气溶胶直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响
邵思雅1,2, 张晶1,2,*, 周丽花1,2, 乔岩1,2
1. 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院,北京 100875
2. 全球变化与中国绿色发展协同创新中心,北京 100875

*通信作者简介:张晶(1967- ),女,教授,博士,研究方向为全球变化与生物地球化学循环。E-mail: jingzhang@bnu.edu.cn

第一作者简介:邵思雅(1991- ),男,安徽淮北人,博士研究生,研究方向为陆面过程与生物地球化学循环。E-mail: siyashao1310@gmail.com

摘要

论文利用通用陆面模式CLM4.0-CN对全球陆地生态系统生物地球化学循环过程进行模拟,分析气溶胶直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响。结果表明:气溶胶直接辐射效应使2007年全球陆地生态系统平均总初级生产力(GPP)、净初级生产力(NPP)、异养呼吸(RH)、自养呼吸(RA)以及净生态系统生产力(Reco)都呈现出增加的态势。具体的变化特征则随着地区不同而表现出极大的差异,在非洲中西部、中国中东部、美国东南部和欧洲中南部地区GPP增加,在南美洲亚马逊地区及东南亚等地区GPP减少。NPP和RA与GPP的分布基本一致。分析发现,气溶胶直接辐射效应导致陆地生态系统碳循环发生变化有如下两方面原因: 1)散射施肥效应,即植被阴生叶可以吸收的散射辐射(光合有效辐射)增加使其光合速率增加;2)辐射变化导致温度和湿度条件发生变化,从而改变植物生物物理和化学过程速率。

关键词: 气溶胶; 直接辐射效应; 散射施肥效应; 碳循环; 陆地生态系统
中图分类号:X513 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0027-10
Impacts of Aerosol Direct Radiative Effect on Carbon Cycle in Global Terrestrial Ecosystem
SHAO Si-ya1,2, ZHANG Jing1,2,*, ZHOU Li-hua1,2, QIAO Yan1,2
1. College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2. Joint Center for Global Change Studies, Beijing 100875, China
Abstract

The biogeochemical processes in global terrestrial ecosystem are studied using the Community Land Model (CLM), and the impacts of aerosol radiative effects on the carbon cycle in global terrestrial ecosystem are analyzed. Calculations show that the aerosol direct radiative effects caused the global averages of terrestrial gross primary productivity (GPP), net primary productivity (NPP), heterotrophic respiration (RH), autotrophic respiration (RA), and net ecosystem productivity (Reco) to increase in 2007, with significant spatial variations however. For instance, the GPP increased in the mid-west of Africa, the mid-east of China, the southeastern US and the mid-south of Europe, and decreased in the Amazonia of South America and the southeastern Asia. The NPP and RA showed similar spatial pattern as GPP did. The average changes of GPP, NPP, NEP, RA, RH and Reco in 2007 were +6.47 g C·m-2(+1.13%), +2.23 g C· m-2 (+0.98%), +0.34 g C·m-2(+4.04%), +4.24 gC m-2 (+1.25%), +1.89 g C·m-2 (+0.86%), +6.13 g C·m-2(+1.13%), respectively. Simulations of canopy photosynthesis found that the photosynthetic carbon sequestration by sunlit and shaded leaves was also impacted by aerosols. The photosynthetic carbon sequestration by shaded leaves exhibited similar trend as GPP did, and its global average increased by 23.93 g C·m-2. The carbon sequestration by sunlit leaves decreased by a global average of -17.47 g C·m-2. Examinations of the carbon fluxes show that the aerosol direct radiative effects influence the carbon cycle in terrestrial ecosystem via the following two ways: first, the diffuse fertilization effect, i.e. more diffuse radiation being absorbed by shaded leaves of vegetation (photosynthetic active radiation, PAR) results in higher photosynthetic rates; second, the radiation changes lead to changes in temperature and humidity, thereby changing the rates of the plant biophysical and chemical processes.

