大气气溶胶及云量变化对森林生态系统净碳吸收的影响

Compared to clear sky condition, forest ecosystem net carbon uptake can be increased by the integrated effects of increase in cloudiness and aerosol loading which can cause decrease in global solar radiation and increase in diffuse radiation at the ground surface. Isolating the aerosol effects on the net carbon uptake of forest ecosystem from cloudiness effects is helpful for accurately evaluating the changes in forest ecosystem carbon sink function caused by climate changes and intensive anthropogenic activities. In this research, we will choose three typical forest ecosystems, Changbaishan temperate mixed forest, Qianyanzhou subtropical coniferous plantation, and Dinghushan subtropical evergreen broad-leaved forest. Applying technology combining routine meteorology measurements and aerosol optical depth observation with solar radiation transfer model, we plan to quantify the effects of changes in cloudiness and aerosol loading, and only changes in aerosol loading on global solar radiation received by ground, respectively. Furthermore, utilizing the measurements of CO2 flux, we are to clarify the effects of changes in aerosol loading on different forest ecosystems, distinguish the effects of changes in aerosol loading on different forest ecosystems net carbon uptake from the effects of changes in cloudiness, and uncover the mechanisms of aerosol and cloudiness effects on different forest ecosystems net carbon uptake. Hopefully,this research will form a scientific basis for effective carbon management of different types of forest ecosystems under climate changes and anthropogenic disturbances.

与晴空条件相比，在云量和大气气溶胶增加的综合作用下，地表接受的太阳总辐射下降、散射辐射增加会使森林生态系统的净碳吸收增加。将大气气溶胶变化与云量变化对森林生态系统净碳吸收的影响进行区分，有助于准确评价气候变化及人类活动加剧对森林生态系统碳汇功能的影响。本研究拟以长白山温带针阔叶混交林、千烟洲亚热带人工针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林为研究对象，将常规气象观测、大气气溶胶光化学厚度（AOD）观测和太阳辐射传输模型相结合分别量化气溶胶和云量变化，以及气溶胶变化对太阳辐射的影响，并结合CO2通量观测，明确气溶胶对不同森林生态系统净碳吸收的影响，区分气溶胶和云量变化两个因素对不同森林生态系统净碳吸收影响的贡献，并揭示其机理。该研究成果可为在气候变化及人为干扰背景下对不同类型森林生态系统进行有效的碳管理提供科学依据。

云量及人为活动导致的大气气溶胶排放量的变化对太阳辐射的改变会影响森林的碳汇功能。本项目选择3 个典型森林生态系统，长白山温带针阔叶混交林（CBS）、千烟洲亚热带人工针叶林（QYZ）、鼎湖山亚热带常绿阔叶林（DHS）为研究对象，分析云量及大气气溶胶含量变化对3个森林生态系统净碳吸收的影响及其机制。按照项目计划任务书完成了相应的研究任务。主要的研究结果如下：（1）选择晴空指数（clearness index, kt）为指标分析云量及大气气溶胶综合变化导致的太阳辐射的改变对3个森林生态系统净CO2交换量（Net ecosystem exchange of carbon dioxide, NEE）的影响。分析发现生长旺盛季节（6-8月），3个森林生态系统的NEE均在kt值为0.5左右时达到最大，即云量及大气气溶胶一定程度的增加导致太阳总辐射下降及散射辐射增加的中等辐射条件最有利于森林生态系统的净碳吸收。但是，近10年来，CBS、QYZ生长旺盛季节内的天空条件并不是最有利于森林生态系统净碳吸收的条件，而DHS的天空条件有利于该生态系统的净碳吸收；（2）选择3个森林生态系统生长旺盛季节的晴朗天空条件，分析NEE与大气气溶胶光化学厚度（Aerosol optical depth, AOD）之间的关系，将大气气溶胶含量变化对森林净碳吸收的影响从云量变化的影响当中区分出来。分析发现，3个森林生态系统的NEE均随着AOD的增加而显著增加，即AOD增加促使森林生态系统净碳吸收的增加，并且在AOD水平较高的DHS，该关系更为显著。（3）分析云量及大气气溶胶含量变化对3个森林生态系统NEE的影响机制发现，在森林冠层中，散射辐射条件下光饱和时的潜在最大光合作用速率明显高于直接辐射条件下。因此，与晴朗天空相比，云量及大气气溶胶一定程度的增加导致的散射辐射增加将有利于增加光合作用，同时该条件下，饱和水汽压差的下降会促使总光合作用增加，而下降的气温会使生态系统呼吸减小，从而最终使得森林生态系统净碳吸收量的增加。项目的研究结果将为准确评价气候变化和人类活动引起的大气气溶胶含量的改变对森林生态系统碳汇功能的影响，并进行有效的碳汇管理提供重要的科学依据。