基于树干液流的森林冠层对大气非CO2痕量气体SO2、NOx、O3的吸收通量

Continuous emission of atmospheric non-CO2 trace gases due to social and economic development of human affects stability of atmospheric environment and disturbs growth of or even causes damage on forest. Nevertheless, only that the trace gases are taken in through the stomata and exceeds the threshold value of being resolved or converted into non-toxic form would generate effect on trees. Model research and micrometeorological technique, the mainstream methods for quantifying trace gas uptake by forest based on dose-response relation, are unable to separate the aerodynamics-driven deposition from stomatal uptake, and therefore lack mechanism interpretation on the measurement results. Most experiments studying the stomatal uptake at the present time usually expose the examined plants to trace gas of elevated concentration in an enclosed chamber, which inevitably alters stomatal microenvironment. For this reason, the sensitivity of physiological response of the plants to trace gases differs from those under in situ condition, which leads to uncertainty in estimating trace gas uptake by plant. We, according to the stomatal coupling of bidirectional exchange between water vapor and trace gas, put forward a new research way to study uptake of atmospheric SO2、NOx and O3 by forest canopy based on sap flow measurement. It integrates in situ concentration of non-CO2 trace gase and temporal variation of canopy stomatal conductance of forest in different weather condition, and provides more direct estimation of trace gas uptake. The proposed idea is a new trial of investigating matter exchange between biosphere and atmosphere by using ecophysiological research method. The future researh results will be of theoretical significance and application value in assessing air purification and injury risk of forest.

人类社会和经济发展不断排放的非CO2痕量气体影响大气环境的稳定，干扰森林正常生长甚至引起伤害，但只有通过气孔吸收的气体超过分解或转化为非毒性形态的阈值才对树木产生效应。模型和微气象通量技术是依据剂量响应原理研究森林吸收痕量气体的主流方法，但无法区分空气动力学驱动的沉积和气孔吸收的过程，对结果缺乏机理性解释；而有关气孔吸收的实验将植物置于痕量气体的暴露室内，不可避免地改变了气孔的微环境，造成植物对痕量气体响应的敏感性与原位条件下不一致，对痕量气体吸收的估测存在不确定性。根据水汽与痕量气体通过气孔双向交换的耦联关系，我们提出基于树干液流估测森林冠层吸收大气SO2、NOx和O3的研究思路。该方法整合了不同天气条件下原位非CO2痕量气体浓度以及冠层气孔导度的时间变异性，对痕量气体吸收的测量更加直观，是以生理生态学方法研究圈层间物质交换的新尝试，对森林净化大气和受害风险的评估有明显的理论和应用价值。

由于非CO2痕量气体在气候－大气化学的交互作用中扮演驱动角色，长期的累积必然影响大气环境的稳定，构成未来全球变化情景的重要部分。痕量气体不仅影响大气化学和气候，还是大气环境污染的主体成份，除非在全球范围内采取确实可行的减排措施，社会和经济的发展仍然继续增加它的排放，因此，注重发挥森林吸收非CO2痕量气体的功能则是一项符合生态原则的重要选择，可以净化空气，减缓温室效应和酸雨沉降。模型和微气象通量技术是至今研究森林对大气痕量气体吸收的主流方法，但无法区分空气动力学驱动的沉积过程和气孔的吸收过程，两种方法对观测结果均缺乏机理性的解释。本项目提出应用树干液流测量值研究森林冠层对非CO2痕量气体SO2、NOx和O3的吸收通量的新方法，建立华南地区代表性的森林类型（荷木林、大叶相思林和柠檬桉林）的树干液流、环境因子和大气SO2、NO、NO2和O3浓度的监测系统，开展了以下4方面的研究工作：水汽/痕量气体气孔导度的转换和尺度扩展；森林冠层吸收SO2、NO、NO2和O3的累积量；森林冠层吸收SO2、NO、NO2和O3的环境效应；空气SO2、NO、NO2和O3对森林效应的风险评估和应用。研究发现：森林冠层气孔导度和痕量气体浓度季节变化的差异是导致气体吸收通量呈现不同格局的主要原因；3种林型中，荷木林具有较高的光饱和点和较宽的光利用范围，其冠层气孔导度对土壤水分的响应敏感，对气孔的控制较灵敏，可避免过多的水分丧失，同时荷木林对大气痕量气体的年吸收累积量最高，吸收能力最强，因此无论是吸收能力还是树种自身的适宜性，乡土树种荷木具有较好的适应能力；采用浓度法（exposure-based approach）和吸收通量法（flux-based approach）评价目前痕量气体对森林效应显示，基于气孔吸收通量的方法更能真实反映和评价痕量气体对森林的危害风险，气孔吸收通量法更适合评定森林对痕量气体吸收和抗性水平。项目执行过程中，发表论文12篇，其中SCI论文7篇，培养毕业的博士和硕士研究生4和2名，在读博士生1名。