人为气溶胶对生态系统碳固定、碳分配及碳库间转化的影响

气溶胶通过增加漫射光量，使得植物冠层光合作用效率增加，从而促进生态系统碳吸收能力的上升，这一影响被称为"漫射光施肥效应"。现阶段，气溶胶的生态研究基本集中在短期光合作用效率的影响上，未触及生态系统碳平衡的长期变化，尤其对地下碳循环的探讨尚为空白。本项目将首次利用城市-郊区间的气溶胶梯度，通过植物生长计、稳定性碳同位素、土壤重量分级一系列方法，量化人为气溶胶对植物生理生化过程和土壤碳循环的影响。本项目的科学假设是：（1)气溶胶对植物冠层光合作用的影响是一个非线性的过程,低浓度的气溶胶通过增加漫射光量，而使得光合作用增加；但过高浓度的气溶胶浓度会显著降低辐射总量，从而抑制光合作用；（2）气溶胶引起的光合作用变化将导致土壤呼吸，微生物活动和土壤碳库周转产生相应的改变。本研究在理论上,将推动气溶胶对陆地生态系统碳循环调控机理的了解；实践上，将为评估环境变化对我国生态系统固碳能力的影响提供科学依据。

气溶胶通过增加漫射光量，使得植物冠层光合作用效率增加，从而促进生态系统的碳吸收，这一影响被称为“漫射光施肥效应”。现阶段对气溶胶如何影响生态系统碳循环的认识，主要基于区域尺度的模型研究以及生态系统尺度的涡度相关分析，缺乏叶片及植株尺度的野外观测证据。为探讨气溶胶如何影响叶片光合作用及光合产物的分配，本项目沿北京地区从东北到西南的气溶胶浓度梯度，设置了密云、香山、固城三个研究站点。2011年对每个研究点表层1米的土壤进行了统一的置换，并种植了杨树和大豆两个物种。2011年-2013年生长季，对大气气溶胶光学厚度、臭氧浓度、光合有效辐射、叶片光合速率、叶片化学组分、植物生长状况、土壤碳氮循环等参数进行了连续监测。实验结果表明叶片光合效率与气溶胶光学厚度显著相关，然而不同物种的响应存在差异。杨树叶片光合速率随气溶胶光学厚度上升线性上升，而大豆的光合效率则随气溶胶光学厚度的上升，呈先上升后下降的趋势。在高气溶胶浓度下，叶片的气孔导度和水分利用效率也较高。此外，在三个不同气溶胶浓度的站点，植物生物量分配有显著差异。在气溶胶浓度最低的密云，杨树和大豆的叶片生物量在总生物量中的比重显著高于香山和固城，而表层土壤的全碳、全氮及土壤呼吸则显著低于其他两个站点。本项目首次在叶片尺度上证明了气溶胶浓度与叶片光合速率的显著相关性，指出高气溶胶浓度下，叶片较高的气孔导度和水分利用效率可能是导致叶片光合速率上升的重要因素。这一现象表明以往的模型研究可能过高的估计了散射辐射对光合的促进作用。此外本项目的结果也初步表明，气溶胶不仅改变了叶片的碳吸收能力，也可能改变植株的碳分配及土壤的碳累积。本研究提供了叶片及个体尺度上，气溶胶如何调控生态系统碳循环的野外观测证据，将有助于现有模型过程的设置和参数的校准，为评估气溶胶对我国生态系统碳循环及粮食产量的影响提供了科学证据。