臭氧和气溶胶复合污染对杨树叶片光合作用的影响

由于经济的快速发展, 中国大部分地区正面临着严峻的复合型大气污染, 其中臭氧和气溶胶是两种主要污染物。已有的研究表明臭氧对叶片的氧化性伤害能够抑制光合作用, 而气溶胶可通过增加散射辐射比例或缓解高温抑制促进光合作用。但复合污染下, 臭氧和气溶胶如何共同调控叶片光合作用, 仍缺乏研究。该研究利用北京及周边地区之间的污染梯度, 选择加杨(Populus × canadensis)作为实验对象, 于2012-2013年生长季期间对叶片光合速率进行连续观测, 并同时监测臭氧浓度(AOT40)、气溶胶光学厚度(AOD)、空气温度和冠层内外光合有效辐射(PAR)等环境因子, 以期探讨大气复合污染下臭氧和气溶胶变化对植物叶片光合作用的影响及相关机制。结果表明: (1)臭氧浓度与空气温度、气溶胶浓度之间均呈显著正相关关系, 但气溶胶浓度与空气温度没有显著相关关系; (2)臭氧浓度增加显著抑制了阳生叶片的光合作用, 但气溶胶浓度上升促进了阳生叶片的光合作用; 臭氧浓度升高对阴生叶片光合作用的影响较小, 但气溶胶浓度上升促进了阴生叶片的光合作用; (3)标准化后的结果显示, 臭氧对阳生叶片光合作用的影响最大, 此时气溶胶的促进作用一定程度上补偿了臭氧浓度上升所带来的抑制效应。对于阴生叶片光合作用而言, 气溶胶则是最重要的影响因素。该研究发现复合污染下阴生叶和阳生叶光合响应不同, 这表明冠层结构可能通过影响阴生叶和阳生叶的比例, 从而对植物生长产生不同影响。该研究对理解大气复合污染如何影响光合作用提供了的机理支持, 同时也表明, 为了维持生态系统生产力及功能, 需要同时控制气溶胶和臭氧污染。     

Effects of ozone and aerosol pollution on photosynthesis of poplar leaves

由于经济的快速发展, 中国大部分地区正面临着严峻的复合型大气污染, 其中臭氧和气溶胶是两种主要污染物。已有的研究表明臭氧对叶片的氧化性伤害能够抑制光合作用, 而气溶胶可通过增加散射辐射比例或缓解高温抑制促进光合作用。但复合污染下, 臭氧和气溶胶如何共同调控叶片光合作用, 仍缺乏研究。该研究利用北京及周边地区之间的污染梯度, 选择加杨(Populus × canadensis)作为实验对象, 于2012-2013年生长季期间对叶片光合速率进行连续观测, 并同时监测臭氧浓度(AOT40)、气溶胶光学厚度(AOD)、空气温度和冠层内外光合有效辐射(PAR)等环境因子, 以期探讨大气复合污染下臭氧和气溶胶变化对植物叶片光合作用的影响及相关机制。结果表明: (1)臭氧浓度与空气温度、气溶胶浓度之间均呈显著正相关关系, 但气溶胶浓度与空气温度没有显著相关关系; (2)臭氧浓度增加显著抑制了阳生叶片的光合作用, 但气溶胶浓度上升促进了阳生叶片的光合作用; 臭氧浓度升高对阴生叶片光合作用的影响较小, 但气溶胶浓度上升促进了阴生叶片的光合作用; (3)标准化后的结果显示, 臭氧对阳生叶片光合作用的影响最大, 此时气溶胶的促进作用一定程度上补偿了臭氧浓度上升所带来的抑制效应。对于阴生叶片光合作用而言, 气溶胶则是最重要的影响因素。该研究发现复合污染下阴生叶和阳生叶光合响应不同, 这表明冠层结构可能通过影响阴生叶和阳生叶的比例, 从而对植物生长产生不同影响。该研究对理解大气复合污染如何影响光合作用提供了的机理支持, 同时也表明, 为了维持生态系统生产力及功能, 需要同时控制气溶胶和臭氧污染。     

