大气气溶胶对森林生态系统碳水耦合过程的影响机理

It is a rarely investigated yet significant key scientific question on what the governing mechanisms are for the effects of atmospheric aerosols on the carbon and water exchange between forest ecosystem and atmosphere as the intensified human activities and the global change has occurred during the past decades. Here we designed to use eddy covariance technique to continuously measure the carbon dioxide, water and energy fluxes between a forest ecosystem and the atmosphere, as well as the microclimate observations and the atmosphere aerosols inversion. We will quantify and compare the direct and indirect effects of the changed climatic factors (such as cloudiness, radiation, temperature, etc.) by different aerosol concentrations on the ecosystem carbon cycle, water cycle and water use efficiency. In addition，we will explore the biophysical regulatory mechanisms of atmospheric aerosols on the forest ecosystem carbon-water coupling. Finally, we will establish the ecosystem model to simulate the carbon and water coupling processes driven by the atmospheric aerosol, which will be parameterized and verified by using multi-year observation data. We aimed at enriching basic theory of ecohydrology theory, improving the evaluation accuracy for forest ecosystem carbon sink function, and providing scientific bases for developing management strategy to strengthening the ecosystem services of forests.

针对剧烈人类活动和全球变化导致的大气气溶胶浓度升高对森林生态系统碳水耦合过程的影响机理这一关键科学问题，采用涡度相关技术连续测定森林生态系统与大气间二氧化碳、水和能量通量，通过同步测定小气候要素并结合气溶胶反演，量化并比较不同气溶胶浓度引起环境因素（云量、辐射、温度等）的变化对森林生态系统碳循环、水循环以及水分利用效率的直接和间接影响；探究大气气溶胶对森林生态系统碳水耦合生物物理控制机理的影响；建立包含大气气溶胶模块的生态系统碳水耦合过程模型，利用站点多年实测数据对模型进行参数化和验证。本项目研究将进一步丰富生态水文理论、提高森林生态系统碳汇功能评价的准确性，并为制定旨在提升森林生态服务功能的经营管理策略提供科学依据。

由于人类的不合理活动和化石燃料的燃烧，近年来我国大气气溶胶浓度明显上升。针对大气气溶胶对森林生态系统碳水耦合过程的影响机理这一关键科学问题，本项目采用涡度相关、微气象观测、气溶胶观测等手段，全面解析了大气气溶胶及其影响的散射辐射变化对生态系统碳水循环过程的生物物理调控机制。研究发现，大气气溶胶光学厚度（AOD）的增加不但会导致总辐射减少、散射辐射及其比例增加，还会对小气候产生重要影响。生态系统总初级生产力（GPP）随AOD的增加呈指数形式增加，当AOD超过1后，生态系统生产力对AOD的变化不再敏感。此外，生态系统的水分条件会介导AOD与GPP之间的关系。生长季，大气气溶胶浓度的增加通过减少直接辐射使得植物气孔关闭，从而减小生态系统的蒸散比。在气溶胶浓度较低的晴朗天气条件下，植物气孔对水汽散失的控制力较弱，这主要是因为具有非等水势行为的河岸杨树林通过增加蒸腾和叶表面湿度，避免由于强烈的辐射和较高的温度引起的叶片灼伤。大气气溶胶通过改变直接辐射和散射辐射比例来减少水分消耗同时促进生态系统生产力，从而提高生态系统的水分利用效率。具体来说，当散射辐射比例低于0.6时，杨树人工林可以通过调节气孔功能来高效地利用散射辐射。此外，通过对10个考虑散射辐射的光能利用效率模型模拟结果进行对比，结果表明，双叶模型具有更好的模型结构，并且对捕获散射辐射的施肥效应有更好的潜力。然而，由于受到遥感数据（如叶面积指数）不确定性的限制，在全球GPP的模拟中，双叶模型并没有表现出比大叶模型更加明显的优势。本项目研究结果揭示了大气气溶胶和散射辐射对生态系统碳水耦合过程的直接和间接影响，并强调了未来将AOD或散射辐射影响纳入全球陆地生态系统生产力评估模型的必要性。这对于丰富全球变化生态学理论，理解大气气溶胶变化背景下森林生态系统的碳水收支，准确预测在未来森林生态系统的碳汇功能，均具有十分重要的意义和价值。