Keyword: aerosol; direct radiative effect; diffuse fertilization; carbon cycle; terrestrial ecosystem

大气气溶胶粒子吸收、散射太阳辐射和地面发出的长波辐射, 造成大气吸收的太阳辐射、到达地面的太阳辐射和大气顶反射回外空太阳辐射通量的变化, 从而影响地-气辐射收支。排除其他作用, 在有气溶胶和无气溶胶存在时辐射通量的变化被称为气溶胶的直接辐射效应。

对植物生长而言, 当环境因素中水分、温度和营养元素等不起限制作用时, 太阳辐射的强度与持续时间就会起着关键的作用[1, 2]。气溶胶虽然具有负的辐射强迫效应[3], 但其通过对太阳辐射的散射过程能使散射辐射在总辐射中所占的比例大幅增加, 导致植被光合作用增强[4], 这就是所谓的“ 散射施肥效应” 。因此, 大气气溶胶的散射效应对植被生产力, 乃至全球陆地生态系统碳循环过程具有不可忽视的重要影响。

在1991年皮纳图博火山大规模喷发之后, 大气CO2的浓度发生了异常下降。研究发现, 火山气溶胶造成的散射辐射的增加导致陆地植被生产力增加[4, 5, 6]。但这些研究的区域范围都较小, 且在模拟中多使用经验回归公式与统计分析方法, 没有体现其过程机理。紧随其后, 大量有关气溶胶散射效应对生态系统固碳能力影响的研究工作陆续展开[7, 8, 9, 10, 11, 12]。其中多数研究发现, 适量的气溶胶会提升植被的碳净吸收量。但是过多的气溶胶导致太阳总辐射水平显著降低时, 植被对CO2的吸收量会减少。这些研究表明, 大气中的高浓度气溶胶能够增加散射辐射, 但最终能否导致植被生产力的提高则受多种因素的制约。

气溶胶辐射效应对碳循环的影响可以采用观测或模型模拟的方法研究。但观测研究受空间范围的限制, 具有一定的局限性。而机理模型在深入探究区域或全球尺度上气溶胶散射效应的作用中是十分必要的[13]。由于各类污染物排放不断加剧, 加上区域气象条件的影响, 近年来中国的大气气溶胶浓度尤其高[14, 15, 16]。中国环境状况公报(http://www.zhb.gov.cn/hjzl/)显示, 2005— 2007年期间为21世纪以来中国二氧化硫(SO2)和烟尘及工业粉尘排放量最高时期。因而, 为便于比较中国和其他地区气溶胶直接辐射效应对陆地生态系统碳循环的影响, 本文以2007年为例进行研究, 利用卫星资料, 结合通用陆面过程模式Community Land Model 4.0(CLM 4.0), 评估全球大气气溶胶的直接辐射效应对陆地生态系统碳循环过程的影响。

1 模式与数据
1.1 CLM通用陆面模式

通用陆面模式CLM[17, 18]基于生物地球物理、水文循环、生物地球化学以及植被动态4个部分, 对生态系统和气候之间各种物理的、化学的、生物的交互作用过程进行量化模拟。本研究采用包含碳氮循环的CLM 4.0-CN模式进行2007年全球陆地生态系统碳循环的模拟。数值积分时间步长为20 min, 空间分辨率为1.9° × 2.5° 。

本研究利用Fu-Liou辐射传输模型计算得到的全球辐射数据[19], 运用CLM4.0-CN模式分析气溶胶的直接辐射效应对陆地生态系统碳循环的影响。CLM4.0-CN模式中, 植被的光合作用模型是基于Farquhar等[20]和Collatz等[21]提出的机理模型:

Wc=Vcmax(ci-Γ* )ci+Kc(1+Oi/Ko)C3VcmaxC4(1)

Wj=(ci-Γ* )4.6φαci+2Γ* C34.6φαC4(2)