大气气溶胶对北京杨树人工林生态系统生产力的影响

大气气溶胶可以影响到达地面的太阳辐射，进而影响植物光合作用和生态系统生产力，乃至区域上的碳收支。为探究北京地区气溶胶对杨树人工林生态系统生产力的影响，利用2006—2009年北京大气气溶胶数据结合北京大兴杨树人工林涡度相关系统监测的辐射、碳通量等数据，分析了气溶胶对散射辐射、光能利用效率(LUE)、生态系统初级生产力(GPP)的影响，并利用通径分析方法探究了气溶胶和生态环境因子对GPP的直接和间接影响。结果表明，北京市气溶胶光学厚度(AOD)具有明显的季节变化特征：春、夏两季大于秋、冬季，夏季气溶胶光化学厚度最大。大气气溶胶显著影响了地表辐射组分以及温度、湿度环境因子，随着AOD从0增大到3,总辐射减小了43.63%,散射辐射增加132.26%,散射辐射比例增大了2.55倍，而相对湿度增大48.52%,日温差增大3℃左右。当生态系统受水分胁迫时，气溶胶对生态系统生产力无显著影响，当生态系统处于非水分胁迫时，杨树人工林生态系统光能利用效率和生产力随着气溶胶浓度增大先增大后减小，当AOD为1.0—1.6时，GPP维持在较高的水平，当AOD>2.5时，GPP显著减小且小于背景气溶胶(A...     

散射辐射对亚热带人工针叶林光能利用率的影响

地表接受的太阳辐射中散射辐射的改变是影响森林生态系统光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)的重要因素。以千烟洲亚热带人工针叶林为研究对象,利用30 min通量和常规气象观测数据,以晴空指数(kt)和地表接受的散射辐射(S_f)占太阳总辐射(S_0)的比值(S_f/S_0)为指标,分析了2003—2012年生长旺季(6—8月)散射辐射变化对千烟洲亚热带人工针叶林光能利用率的影响,并利用改进的光响应曲线模型分析了散射辐射变化对植被光合特性的影响。研究结果表明:2003—2012年生长旺季中,kt在0.6—0.7范围内的LUE比kt在0.4—0.5范围内的LUE平均减少了44.66%;S_f/S_0在70%—85%之间的LUE比S_f/S_0在55%—70%之间的LUE平均提高了22.24%。由此可以看出,与晴朗天空相比,多云及气溶胶增加导致的散射辐射增加可使该生态系统的LUE提高。并且,未受到高温干旱影响的2005、2006、2008、2009、2010及2012年散射辐射下该生态系统的初始量子效率αf比直接辐射下的αr平均增加了0.63 g CO2/mol;而10年间所有年份散射辐射下的光饱和时的潜在最大光合作用速率比直接辐射下平均提高了0.81 mg CO_2m~(-2)s~(-1),说明散射辐射可使该生态系统植被光合能力提高。     

杨树生理生态指标与环境因子之间相关性分析

为了揭示杨树生理生态指标与环境因子间综合复杂的关系,找出重要指标,在适宜土壤水分、中度干旱和严重干旱3种土壤水分条件下研究水分胁迫对杨树生理生长变化的影响;在人工控制条件下,研究叶片净光合速率(Pn)、叶片气孔导度(Gs)随光合有效辐射(PAR)和CO2浓度变化的反应关系;在中度干旱条件下,通过直接相关和综合相关分析,揭示各指标间相互影响的复杂关系。结果分析表明,水分胁迫对杨树生理生长变化有显著影响,是主要因子。在中度干旱条件下,对杨树有重要影响的因子依次为:光合有效辐射(PAR)、CO2浓度、大气温度(Ta);能够反映杨树生理生态特性的重要指标依次为:耗水量、蒸腾速率(Tr)、呼吸速率(R)和净光合速率(Pn).由此获得基本结论:杨树的生理生长变化受土壤水分、光合有效辐射(PAR)、大气CO2浓度和大气温度等多个环境因子的综合影响极其显著,其生理生长变化特征也宜采用多个指标来反应。直接相关分析不足以反映它们间的复杂关系,综合分析优于直接相关分析,分析方法科学合理,值得研究推广。     

