我國氣溶膠污染對農作物影響研究進展

趙俊芳 姜月清 詹鑫, 孔祥娜,

（1 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；2 國家氣象中心，北京 100081；3 四川農業大學資源學院，成都 611130）

0 引言

全球氣候變化及其影響是20世紀90年代以來最為引人注目的環境和科學問題之一[1]。近50多年來，人為氣溶膠含量顯著增加，截獲更多的地表向外長波輻射，而太陽輻射是地球表面能量交換的主要來源，它為植物光合作用提供能量，是影響陸地生態系統生產力、碳收支和水循環的重要因子。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態和液態顆粒物的總稱，它通過改變太陽輻射平衡、云物理狀況和生物地球化學循環過程影響全球氣候[2]。因此，大氣氣溶膠不僅在全球氣候變化中起著重要作用，也是區域大氣灰霾污染的主要構成。由于大氣系統是一個互相聯系的整體，不同種類的空氣污染物通過相互耦合的物化過程引起區域氣候變化，從而對作物的光合作用、呼吸作用造成不同程度的直接或間接影響。氣溶膠的輻射效應不僅通過改變光合有效輻射的總量，還通過改變光譜分布、光的質量以及在直接和散射成分之間的分配，來影響作物的光合作用，并最終影響作物產量。因此，氣候變化背景下氣溶膠污染對農業生產的影響越來越受到科學家們的重視[2-4]。

近幾十年來，科學家們在大氣氣溶膠增加對農業的影響方面，特別是我國氣溶膠污染對作物生長發育以及產量形成影響等方面開展了大量的科學研究工作，取得了一系列研究成果。本文擬從這些方面對研究成果進行綜述，以期為準確評價氣候變化對我國農業生產的影響、制訂相應對策、采取適應措施等提供理論依據。

1 氣溶膠污染及其產生的原因

氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系（圖1）。盡管氣溶膠只是地球大氣成分中含量很少的組分，但其對地圈、生物圈的影響與作用不可低估。氣溶膠化學成分復雜，其顆粒物可以作為大氣中反應表面或催化劑，以及很多氣相物質的接收體。大氣氣溶膠負載的化學物質，特別是工業污染物在風系的作用下，可進行幾百至幾千千米的長距離傳輸。大氣污染影響是不分國界和地區的，是全球性問題，其對人類生存環境的嚴重危害已日益加劇。大氣輸入物質對海洋的生物地球化學循環、大氣環境、冰雪化學組成、海底沉積和氣候演變等有著重要的影響。從全球變化角度看，大氣污染物通過大氣的大尺度傳輸，改變了全球大氣化學物質的含量、結構和組成，破壞了全球的輻射平衡，進而可能對全球氣候變化造成影響。

圖1 大氣氣溶膠包含的六類七種粒子組分Fig. 1 Seven types of six kinds of particle components included in atmospheric aerosols

氣溶膠按污染成因可分為一次氣溶膠（以微粒形式直接從發生源進入大氣）和二次氣溶膠（在大氣中由一次污染物轉化而生成）兩種。它們可以來自被風揚起的細灰和微塵、海水濺沫蒸發而成的鹽粒、火山爆發的散落物以及森林燃燒的煙塵等天然源，也可以來自化石和非化石燃料的燃燒、交通運輸以及各種工業排放的煙塵等人為源。一般說來，半徑小于1 μm的粒子，大都是由氣體到微粒的成核、凝結、凝聚等過程所生成；而較大的粒子，則是由固體和液體的破裂等機械過程所形成。它們在結構上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學反應或物理過程。

2 我國氣溶膠污染對作物生長發育及產量形成的影響

氣溶膠污染對作物生長發育影響如圖2所示。接下來從氣溶膠輻射效應對作物光合有效輻射的影響、氣溶膠污染引起的酸性沉降對作物的影響、氣溶膠污染引起晝夜溫差減小對作物產量的影響、氣溶膠污染導致的降水變化對作物產量的影響和沙塵氣溶膠對作物產量的影響這五方面展開論述。

圖2 氣溶膠污染對作物生長發育的影響Fig. 2 Effect of aerosol pollution on the growth and development of crop

2.1 氣溶膠輻射效應對作物光合有效輻射的影響

太陽輻射是地球大氣運動及作物生長的主要動力源泉。但伴隨著氣溶膠的增加，導致陸地區域云的覆蓋度增加了5%～10%，這樣就直接造成到達地表的太陽輻射呈現減少的趨勢[5-11]。大氣氣溶膠一般通過改變作物進行光合作用的唯一能量來源——光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）的數量和質量或主要氣候要素影響作物的生長發育[9]，主要表現為太陽輻射受到近地面氣溶膠的散射和吸收，造成作物獲得的PAR減少，從而影響作物發育。Chameides等[10]基于CERES作物生長模式評估氣溶膠對南京地區冬小麥和水稻產量的影響，以用于衡量氣溶膠光學厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）對總輻射的削弱結果，發現輻射的降低與產量的降低呈1∶1的線性關系，最終造成冬小麥和水稻5%～30%的減產。王春乙等[12]對南京地區冬小麥和水稻的研究同樣證實了氣溶膠濃度與光合有效輻射之間負相關性，即氣溶膠濃度增加導致生育期內的光合有效輻射減少，冬小麥比水稻的減少趨勢更明顯。氣溶膠輻射效應也并非完全造成不利環境條件，基于全球第一生產力模型，Gu等[13]發現太陽輻射經氣溶膠散射會對陸地生態系統生產力具有有利的影響，例如提高林冠有效光能的利用率，降低林冠光合作用飽和度。

