趙俊芳 姜月清 詹鑫, 孔祥娜,

（1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 國家氣象中心，北京 100081；3 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130）

0 引言

全球氣候變化及其影響是20世紀(jì)90年代以來最為引人注目的環(huán)境和科學(xué)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(zhǎng)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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、碳收支和水循環(huán)的重要因子。大氣氣溶膠是懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)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(xué)循環(huán)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(qū)域大氣灰霾污染的主要構(gòu)成。由于大氣系統(tǒng)是一個(gè)互相聯(lián)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(qū)域氣候變化，從而對(duì)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(yīng)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(zhì)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(chǎn)量。因此，氣候變化背景下氣溶膠污染對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響越來越受到科學(xué)家們的重視[2-4]。

近幾十年來，科學(xué)家們?cè)诖髿鈿馊苣z增加對(duì)農(nóng)業(yè)的影響方面，特別是我國氣溶膠污染對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量形成影響等方面開展了大量的科學(xué)研究工作，取得了一系列研究成果。本文擬從這些方面對(duì)研究成果進(jìn)行綜述，以期為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響、制訂相應(yīng)對(duì)策、采取適應(yīng)措施等提供理論依據(jù)。

1 氣溶膠污染及其產(chǎn)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(duì)地圈、生物圈的影響與作用不可低估。氣溶膠化學(xué)成分復(fù)雜，其顆粒物可以作為大氣中反應(yīng)表面或催化劑，以及很多氣相物質(zhì)的接收體。大氣氣溶膠負(fù)載的化學(xué)物質(zhì)，特別是工業(yè)污染物在風(fēng)系的作用下，可進(jìn)行幾百至幾千千米的長(zhǎng)距離傳輸。大氣污染影響是不分國界和地區(qū)的，是全球性問題，其對(duì)人類生存環(huán)境的嚴(yán)重危害已日益加劇。大氣輸入物質(zhì)對(duì)海洋的生物地球化學(xué)循環(huán)、大氣環(huán)境、冰雪化學(xué)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(xué)物質(zhì)的含量、結(jié)構(gòu)和組成，破壞了全球的輻射平衡，進(jìn)而可能對(duì)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(fā)生源進(jìn)入大氣）和二次氣溶膠（在大氣中由一次污染物轉(zhuǎn)化而生成）兩種。它們可以來自被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)灰和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的鹽粒、火山爆發(fā)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(yùn)輸以及各種工業(yè)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(jié)、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(jī)械過程所形成。它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)或物理過程。

2 我國氣溶膠污染對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響

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

圖2 氣溶膠污染對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)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(yīng)對(duì)作物光合有效輻射的影響

太陽輻射是地球大氣運(yùn)動(dòng)及作物生長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿υ慈?。但伴隨著氣溶膠的增加，導(dǎo)致陸地區(qū)域云的覆蓋度增加了5%～10%，這樣就直接造成到達(dá)地表的太陽輻射呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)[5-11]。大氣氣溶膠一般通過改變作物進(jìn)行光合作用的唯一能量來源——光合有效輻射（Photosynthetically Active Radiation，PAR）的數(shù)量和質(zhì)量或主要?dú)夂蛞赜绊懽魑锏纳L(zhǎng)發(fā)育[9]，主要表現(xiàn)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(fā)育。Chameides等[10]基于CERES作物生長(zhǎng)模式評(píng)估氣溶膠對(duì)南京地區(qū)冬小麥和水稻產(chǎn)量的影響，以用于衡量氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）對(duì)總輻射的削弱結(jié)果，發(fā)現(xiàn)輻射的降低與產(chǎn)量的降低呈1∶1的線性關(guān)系，最終造成冬小麥和水稻5%～30%的減產(chǎn)。王春乙等[12]對(duì)南京地區(qū)冬小麥和水稻的研究同樣證實(shí)了氣溶膠濃度與光合有效輻射之間負(fù)相關(guān)性，即氣溶膠濃度增加導(dǎo)致生育期內(nèi)的光合有效輻射減少，冬小麥比水稻的減少趨勢(shì)更明顯。氣溶膠輻射效應(yīng)也并非完全造成不利環(huán)境條件，基于全球第一生產(chǎn)力模型，Gu等[13]發(fā)現(xiàn)太陽輻射經(jīng)氣溶膠散射會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)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(duì)作物的影響