增强UV-B辐射对作物生理代谢、DNA和蛋白质的影响研究进展

大气平流层的臭氧层逐渐破坏导致太阳辐射中抵达地球表面的UV-B辐射增加,对作物产生不同程度的影响.本文讨论了UV-B辐射增强对作物生理代谢、DNA损伤和蛋白质含量的影响.UV-B辐射增强,作物叶片类黄酮含量增加、叶绿素含量降低、光合作用减弱,同时UV-B辐射诱致基因活性变化,导致DNA损伤和蛋白质含量的改变.     

增强UV-B辐射和氮素互作对植物生长代谢影响的研究进展

不同氮源条件下,UV-B辐射增强能改变植株对氮的吸收利用以及植株叶片的碳氢比和碳氮比,增加氨基酸的生物合成.缺氮条件下, UV-B辐射增强使植物叶片中SOD、POD活性增强,MDA含量增加;氮素过量时,UV-B辐射增强会降低植物对UV-B辐射的耐性.UV-B辐射增强和氮缺乏相互作用会降低叶片的光合速率、叶绿素含量、可溶性糖及淀粉含量,从而抑制植物的生长,降低生物量.该文对近年来国内外有关UV-B辐射增强与氮素相互作用对植物抗氧化系统、氮代谢、光合作用、生物量和形态结构的影响进行综述.     

太阳辐射对长白山阔叶红松林净生态系统碳交换的影响

太阳辐射是植物进行光合作用的前提条件, 因此成为影响植被吸收大气CO₂的重要环境因子。该研究基于30 min通量和常规气象数据, 以相对辐射和晴空指数为指标, 分析了2003~2006年生长旺季(6~8月)太阳辐射的改变对长白山阔叶红松(Pinus koraiensis)林净生态系统碳交换(Net ecosystem exchange, NEE)的影响。结果表明: 天空有一定云层的覆盖对阔叶红松林碳的净吸收有明显的促进作用。4年里6~8月间生态系统最大光合速率在天空有云覆盖时较晴空条件下分别提高了34%、25%、4%和11%。在晴空指数约为0.5的中等辐射条件下, 该生态系统的NEE达到最大。对生态系统碳的净吸收有促进作用的临界相对辐射约为37%, 而使该生态系统NEE达到最大的最适相对辐射约为75%。进一步分析表明, 天空云量的增多和云层厚度的增加会引起散射辐射比例的增加、大气温度和水汽亏缺程度的降低等环境效应, 由此可能会导致冠层光合作用的增加和地上部分呼吸的减弱, 从而共同决定了净生态系统碳吸收作用的增强。     

高山植物的光合生理特性研究进展

高山植物的光合作用受强辐射、低温和干旱环境的影响。近年来,大气CO_2浓度上升和全球气候变暖的趋势日益明显,影响着高山植物的光合生理。本文综述了强辐射、低温和干旱等高山环境因子以及全球气候变化引起的大气CO_2和温度上升对高山植物光合特性的影响,并提出未来高山植物光合生理的研究热点主要是开展不同地域的高山植物光合特性研究,环境因子交互作用对高山植物光合特性的影响研究,不同植物的光合特性对全球气候变化响应的差异,模拟土壤有效养分含量增高对高山植物光合特性的影响,建立数学模型预测全球气候变化对高山植物动态的影响以及通过长期定位研究探索不同生长阶段高山树木的光合特性。     