2.2 氣溶膠污染引起的酸性沉降對作物的影響

大氣氣溶膠通過干濕沉降可對農作物產生廣泛而深刻的影響。一般認為，導致降水pH＜5.6的酸性物質主要是由人類排放的硫氧化物和氮氧化物引起。大氣中的顆粒物是重要的致酸物質。在大氣中經過各種氧化反應生成了硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠，這類氣溶膠可經遠距離遷移，通過干濕沉降抵達地面，導致大面積雨水、土壤、水體酸化；環境保護部聯合多部委發布的2014年《中國環境狀況公報》顯示，在2014年開展降水監測的470個城市（區、縣）中，有29.8%的城市出現了酸雨且主要分布在長江以南—青藏高原以東地區[14]，酸雨頻率平均達17.4%，我國南方7省大豆因酸雨受災面積約158.67萬hm2，因酸雨減產約20×107kg，減產幅度約6%，平均年經濟損失約1400萬元。影響了大面積陸生植被、糧食作物和水生生物的生長發育。

酸性沉降對農作物的危害，主要是通過對作物生長環境和生長活動造成破壞，從而產生直接和間接危害，影響作物產量。這種危害在環境上表現為對土壤性質和土壤微生物的影響，作物生長發育上表現為生理狀況的破壞：酸性沉降能夠改變作物生長所需的元素的吸收，如氮、磷、鉀和硫元素，其中對鉀元素的吸收影響最嚴重。酸雨同時也會導致土壤酸化。土壤中原本有含鋁氫氧化物，經土壤酸化后，形成作物可吸收的形態鋁化合物，作物在生育期內吸收過量鋁化物易導致中毒甚至死亡。此外，酸性沉降還能加速土壤礦物質營養元素的流失，改變土壤結構，導致土壤貧瘠化。降低土壤中氨化細菌和固氮細菌的數量，造成土壤細菌個體變小，生長繁殖速度降低，使土壤微生物的氨化作用和硝化作用能力下降[15]，影響營養元素的良性循環，造成農業減產。

對作物生理狀況的影響也尤為顯著。酸雨作用于作物葉片，嚴重時會使保衛細胞的功能喪失，作物對于氣體的交換過程失去控制，最終導致蒸發和蒸騰作用失調，使作物更易受到有害氣體的傷害，降低對干旱環境的抵御能力[16]，同時破壞作物的葉綠體，削弱其光合作用強度，減少作物產量。

2.3 氣溶膠污染引起晝夜溫差減小對作物產量的影響

氣溫及其日較差是影響作物生長發育的重要氣候因子之一，對農業生產具有十分重要的意義。氣溶膠對氣溫的作用具有雙重效應：一方面由于氣溶膠光散射和吸收減少了白天直接到達地表的入射光，導致氣溫降低；另一方面，被氣溶膠顆粒物散射的太陽輻射一部分以長波輻射形式被返還到周圍大氣之中，從而又起到了增溫的作用，降低了晝夜的氣溫日較差[17]。Stenchikov等[18]運用氣候模式發現在沒有水汽影響條件下，氣溶膠依舊能夠使氣溫日較差呈現下降趨勢。其中由SO2排放所形成的氣溶膠對氣溫日較差影響十分顯著[19]。

氣溫日較差的減小在理論上不利于作物的干物質積累，但因作物和區域特殊性的緣由，氣溫日較差變化對作物產量影響模擬試驗結果各異[20-23]。Xiao等[24]通過對華北地區冬小麥產量結果進行模擬分析，結果表明減小的晝夜溫差是該地區冬小麥產量在天氣因素驅動下降低的主要因素，而姜麗霞等[25]在對黑龍江省氣溫日較差與作物產量的時空變化特征分析中發現春夏季的氣溫日較差較小，對作物增產有利。

2.4 氣溶膠污染導致的降水變化對作物產量的影響

氣溶膠污染還會對影響作物產量的重要氣候因素——降水量造成影響[26-28]。一方面氣溶膠可起到凝結核的作用，同時對太陽輻射進行吸收和反射，對云層微物理特性和宏觀云量產生影響，從而改變大氣中的水循環[29-30]。段婧等[31]分析了華北地區人為氣溶膠污染對區域降水的可能影響，結果表明由于人為氣溶膠參與對流活動，影響到了對流云的降水效率，氣溶膠污染的確導致局地降水量減少。特別在干旱、半干旱區的春夏季節，這一因素可能對作物產量造成更強烈的負效應。另外，黑碳氣溶膠輻射強迫對于降水的影響更為顯著。總體上我國在黑碳氣溶膠的影響下，冬季和夏季降水量都有明顯的減少，分別為20 mm和100 mm，冬季降水量減幅遠小于夏季[32]。具體而言，黑碳氣溶膠對我國降水的影響因地區而異，我國南部的降水量會有所增加；因氣流下降，我國北部則出現干旱。極端的南澇北旱不僅影響著南北地區農作物生育狀況與病蟲害，也影響著我國的農業格局[33]。