We=0.5VcmaxC34000VcmaxciPatmC4(3)

A=minWc, Wj, We(4)

式中:Wc为受Rubisco含量及活性限制的速率(µ mol CO2· m-2· s-1); Wj为受RuBP再生产能力限制的速率(光照限制, µ mol CO2· m-2· s-1); We为受产物输出限制的速率(µ mol CO2· m-2· s-1); Vcmax为CO2和RuBP都处于饱和状态下时, Rubisco的最大羧化率(µ mol CO2· m-2· s-1), 其大小与叶片温度、土壤湿度、叶氮含量等多个变量相关; ci为叶片内CO2分压(Pa); Oi为氧气分压(Pa); Γ * 为CO2补偿点(Pa); Kc为CO2的米凯利斯-门顿常数(Pa); Ko为O2的米凯利斯-门顿常数(Pa); Patm为大气压强(Pa); α 为量子效率(µ mol CO2/µ mol photons); 为单位面积吸收的PAR(W· m-2); A为单位面积叶片光合速率(µ mol CO2· m-2· s-1)。

1.2 CLM输入数据

1.2.1 大气强迫数据

本研究对2007年全球陆地生态系统碳循环进行模拟, 需采用含2007年的大气强迫数据, 因此选用英国东安格利亚大学气候研究中心(Climatic Research Unit)CRU NCEP的1901— 2012年水平分辨率为0.5° × 0.5° 的气象数据集[17, 18], 包括6 h的辐射与降水数据, 以及温度、风场、比湿和气压场。另外, 为了分析气溶胶的直接辐射效应对全球陆地生态系统碳循环的影响, 本文将有无气溶胶情形下Fu-Liou辐射传输模型计算得到的全球辐射数据(包括总辐射、散射辐射与直射辐射)[19], 经过空间插值取代CRU NCEP数据集中的辐射数据。这样得到的新数据集用来驱动CLM模式, 模拟研究气溶胶的直接辐射效应所导致的全球陆地生态系统碳循环的变化。

1.2.2 土地覆盖数据

本研究所使用的土地覆盖数据集源自于Lawrence等[22], 它将多个不同的卫星遥感产品整合到一起, 包括MODIS、AVHRR等, 含16个植被功能型:3种针叶林、5种阔叶林、3种阔叶灌木、两种C3草本、1种C4草本、1种农作物以及裸土。该数据集的空间分辨率为0.05° 。

2 结果与分析
2.1 全球陆地生态系统碳循环模拟

本研究运用CLM 4.0-CN模式进行2007年全球陆地生态系统碳循环的离线模拟。首先依据CLM 4.0-CN模式推荐, 利用大气强迫资料对该模式进行651 a大气强迫模拟, 使模式达到平衡态, 再基于模式平衡态运行输出的初始场进行2007年的模拟计算。

2.1.1 碳循环通量的站点验证

为了对CLM 4.0-CN陆面模式计算得到的碳循环通量进行验证, 本文选择全球通量观测网络(FLUXNET)的观测资料与模式结果进行对比。选取2007年具有公开通量观测记录的站点(即Fogg Dam、Bonville和Wallaby Creek)。其中Fogg Dam位于澳大利亚北部, 具有热带气候, 主要植被覆盖为草原; Bonville位于美国Illinois州, 冬季降雪, 夏季潮湿炎热, 主要植被覆盖为阔叶植被, 是免耕的农业用地, 2007年种植的作物是玉米; Wallaby Creek位于澳大利亚东南部森林中, 主要植被为常绿阔叶林, 具有温带气候特点。表1列出了这3个站点及其总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)和生态系统总呼吸(Reco)观测数据的相关信息。