气候变化对植物有性生殖影响的研究进展

植物对全球气候变化的响应近年来已成为植物学研究热点之一,而有性生殖阶段对环境的变化最敏感。本文较系统地综述了过去数十年气候变化主要因子温度、温室气体、紫外线B辐射和气溶胶对植物花期、授粉受精和生殖产量等有性生殖过程的影响。主要概括:(1)温度适度升高促使大部分植物花期提前,加速授粉受精过程,但同时使传粉者活动期和花期分离而影响授粉受精,其部分增加生殖产量,但温度过高则减少产量。(2)温室气体中水汽过多或过少都减少植物生殖产量;CO2浓度升高一般有利于植物授粉受精,增加生殖产量;O3浓度增加则不利于植物生殖生长。(3)增强的UV-B辐射影响植物花期,不利于授粉受精,对生殖产量影响复杂。(4)气溶胶排放量增加对植物生殖产量的影响依据气溶胶浓度、植物冠层结构和环境条件不同而异。最后分析总结了国内外相关研究中仍存在的不足之处,为更好理解和深入研究植物对气候变化的响应机制提供参考。     

太阳辐射减弱对水稻光合生理特性和中微量元素积累的影响

近年来雾霾等大气环境污染问题突出,气溶胶导致到达地表的太阳辐射强度降低,对农作物生长造成了较大影响。为了探讨太阳辐射强度降低对粮食作物生理特性和矿质元素营养的影响,本研究以‘南粳5055’水稻品种为供试材料,采用田间随机区组设计,通过不同程度遮光处理模拟弱光环境(CK,不遮光对照;Y₁、Y₂遮光率分别为19%、45%),研究了在水稻关键生育期(拔节期、抽穗期、灌浆期)内叶绿素含量(SPAD)、叶面积指数(LAI)、叶片净光合速率、产量和籽粒中、微量金属元素(Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu)含量的响应特征。结果表明: 全生育期内遮光处理抑制了水稻光合作用产物的合成,降低了叶面积指数;但在生育前期对叶绿素含量无显著影响,在生育后期则显著增加。两种遮光处理下水稻的千粒重较CK分别降低了14.4%和18.4%,结实率降低了4.3%和12.9%,从而导致水稻产量下降,且随着遮光程度增加,水稻减产率加大,产量分别下降了58.5%和66.4%。遮光处理籽粒糙米和颖壳中金属元素含量升高,尤其微量元素含量显著上升。可见,遮光对水稻生长产生了不利影响,最终使其减产,并使Cu、Mn等重金属元素含量增加,这可能造成污染风险进而对人体健康造成威胁,因此,太阳辐射减弱对作物产量和品质的影响需要综合评价。     

Effect of dust and anthropogenic aerosols on columnar aerosol optical properties over Darjeeling (2200 m asl), eastern Himalayas, India

Background

The loading of atmospheric particulate matter (aerosol) in the eastern Himalaya is mainly regulated by the locally generated anthropogenic aerosols from the biomass burning and by the aerosols transported from the distance sources. These different types of aerosol loading not only affect the aerosol chemistry but also produce consequent signature on the radiative properties of aerosol.

Methodology/Principal Findings

An extensive study has been made to study the seasonal variations in aerosol components of fine and coarse mode aerosols and black carbon along with the simultaneous measurements of aerosol optical depth on clear sky days over Darjeeling, a high altitude station (2200 masl) at eastern Himalayas during the year 2008. We observed a heavy loading of fine mode dust component (Ca²⁺) during pre-monsoon (Apr – May) which was higher by 162% than its annual mean whereas during winter (Dec – Feb), the loading of anthropogenic aerosol components mainly from biomass burning (fine mode SO₄ ²⁻ and black carbon) were higher (76% for black carbon and 96% for fine mode SO₄ ²⁻) from their annual means. These high increases in dust aerosols during pre-monsoon and anthropogenic aerosols during winter enhanced the aerosol optical depth by 25 and 40%, respectively. We observed that for every 1% increase in anthropogenic aerosols, AOD increased by 0.55% during winter whereas for every 1% increase in dust aerosols, AOD increased by 0.46% during pre-monsoon.

