气溶胶污染下植物如何生长?

2021-04-15 10:16:05 中科院之声

大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称。近几十年来,经济社会的快速发展导致大气中人为源气溶胶的含量持续增加,气溶胶污染带来的环境问题日益严重。众所周知,气溶胶污染会影响人类健康。那么,气溶胶污染如何影响植物呢?

图1 低气溶胶天气和高气溶胶污染天气的对比(摄影:刘玲莉)

光、温度和水分是植物进行生命活动的必要条件。由于气溶胶颗粒可以吸收和散射太阳辐射,其浓度的升高会显著降低到达地表的总辐射,但同时会增加散射辐射的比例。此外,在高气溶胶天气下通常伴随较低的空气温度和较高的空气湿度。气溶胶引起的这三个环境因素的变化必将影响植物的光合速率和蒸腾作用,进而改变生态系统碳水循环过程。然而,由于目前在叶片及个体尺度上的野外观测较少,气溶胶如何影响植物光合和水分利用的机理还不清楚。

为了探索植物在气溶胶污染下如何生长,中科院植物研究所刘玲莉研究组基于华北地区气溶胶浓度周期性波动的特点,结合野外观测、机理模型和卫星遥感观测等多种手段,评估了无云天气下,大气气溶胶对农作物光合作用及树木蒸腾作用的影响,并解析了相关生理机制。

图2 气溶胶改变了叶片光合速率、叶片蒸腾作用和树干液流(绘图:王欣和王斌)

研究发现,农作物的光合速率在叶片,冠层和区域尺度上对气溶胶均呈现出先升后降的非线性响应。也就是说,农作物光合作用在中等气溶胶条件下最高,而高气溶胶情况下,农作物光合速率受到了抑制。

进一步的分析发现,阳生叶和阴生叶的响应机制不同。在中等气溶胶天气下,伴随的高空气湿度显著促进了阳生叶片的光合速率;而散射辐射的增加改善了冠层内部的光环境,从而促进了阴生叶片的光合。但随着气溶胶浓度的进一步增加,总的太阳辐射显著降低,从而抑制了阳生叶和阴生叶的光合速率。此外,还发现背景气象条件会调控农作物对气溶胶的响应强度。

图3 大气气溶胶对农作物光合在叶片和区域尺度上的影响(绘图:王欣)

研究人员还在野外对杨树叶片蒸腾和树干液流进行了密集观测。发现气溶胶浓度上升时,阳生叶的蒸腾显著下降,这主要是伴随的低饱和水汽压差(VPD)导致的;而阴生叶的蒸腾变化较小,主要是由于气孔导度增加对蒸腾的正面效应抵消了低VPD的负面效应。和叶片尺度的响应一致,气溶胶浓度升高显著降低了植物个体的蒸腾作用(即树干液流)。同时,还发现高气溶胶浓度天气下,植物在叶片和个体尺度上的蒸腾作用对气象干旱(VPD)的敏感性降低。较少的水分耗散和较低的干旱敏感性意味着气溶胶浓度升高使植物的水分利用变得更加保守。

图4 研究人员在野外观测叶片光合、蒸腾和树干液流(摄影:王斌)

图5 大气气溶胶对杨树叶片及个体水分利用的影响(绘图:王斌)

上述结果表明,气溶胶浓度升高降低了农作物的光合速率和树木的水分利用量,并发现共变化的环境条件调节了植物对气溶胶的响应强度,为评估大气气溶胶污染对陆地生态系统碳吸收和水分循环提供了观测基础和机理支撑。

相关研究成果于近期在线发表在 Geophysical Research Letters和 Journal of Ecology上。植物所副研究员王欣和在读博士生王斌分别为上述论文的第一作者,刘玲莉研究员为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项和中国科学院青年创新促进会等项目的资助。

论文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091893

https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1365-2745.13633

来源:中国科学院植物研究所

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