大氣氣溶膠通過干濕沉降可對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生廣泛而深刻的影響。一般認(rèn)為，導(dǎo)致降水pH＜5.6的酸性物質(zhì)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(zhì)。在大氣中經(jīng)過各種氧化反應(yīng)生成了硫酸鹽、硝酸鹽氣溶膠，這類氣溶膠可經(jīng)遠(yuǎn)距離遷移，通過干濕沉降抵達(dá)地面，導(dǎo)致大面積雨水、土壤、水體酸化；環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合多部委發(fā)布的2014年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，在2014年開展降水監(jiān)測(cè)的470個(gè)城市（區(qū)、縣）中，有29.8%的城市出現(xiàn)了酸雨且主要分布在長(zhǎng)江以南—青藏高原以東地區(qū)[14]，酸雨頻率平均達(dá)17.4%，我國南方7省大豆因酸雨受災(zāi)面積約158.67萬hm2，因酸雨減產(chǎn)約20×107kg，減產(chǎn)幅度約6%，平均年經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)發(fā)育。

酸性沉降對(duì)農(nóng)作物的危害，主要是通過對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)活動(dòng)造成破壞，從而產(chǎn)生直接和間接危害，影響作物產(chǎn)量。這種危害在環(huán)境上表現(xiàn)為對(duì)土壤性質(zhì)和土壤微生物的影響，作物生長(zhǎng)發(fā)育上表現(xiàn)為生理狀況的破壞：酸性沉降能夠改變作物生長(zhǎng)所需的元素的吸收，如氮、磷、鉀和硫元素，其中對(duì)鉀元素的吸收影響最嚴(yán)重。酸雨同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致土壤酸化。土壤中原本有含鋁氫氧化物，經(jīng)土壤酸化后，形成作物可吸收的形態(tài)鋁化合物，作物在生育期內(nèi)吸收過量鋁化物易導(dǎo)致中毒甚至死亡。此外，酸性沉降還能加速土壤礦物質(zhì)營養(yǎng)元素的流失，改變土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤貧瘠化。降低土壤中氨化細(xì)菌和固氮細(xì)菌的數(shù)量，造成土壤細(xì)菌個(gè)體變小，生長(zhǎng)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(yǎng)元素的良性循環(huán)，造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。

對(duì)作物生理狀況的影響也尤為顯著。酸雨作用于作物葉片，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使保衛(wèi)細(xì)胞的功能喪失，作物對(duì)于氣體的交換過程失去控制，最終導(dǎo)致蒸發(fā)和蒸騰作用失調(diào)，使作物更易受到有害氣體的傷害，降低對(duì)干旱環(huán)境的抵御能力[16]，同時(shí)破壞作物的葉綠體，削弱其光合作用強(qiáng)度，減少作物產(chǎn)量。

2.3 氣溶膠污染引起晝夜溫差減小對(duì)作物產(chǎn)量的影響

氣溫及其日較差是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要?dú)夂蛞蜃又?，?duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。氣溶膠對(duì)氣溫的作用具有雙重效應(yīng)：一方面由于氣溶膠光散射和吸收減少了白天直接到達(dá)地表的入射光，導(dǎo)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(zhǎng)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(yùn)用氣候模式發(fā)現(xiàn)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(xiàn)下降趨勢(shì)。其中由SO2排放所形成的氣溶膠對(duì)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(zhì)積累，但因作物和區(qū)域特殊性的緣由，氣溫日較差變化對(duì)作物產(chǎn)量影響模擬試驗(yàn)結(jié)果各異[20-23]。Xiao等[24]通過對(duì)華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明減小的晝夜溫差是該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量在天氣因素驅(qū)動(dòng)下降低的主要因素，而姜麗霞等[25]在對(duì)黑龍江省氣溫日較差與作物產(chǎn)量的時(shí)空變化特征分析中發(fā)現(xiàn)春夏季的氣溫日較差較小，對(duì)作物增產(chǎn)有利。