Conclusion/Significance

The natural dust transport process (during pre-monsoon) plays as important a role in the radiation effects as the anthropogenic biomass burning (during winter) and their differential effects (rate of increase of the AOD with that of the aerosol concentration) are also very similar. This should be taken into account in proper modeling of the atmospheric environment over eastern Himalayas.     

“21世纪海上丝绸之路”沿线典型城市气溶胶光学厚度时空分布特征与成因

气溶胶作为悬浮分散在大气中的固态或液态微小颗粒物,对人体健康具有巨大影响,探索区域大气气溶胶变化特征和规律,对监测评估大气环境质量(尤其是人口聚集的城市地区)具有重要意义。本研究以东南亚、南亚和西亚“21世纪海上丝绸之路”沿线9个典型支点城市为例,基于MCD19A2 550 nm AOD产品,结合气象因素、土地利用数据和夜间灯光数据等,探讨亚洲发达城市区域带气溶胶的时空分布、变化特征、影响因素和成因驱动。结果表明: 2013—2018年间,9个城市气溶胶光学厚度(AOD)年平均值从高到低依次为卡拉奇、多哈、吉大港、曼谷、科伦坡、胡志明市、新加坡、瓜达尔和仰光。受区域气候系统和气溶胶类型的影响,各地区年、季和月AOD时序特征差异显著。大多数城市AOD高值区主要分布在城市中心区域或社会经济(如工农业)快速发展的地区。不同气象因素对各地区AOD的影响略有差异:降雨量、相对湿度和风速对东南亚4个城市(胡志明市、曼谷、新加坡和仰光)的影响较大,温度、相对湿度和风速与南亚4个城市(吉大港、科伦坡、卡拉奇和瓜达尔)和西亚多哈的AOD相关性较大。城市区域AOD受社会经济、城市化发展以及气象因素耦合协同作用的综合影响,其中,卡拉奇表现得最显著。     

Determining the basic characteristics of aerosols suitable for studies of deposition in the respiratory tract

Studies of aerosol particle deposition in the respiratory tract requires experimental inhalation of artificial model aerosols. The paper formulates some of the most important requirements for the properties of such aerosols. Several suitable fractions were prepared as part of a research project dealing with the use of microporous polymers for diagnostic purposes. 5 fractions of the polymer designated G-gel 60 with the particle size as stated by the manufacturer, ranging from 3 to 7 micron were evaluated using a 16-channel particle dispersity analyzer HIAC/ROYCO MT 3210 with the sensor 1200 and operated by a microprocessor, the equipment being coupled to an APPLE IIe computer. G-gel 60 particles introduced into the aerosol were characterized by the parameters CMAD, MMAD and sg both numerically and graphically. The measurement procedure was found to be very sensitive with respect to all fractions in evaluating the subtile differences between different lot numbers of the aerosol. G-gel 60 fractions characterized both numerically and graphically were compared with the known aerosols from paraffin oil and atmospheric air. The equipment MT 3210 enables prompt determination of the percentages of aerosol particles distribution by size class. The authors conclude that the procedure, both in its numerical and graphical versions, is particularly suitable for the diagnosis of aerosol particles deposition in the respiratory tract, offering a new application for HIAC/ROYCO in the field of medicine. In evaluating atmospheric aerosol in exhaled air, the number of particles was found to be below that in inhaled air, the difference being dependent on the choice of investigation methods. Percentual distribution of deposited particles following one minute ventilation proved to be at its maximum, as regards atmospheric aerosol, in the 0.30-0.50 micron range. The deposition curve was similar to already published curves, being characterized by an S-shaped pattern with maximum deposition in the greater size classes. An analysis of inhaled, exhaled and deposited aerosol suggested that deposited aerosol is more polydisperse and has particles of greater sizes than inhaled aerosol. Investigation of the effect of apnoe on deposition indicated that deposition increased as a function of apnoeic pause.     