图1对比了GPP与Reco日均观测值与CLM 4.0-CN模式的模拟结果。可以看出, GPP模式模拟值与观测值具有相关性(R2Fogg Dam=0.35, R2Bondville=0.13, R2Wallaby Creek=0.08), 且通过了显著性水平检验(95%)。而Reco的模拟结果只在Bondville反映了实测通量的变化趋势(R2Bondville=0.61), 并通过了显著性水平检验(95%); 在Fogg Dam和Wallaby Creek的Reco模拟没有能捕捉到生态系统呼吸的波动变化。考虑到模拟采用的数据为全球资料, 模式未根据站点当地实测数据进行校验, 并且全球陆面模式准确模拟碳循环通量日均值的难度较大; 另外, 模式模拟以空间网格为单位, 与观测站点的位置不是严格对应的, 模拟值与观测值会存在差异, 因此认为该模式在一定程度上可以较好地模拟陆面碳循环过程。

表1 FLUXNET站点基本信息 Table 1 Descriptions of FLUXNET stations

图1 模式模拟碳循环通量与FLUXNET站点观测值的对比Fig. 1 Comparison of simulated carbon fluxes and observations at FLUXNET stations

2.1.2 全球陆地生态系统碳通量变化

为了探究气溶胶对全球陆地生态系统碳循环过程的影响, 本研究进行两组模拟试验:将有气溶胶和无气溶胶情况下Fu-Liou辐射传输模型计算得到的全球辐射数据作为辐射输入数据[19], 其他的输入数据保持不变, 驱动CLM模式。将两组试验得到的碳循环过程通量相减, 差值即是气溶胶直接辐射效应所带来的全球陆地生态系统碳循环变化, 结果如图2所示。

从图2中可以看出, 碳循环中的不同过程所受到的气溶胶直接辐射效应的影响不同, 且表现出极大的空间异质性。如图2(a)所示, 气溶胶直接辐射效应在非洲中西部、中国中东部、美国东南部和欧洲中南部地区使GPP增加, 一些地区的增加幅度甚至达到500 g C· m-2以上; 而在南美洲亚马逊地区、东南亚群岛等则主要使GPP减小。净初级生产力NPP的空间分布与GPP基本一致 [图2(b)]。自养呼吸RA与植被生物量及生产力呈正相关, 所以其分布与GPP、NPP的分布也较为相近 [图2(d)]。异养呼吸RH变化的空间分布则与RA不同。如图2(e)显示, 在中国东部、非洲中西部等GPP增加的区域, 一些地方的RH有明显减少, 而亚马逊等一些GPP明显减少的地方RH则有所增加。净生态系统生产力NEP由于RH的影响, 其增值区域相对于GPP以及NPP来说明显减少 [图2(c)]。计算结果显示, 2007年气溶胶直接辐射效应使全球陆面GPP平均增加6.47 g C· m-2(+1.13%), NPP增加2.23 g C· m-2(+0.98%), NEP增加0.34 g C· m-2(+4.04%), RA增加 4.24 g C· m-2(+1.25%), RH增加1.89 g C· m-2(+0.86%), 生态系统总呼吸Reco增加6.13 g C· m-2(+1.13%)。

图2 气溶胶导致的全球陆地生态系统碳通量变化Fig. 2 Changes in global carbon fluxes of terrestrial ecosystem caused by aerosols

2.2 碳通量变化原因分析

2.2.1 阳生叶与阴生叶的固碳量变化

在模拟植被冠层光合作用时, 模式将冠层划分为阳生叶和阴生叶分别进行模拟, 这是因为阳生叶和阴生叶对气溶胶辐射效应的响应机制不同。阳生叶既可以吸收直射辐射, 又能够吸收散射辐射, 而阴生叶只能吸收散射辐射; 而且阴生叶相较于阳生叶来说, 光合作用速率对辐射的变化更加敏感。因此在散射施肥效应中, 阴生叶对于散射辐射的增加往往具有更强烈的响应[23]。为了探究气溶胶直接辐射效应对碳循环过程的影响, 本研究将阳生叶与阴生叶分开进行讨论。