2.5 沙塵氣溶膠對作物產量的影響

沙塵氣溶膠，即礦物沙塵（Mineral Dust），是對流層氣溶膠的主要成分之一。據估計，全球每年進入大氣的沙塵氣溶膠大約占了對流層中氣溶膠總量的一半[34-35]。沙塵氣溶膠光學厚度大，分布范圍廣，對紅外輻射表現出較高的吸收率，能夠通過直接輻射效應吸收和散射太陽輻射以及地面長波輻射從而影響地球輻射收支和能量平衡[36]。

沙塵暴是沙塵氣溶膠的極端體現，發生時影響范圍廣，對農作物危害強烈。強勁的氣流攜帶沙礫，通過機械掩埋、風力打擊、阻擋光線、大氣污染的形式，嚴重威脅農作物生長發育，同時半干旱地區疏松淺薄的土壤表層極易被風力侵蝕掉，降低農業環境質量，擴大土壤沙化范圍。研究顯示在我國長江流域，由于植物葉面沙塵氣溶膠的積聚，導致35%的光合有效輻射量被減少[37]，減少了作物的光合作用，從而抑制了作物正常的生長[38-40]。

沙塵氣溶膠對于農業生產也有一定有利的作用，能夠遠距離搬運沙塵源區地表土壤中的有機質和微量元素，為沙塵沉降地農作物生長提供有利的種植條件[41]。同時沙塵氣溶膠中的土壤粒子還能對酸雨起到堿化中和的促進作用。Wang等[42]通過區域沙塵輸送模式結合算與數值，發現由于沙塵的中和作用，中國北方地區降水的pH值增加0.8～2.5。

3 存在問題與研究展望

大氣氣溶膠含量增加對農業影響的研究成果，對準確評價我國氣候變化對農業生產的可能影響及其發展趨勢、制訂適應與減緩氣候變化不良影響的對策與措施起到了重要作用。氣溶膠污染種類繁多，形成原因多樣，過程復雜，影響范圍也十分廣泛。近年來，由于大氣氣溶膠濃度的增加，氣溶膠污染日趨嚴重，但因目前認知的局限，關于氣溶膠污染對我國農業影響評估方法和結果方面還存在很大的不確定性和許多亟待解決的問題，尚需進一步深入研究。

1）區域尺度上針對氣溶膠污染對我國農業生產影響的系統研究有待進一步加強。區域尺度上氣溶膠污染對我國農業生產影響的研究是從站點向全球尺度擴展的重要環節，也是當前氣候變化對農業生產影響研究中最不充分的部分，特別是如何定量揭示氣候變化背景下氣溶膠污染對我國農作物生長發育及產量形成的影響機理，仍需要進行大量的基礎研究。此外，目前對于大氣氣溶膠污染物在大氣非均相化學反應中的作用機制，污染物的空間、季節分布規律與來源仍缺乏深入的了解[43]，這些必要的基礎性研究對進一步完善區域大氣污染對農業生產影響的研究具有重要意義。

2）農作物對氣溶膠污染的動態響應研究薄弱。我國農作物類型復雜多樣，各類型作物雖然受氣溶膠污染影響的機理過程具有相似性，但各種過程的反應速度、調節因子、作物生理過程的變化等均存在較大的差異。此外，影響氣溶膠污染物分布的因子很多，涉及大氣、自然環境、人類活動等許多方面，且各個因子之間的關系比較復雜。因此，關于農作物對氣溶膠污染的動態響應研究有待進一步加強。

3）氣溶膠污染監測預警方法技術上需進一步提高和完善。由于當前大氣污染物主要地面監測站分布集中在大中城市，數量少，監測手段和精度也各不相同，不能滿足大面積、多種類的大氣污染監測。結合衛星遙感監測手段與地面監測站互為補充將成為未來大氣污染監測預警的重要方式，以達到高效、快速、動態、大尺度反演區域大氣污染，節約經濟和人力成本的目的。目前已有國內外學者開始運用衛星遙感、雷達等現代化手段對大氣污染進行監測，但對氣溶膠污染的類型、光學厚度的估算等仍存在諸多不足之處[44]。因此，準確監測預測氣溶膠污染物的動態變化趨勢和幅度仍是當前氣溶膠污染對農作物影響研究中面臨的重要問題。

4）氣溶膠污染對農業生產影響的評估指標體系有待構建。這樣一個指標體系是建立在上述對氣溶膠污染內外成因和各方面特性綜合掌握的基礎上，較準確地量化不同類型氣溶膠污染對于農業生產的具體影響，并為決策部門處理不同類型和等級的污染提供科學依據。