Possible effects of global climate change on the ecosystem of Lake Tanganyika

Any change in the air temperature, wind speed, precipitation, and incoming solar radiation induced by increasing greenhouse gasses and climate change will directly influence lakes and other water bodies. The influence can cause changes in the physical (water temperature, stratification, transparency), chemical (nutrient loading, oxygen) and biological (structure and functioning of the ecosystem) components of the Lake. In this work an influence of the likely effects of the climate change on the above three components of Lake Tanganyika are studied by means of a simple ecological model. Simulations for the years 2002–2009 have been performed using the wind and solar radiation data from the National Centres for Environmental Protection (NCEP) reanalysis. Various possible climatic scenarios are studied by changing the surface layer depth, its temperature and the wind stress. Any change in any of the above physical forcing parameters modifies the timing and intensity of the dry season peaks of the biogeochemical parameters. It is seen that the gross production increases as temperature of the surface layer increases and its depth decreases. High temperature and low wind stress, reduces the biomass. The effects of a slight increase in lake water temperature on the Lake Tanganyika ecosystem might be mitigated by increased windiness, if the latter was sufficient to induce greater mixing.     

臭氧污染与陆地生态系统生产力

空气污染的严重性、普遍性和不断发展的趋势及其对陆地生态系统生产力造成的重大影响已引起科学工作者的高度重视,成为一个急需解决的重要课题。对流层臭氧(O₃)在空气污染现状与未来发展趋势中占据重要角色,该文重点探讨了O₃对陆地生态系统生产力的光合、分配、生长和产量形成等主要过程的影响及其对整个生态系统的长期效应,并评述了相关研究方法进展。主要结论包括:O₃在生产力形成过程中的每个环节中都有着不同程度的负面影响,通过影响光合作用和气孔导度,减少根冠比改变碳分配量,而最终导致粮食生产和森林生物量损失率高达30%;气候变化、CO₂和O₃协同作用对植物影响较为复杂,有促进也有抑制;生态系统模拟已成为研究O₃污染影响陆地生态系统生产力的主要方法之一,在区域评估和未来气候预测方面都具有重要作用。     

海岸带不同复合农林业系统的小气候特征

对海岸带银杏（Ginkgo biloba Linn.)－农作物在种复合经营模式（A.4年生叶用银杏＋农作物;B.6年生果用银杏＋4年生叶用银杏＋农作物;C.6年生材用银杏＋农作物）进行了小气候的同步测定和因子分析。结果表明：太阳辐射的吸收率、空气相对湿度、防风效应都随模式内植被的立体空间层次增加而增加,而气温、地温的日较差和水面蒸发量却随之降低。各模式中影响小气候的主导因子主要是植被结构层次和地表温度,其因子负荷量分别为－0.971和0.9997。三种模式中,果用银杏－叶用银可－农作物复合模式具有更适宜而又稳定的小气候特征。     

温室甜椒叶面积指数形成模拟模型

叶面积指数是光合作用驱动的作物生长模型以及冠层蒸腾模型所需的重要作物参数,温度和辐射是影响叶片生长的重要环境因子.通过不同定植期、不同品种、不同地点的试 验,定量分析了温室甜椒出叶数、叶片长度和叶面积指数与温度和辐射的关系,构建了温室 甜椒叶面积模型,并利用独立的试验资料对模型进行了检验.结果表明：甜椒出叶数与出苗 后累积辐热积呈指数函数关系;叶片长度与出叶后累积辐热积呈负指数函数关系;甜椒出叶 数、叶片长度和叶面积指数的模拟结果与实测值之间的决定系数R²分别为0.94、0.89、0.93,其回归估计标准误RMSE分别为3.4、2.15 cm、0.15.该模型能够利用气温、辐射、 种植密度和出苗日期准确地预测温室甜椒叶面积指数动态,且模型参数少、实用性强,可以为温室甜椒生长模型和蒸腾模型提供必需的叶面积指数动态信息.