氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)有明顯的季節(jié)變化特征,表現(xiàn)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(xué)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(dāng)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(xù)增大,散射輻射開始減小,當(dāng)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(dāng)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(xué)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(dāng)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(xué)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(jié)果相似。在晴朗無云無污染的天氣條件下,到達(dá)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(zhuǎn)變?yōu)樯⑸漭椛?。本研究?當(dāng)AOD為3時,Fdif達(dá)到了80%。當(dāng)AOD為2.5時,西伯利亞泰加地區(qū)散射輻射比例約為80%[33],這與本文研究結(jié)果相似。氣溶膠的輻射效應(yīng)不僅會削弱達(dá)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(xiàn)為“冷卻效應(yīng)”,但是對夜間溫度卻有可能是“增溫效應(yīng)”[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(yīng)的規(guī)律一致[41]。由此可見,氣溶膠的輻射效應(yīng)導(dǎo)致北京地區(qū)地表輻射量、輻射組分發(fā)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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(xiàn)不同的變化規(guī)律(圖4)。生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)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(dāng)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(xù)增加光能利用效率開始減小,當(dāng)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(tài)系統(tǒng)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(xué)厚度對光能利用效應(yīng)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(dāng)生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)處于非土壤水分脅迫時,當(dāng)AOD為1.0—1.5時,GPP維持在較高的水平,當(dāng)AOD為1.22時,GPP有最大值,當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重氣溶膠污染時(AOD>1.5),GPP開始減小,當(dāng)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(xué)厚度對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(yīng)[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(yīng)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(lán)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(jié)論與眾多生態(tài)學(xué)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(zhì)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(qū),GPP隨AOD先增大后減小,當(dāng)處于嚴(yán)重氣溶膠污染(AOD>2.7)時,森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力顯著下降[14]。模型模擬結(jié)果也表明氣溶膠可以對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響,不同生態(tài)系統(tǒng)的氣溶膠閾值也不同(生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(shù)、云量等要素的影響[47],即取決于散射光施肥效應(yīng)增加導(dǎo)致的促進作用與總輻射下降導(dǎo)致的減弱作用之間的平衡[15,48]。森林生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)較大,散射光施肥效應(yīng)顯著,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力隨AOD的增大而增大,達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力最大值(出現(xiàn)氣溶膠閾值)；當(dāng)AOD過大時,散射光施肥效應(yīng)無法抵消總輻射下降導(dǎo)致的減弱作用,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降甚至出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力為0的現(xiàn)象(出現(xiàn)第二個氣溶膠閾值)[14]。草地或者農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)葉面積指數(shù)較小,散射光施肥效應(yīng)較小,總輻射減小導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力下降[49—50]。由此可見,適度的AOD可以增加森林生態(tài)系統(tǒng)的GPP。

2.4 氣溶膠對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(biāo)都滿足要求,模型可以用來解釋氣溶膠對生產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子,但氣溶膠與土壤水分弱相關(guān)(標(biāo)準(zhǔn)化總系數(shù)-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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(間接影響標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)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(xué)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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(tǒng)計量為0.074、適配度指數(shù)為0.982,比較擬合指數(shù)為0.988；右圖中非土壤水分脅迫條件下,卡方統(tǒng)計量為0.66、適配度指數(shù)為0.99,比較擬合指數(shù)為1.0. 圖中每個箭頭上的數(shù)值代表通徑系數(shù)大小,大于0代表正相關(guān),小于0代表負(fù)相關(guān)

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

3 結(jié)論

2006—2009年北京市氣溶膠具有明顯的季節(jié)變化特征,6—9月份氣溶膠光化學(xué)厚度較大；氣溶膠光化學(xué)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(yīng)增加生態(tài)系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。不同水分條件下,氣溶膠對生態(tài)系統(tǒng)的影響不同,水分脅迫條件下,氣溶膠對楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力無顯著影響；非水分脅迫條件下,氣溶膠散射光施肥效應(yīng)導(dǎo)致楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力先增大后減小,當(dāng)大氣氣溶膠光化學(xué)厚度超過1.22后,生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力開始下降,氣溶膠濃度大于2.5時生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力顯著下降。