图3 气溶胶导致的固碳量和叶面积指数变化Fig. 3 Changes in carbon sequestration and LAI caused by aerosols

图3(a)和图3(b)分别为气溶胶辐射效应所引起的阴生叶和阳生叶的光合固碳量的变化。可以看出, 阴生叶的固碳量变化与GPP变化 [图2(a)] 基本一致。在中国中东部、非洲中部等地, 气溶胶直接辐射效应使得阴生叶的固碳量大幅提高。而阳生叶的固碳量主要呈减少态势, 但由于其变化量比阴生叶要小很多, 所以全球陆地生态系统GPP变化主要是由阴生叶的固碳量变化主导的。经计算, 2007年全球陆地生态系统阴生叶平均固碳量增加23.93 g C· m-2, 阳生叶的固碳量则平均减小17.47 g C· m-2。图3(c)和图3(d)分别为阴生叶与阳生叶叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)的变化。与固碳量分布不同的是, 阳生叶与阴生叶的叶面积指数在全球范围内均主要呈增加态势。这是因为在模式中叶面积指数是由GPP决定的。全球范围内GPP主要呈增加态势 [图2(a)], 这将导致总LAI增加, 而这个增加量既会分配到阴生叶, 也会分配至阳生叶上, 最终使阴生叶与阳生叶叶面积指数都增加。但阴生叶的叶面积指数变化量要比阳生叶大得多, 模拟结果显示, 气溶胶直接辐射效应使阴生叶的平均叶面积指数增加了3.62× 10-2 m2· m-2, 而阳生叶的叶面积指数只增加了7.4× 10-4 m2· m-2

2.2.2 固碳量变化的生理机制分析

为了探究植被固碳量的增加是否源于散射施肥效应, 需要对植被光合作用因子进行更深入的分析。植被光合作用的变化主要取决于单位面积吸收的光合有效辐射APAR与光合作用的酶系统(Rubisco)的最大羧化率Vcmax[17]。图4所示为阴生叶与阳生叶中这两个变量的变化。

由图4(a)和图4(b)可以看出, 阳生叶和阴生叶单位面积吸收的光合有效辐射APAR, 即APARsun和APARsha, 在全球范围内呈现着不同的态势。APARsun在全球范围内呈现了下降的态势。而APARsha在全球的不同区域体现出不同的变化:在北美大陆大部、欧亚大陆中部、东亚东南部和非洲中南部等地APARsha存在较明显的增长, 而在亚马逊、非洲中部以及中国华北地区APARsha则有着明显的降低。由于阴生叶只能够吸收散射辐射, 因此APARsha的变化与地表散射辐射的变化[19]具有较高的一致性。与APARsha类似, Vcmax的变化也具有很大的区域性差异。由于Vcmax与叶片温度和土壤湿度密切相关, 而且CLM 4.0-CN模式中并未对阳生叶与阴生叶的叶温进行区分, 所以阳生叶和阴生叶呈现了十分一致的变化态势 [图4(c)和图4(d)]。与APARsha不同的是, Vcmax在亚马逊、非洲中部和中国华北地区等APARsha明显降低的地方有着明显的升高, 而在北美中北部、欧亚大陆中部等APARsha升高的地方却呈现出下降的态势。光合速率在很大程度上取决于APAR和Vcmax的相对变化。将图3与图4对比可发现, 在一些阴生叶光合速率提升的地区(例如非洲中部地区)APAR值反而是下降的。也就是说, 叶片接收的辐射值并没有提升, 散射辐射效应并没有在这里发生作用, 这里的光合速率提升很可能是由叶片温度、土壤湿度等条件的改善使Vcmax增加而造成的。

