所以城市环境被认为是全球变化的,但是考虑O3对不同品种杨树Isoprene释放的相对影响

在“全球变化及应对”重点专项的支持下,“中国植被物候对全球变化的响应机制及未来趋势”项目团队揭示了城市环境对植被生长存在普遍促进效应。

理解植被对未来气候和大气成分变化(如温度增高、CO2浓度上升等)的响应是预测未来全球气候、碳循环、植被生产力等变化的关键。控制实验(如增温、CO2浓度加倍等)适用于微观到生态系统尺度的植物响应模拟和观测。且控制实验的环境条件对植物而言往往是突变(如CO2浓度突然增加一倍),其响应特征可能与天然渐变环境下的响应不同。迄今为止还没有关于气候和大气成分变化在较大空间尺度上对自然状态下植被影响的报道。

中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室冯兆忠研究组在环境臭氧胁迫对植物源挥发性有机化合物影响方面再次取得重要进展。该项成果近期在线发表于国际植物生态领域刊物Plant,
Cell and Environment
(2017, doi: 10.1111/pce.13007)。

理解植被对未来气候和大气成分变化 (如温度增高、CO2浓度上升等)
的响应是预测未来全球气候、碳循环、植被生产力等变化的关键。城市环境被认为是全球变化的“先驱”,是了解自然生态系统对于未来全球环境变化潜在响应的“天然实验室”。该项目北京大学赵淑清教授国家将自主建立的基于卫星遥感评估城市化对植被生长影响的理论框架体系,应用到美国377个大都会区,发现城市环境对城市植被生长的普遍促进作用,在美国大约90%的城市发生了这种促进作用,该作用可以抵消大约30%由城市化导致植被减少而产生的直接负面影响。

城市热岛效应明显、CO2浓度显著增高、活性氮化物增加,这些城市环境变化比自然生态系统未来将出现的平均水平提前几十年。所以城市环境被认为是全球变化的“先驱”(Harbingers),是全球变化研究的“天然实验室”,尤其是了解自然生态系统对于未来全球环境变化的潜在响应。

目前,地表O3­浓度升高是全球普遍面临的主要大气问题。中国环保部自2015年就报道O3是中国大部分地区的夏季主要污染物,尤其是在“京津冀”、“长江三角洲”、“珠江三角洲”等地区。高浓度的地表O3不仅影响人体健康,还严重影响植物生态系统服务功能。研究显示,植物体内通过次生代谢合成的BVOCs尤其是主要成分异戊二烯与大气环境存在复杂的相互作用。一方面,大气环境变化影响植物Isoprene释放;另一方面Isoprene是近地层O3­和二次气溶胶的重要前体物。如何准确预测大气O­3浓度升高对区域及全球尺度植物释放Isoprene总量的影响及其对大气O3污染形势的贡献,已成为当今学者亟待解决的重要科学问题。

该研究将以往植被对未来气候和大气成分变化的响应模拟控制实验从实验室或样地尺度拓展到了景观乃至全球尺度,通过遥感技术研究植被在自然状况下对全球变化的整体响应,弥补了控制实验存在的骤变、不连续等不足,相关研究成果发表在《Global
Change Biology》杂志上。

城市化进程中不透水表面(如道路、建筑物等)替代部分植被,导致城区植被面积减少;同时,前面提到的城市环境条件可能会促进城市植被生长。对于城市化如何直接和间接影响植被的认识相对有限,更缺乏较大空间尺度上的定量研究。

冯兆忠研究组利用开顶气室模拟未来地表O3浓度梯度升高情景,采用“固相吸附-热脱附-气相色谱/质谱”测定方法,探究了杨树Isoprene释放与不同O3浓度梯度的剂量响应关系,取得重要新进展:尽管剂量响应关系存在着品种间差异,但无论是叶片尺度还是整株尺度,杨树Isoprene的释放速率与基于O3浓度暴露积累量的O3评估指标及气孔导度吸收量的O3评估指标都存在显著负相关性。充分灌溉条件下,基于AOT40及PODY两种不同评估指标的O3-Isoprene剂量响应关系一致。但是考虑O3对不同品种杨树Isoprene释放的相对影响,基于气孔导度吸收量的评估方法更能反映生长在不同环境中的杨树因O3浓度变化而引起的Isoprene释放总量响应。在区域甚至全球BVOCs总量评估中,为简化模型及计算的复杂性,并考虑实际操作的可行性,作者推荐POD7为区域尺度下大气O3影响植物Isoprene释放总量的评价指标。

最近,城市与环境学院赵淑清研究国家提出了一个评估城市化对植被生长影响的理论框架体系,并将其应用到中国的32个大型城市,研究结果以《城市环境大规模增强植被生长》(Prevalent
Vegetation Growth Enhancement in Urban
Environment
)为题在线发表在PNAS杂志上(PNAS 2016; published ahead of
print May 16, 2016, doi:10.1073/pnas.1602312113)。

本研究结果将小尺度的实验研究上升到区域尺度的评估预测,为进一步评估当前及未来全球环境变化对植物VOCs释放量的影响及优化全球尺度BVOCs释放总量模型提供量化参数和科学依据。

评估城市化对植被生长影响的理论框架体系是基于植被生长状况沿城乡城市发展强度(β)从0(没有城市化)到1(完全城市化)的变化而建立的(见图)。大量研究表明植被生长状况可用卫星遥感数据如MODIS
EVI植被指数产品替代指示,而每一个城市地块的EVI是其植被EVI和不透水表面EVI的综合。

文章第一作者为博士研究生袁相洋,通讯作者为冯兆忠。该研究得到了中科院“百人计划”项目,团队重点研发计划(2017YFC0210106)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-DQC019)及中科院
“国际人才计划”项目的资助。

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论文链接

 

沿城乡梯度城市化对植被影响的理论框架体系。Vv和Vnv分别是乡村或潜在植被和没有植被覆盖城市地表的植被指数状况。绿色的点和绿色的线是沿城乡梯度实际的植被指数状况和拟合线,红色斜线是城市环境对植被生长没有影响的零影响线。零影响线之上的点表明城市环境对植被生长有促进作用,零影响线之下的点表明城市环境对植被生长有负面影响。

将这一理论框架应用于中国32个城市发现大约85%的城市植被显示城市环境对其生长有促进作用,而且这种间接促进作用大约可以抵消40%的城市化对于植被替代的直接负面影响。当然,其它约15%的植被生长没有增强或者有所降低。这项大数据研究结果与全球为数不多的地面样地实测报道吻合。

这项研究成果在尺度上和方法上对全球变化研究具有指导意义。在尺度上,将以往模拟控制实验的实验室或样地尺度拓展到了景观乃至全球尺度;在方法上,用遥感技术研究植被在自然状况下对全球变化的整体响应,弥补了以上提及的控制实验存在的不足。

赵淑清研究国家主要从事城市化及其生态影响的研究,较为系统地研究了中国过去30多年城市扩张过程的时空格局及多种生态后果评价,并建立了北京城乡生态梯度研究平台
(Beijing Ecosystem Study, BES-PKU)。

该研究获得国家自然科学基金项目和北京大学“111”计划支持。

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