图4 气溶胶导致的APAR和Vcmax变化Fig. 4 Changes in APAR and Vcmax caused by aerosols

上述结果与前人研究结果是一致的。Steiner等[8]基于中国黄河流域的气溶胶辐射效应研究指出, 由气溶胶导致的叶温变化对叶片光合作用的影响, 可能比气溶胶导致的辐射变化更加重要。Matsui等[9]的研究发现, 美国东南部地区的阴生叶光合速率受到光照限制, 气溶胶散射效应能够大量提升该地区的散射辐射, 从而使得植被生产力增加; Chen等[12]的研究中也指出亚马逊地区的阳生叶受到光照条件的极大限制, 气溶胶直接辐射效应会使其固碳速率大幅下降。

2.2.3 环境温湿条件变化

气溶胶直接辐射效应造成植被与土壤吸收的总辐射减少, 会引起土壤温度、土壤湿度和地表大气温度等环境变量发生变化, 从而对碳循环通量产生影响。在此对气溶胶导致的环境温湿条件变化做进一步的分析。

由于气溶胶导致入射太阳辐射量减少, 土壤温度、地表2 m处气温及植被叶温在全球范围内均呈现降低的趋势。土壤温度的降低将抑制土壤水分的蒸发, 使土壤湿度提高。计算结果显示, 2007年气溶胶直接辐射效应使土壤温度平均降低0.38 K, 地表气温降低0.15 K, 植被叶温降低0.13 K, 而土壤容积含水率升高0.21%。

对温湿条件的变化与碳循环通量GPP和RH变化进行分析发现, GPP与RH的变化量都与土壤湿度的变化量呈现出相对较为明显的正相关关系。如前所述, 植被光合作用的限制因子之一Vcmax受土壤湿度的影响, 土壤湿度的提高会使Vcmax增大, 从而会使GPP增加; 而RH的主要组成部分土壤呼吸则直接受到土壤湿度的控制。另一个决定土壤呼吸速率的关键因子是土壤温度, 它的升高会使土壤呼吸增加。因而土壤呼吸的最终变化取决于两者的综合作用。但图2(e)及数据统计结果均显示, RH在全球大部分地区呈现增加的趋势, 反映出从全球平均水平来看, 土壤湿度增加对土壤呼吸的正效应大于土壤温度降低带来的负效应, 即相对来说, 土壤湿度是土壤呼吸中更为主要的限制因子, 因而当土壤温度降低时, 其对应的平均结果是土壤呼吸量的增加。

3 结论

本研究运用通用陆面模式CLM 4.0-CN, 对2007年全球气溶胶直接辐射效应所引发的陆地生态系统碳循环通量的变化进行了分析探讨。结果发现, 气溶胶直接辐射效应使2007年全球陆地生态系统平均总初级生产力、净初级生产力、异养呼吸、自养呼吸以及净生态系统生产力都呈现出增加的态势, 如GPP增加1.13%, RH增加0.86%。但是这些碳通量也存在较大的空间异质性。非洲中西部、中国中东部、美国东南部和欧洲中南部地区GPP增加, 而在南美洲亚马逊地区、东南亚群岛等地区GPP减小。净初级生产力NPP在空间上的分布情况与GPP基本一致。自养呼吸RA的分布与GPP、NPP的分布也较为相近。异养呼吸RH变化的空间分布则与RA不同, 在中国东部、非洲中西部等GPP增加的区域, 一些地方的RH有明显减少; 而亚马逊等一些GPP明显减少的地方RH则有所增加。净生态系统生产力NEP由于RH的影响, 其增值区域相对于GPP以及NPP来说有明显的减少。全球陆地生态系统碳循环的这些变化主要有两方面原因:一方面是气溶胶导致的地表太阳辐射变化引起的散射施肥效应, 另一方面则是由于辐射变化所引起的温度和湿度条件的变化。根据NCEP再分析气候资料, 2007年全球陆地表面温度比1998— 2007年平均温度高0.3 K(+0.11%), 而全球陆地降水量比这10 a平均值减少7.9 mm(-1.28%)。可以看出, 气溶胶的直接辐射效应造成的全球陆地生态系统碳循环通量的变化是十分显著、不可忽视的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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