2.4 氣溶膠污染導(dǎo)致的降水變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響

氣溶膠污染還會(huì)對(duì)影響作物產(chǎn)量的重要?dú)夂蛞蛩亍邓吭斐捎绊慬26-28]。一方面氣溶膠可起到凝結(jié)核的作用，同時(shí)對(duì)太陽輻射進(jìn)行吸收和反射，對(duì)云層微物理特性和宏觀云量產(chǎn)生影響，從而改變大氣中的水循環(huán)[29-30]。段婧等[31]分析了華北地區(qū)人為氣溶膠污染對(duì)區(qū)域降水的可能影響，結(jié)果表明由于人為氣溶膠參與對(duì)流活動(dòng)，影響到了對(duì)流云的降水效率，氣溶膠污染的確導(dǎo)致局地降水量減少。特別在干旱、半干旱區(qū)的春夏季節(jié)，這一因素可能對(duì)作物產(chǎn)量造成更強(qiáng)烈的負(fù)效應(yīng)。另外，黑碳?xì)馊苣z輻射強(qiáng)迫對(duì)于降水的影響更為顯著?？傮w上我國在黑碳?xì)馊苣z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(yuǎn)小于夏季[32]。具體而言，黑碳?xì)馊苣z對(duì)我國降水的影響因地區(qū)而異，我國南部的降水量會(huì)有所增加；因氣流下降，我國北部則出現(xiàn)干旱。極端的南澇北旱不僅影響著南北地區(qū)農(nóng)作物生育狀況與病蟲害，也影響著我國的農(nóng)業(yè)格局[33]。

2.5 沙塵氣溶膠對(duì)作物產(chǎn)量的影響

沙塵氣溶膠，即礦物沙塵（Mineral Dust），是對(duì)流層氣溶膠的主要成分之一。據(jù)估計(jì)，全球每年進(jìn)入大氣的沙塵氣溶膠大約占了對(duì)流層中氣溶膠總量的一半[34-35]。沙塵氣溶膠光學(xué)厚度大，分布范圍廣，對(duì)紅外輻射表現(xiàn)出較高的吸收率，能夠通過直接輻射效應(yīng)吸收和散射太陽輻射以及地面長(zhǎng)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(xiàn)，發(fā)生時(shí)影響范圍廣，對(duì)農(nóng)作物危害強(qiáng)烈。強(qiáng)勁的氣流攜帶沙礫，通過機(jī)械掩埋、風(fēng)力打擊、阻擋光線、大氣污染的形式，嚴(yán)重威脅農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育，同時(shí)半干旱地區(qū)疏松淺薄的土壤表層極易被風(fēng)力侵蝕掉，降低農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量，擴(kuò)大土壤沙化范圍。研究顯示在我國長(zhǎng)江流域，由于植物葉面沙塵氣溶膠的積聚，導(dǎo)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(zhǎng)[38-40]。

沙塵氣溶膠對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有一定有利的作用，能夠遠(yuǎn)距離搬運(yùn)沙塵源區(qū)地表土壤中的有機(jī)質(zhì)和微量元素，為沙塵沉降地農(nóng)作物生長(zhǎng)提供有利的種植條件[41]。同時(shí)沙塵氣溶膠中的土壤粒子還能對(duì)酸雨起到堿化中和的促進(jìn)作用。Wang等[42]通過區(qū)域沙塵輸送模式結(jié)合算與數(shù)值，發(fā)現(xiàn)由于沙塵的中和作用，中國北方地區(qū)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(duì)農(nóng)業(yè)影響的研究成果，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)我國氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響及其發(fā)展趨勢(shì)、制訂適應(yīng)與減緩氣候變化不良影響的對(duì)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(fù)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(yán)重，但因目前認(rèn)知的局限，關(guān)于氣溶膠污染對(duì)我國農(nóng)業(yè)影響評(píng)估方法和結(jié)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(jìn)一步深入研究。

1）區(qū)域尺度上針對(duì)氣溶膠污染對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的系統(tǒng)研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。區(qū)域尺度上氣溶膠污染對(duì)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究是從站點(diǎn)向全球尺度擴(kuò)展的重要環(huán)節(jié)，也是當(dāng)前氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(duì)我國農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響機(jī)理，仍需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究。此外，目前對(duì)于大氣氣溶膠污染物在大氣非均相化學(xué)反應(yīng)中的作用機(jī)制，污染物的空間、季節(jié)分布規(guī)律與來源仍缺乏深入的了解[43]，這些必要的基礎(chǔ)性研究對(duì)進(jìn)一步完善區(qū)域大氣污染對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究具有重要意義。

2）農(nóng)作物對(duì)氣溶膠污染的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究薄弱。我國農(nóng)作物類型復(fù)雜多樣，各類型作物雖然受氣溶膠污染影響的機(jī)理過程具有相似性，但各種過程的反應(yīng)速度、調(diào)節(jié)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(huán)境、人類活動(dòng)等許多方面，且各個(gè)因子之間的關(guān)系比較復(fù)雜。因此，關(guān)于農(nóng)作物對(duì)氣溶膠污染的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3）氣溶膠污染監(jiān)測(cè)預(yù)警方法技術(shù)上需進(jìn)一步提高和完善。由于當(dāng)前大氣污染物主要地面監(jiān)測(cè)站分布集中在大中城市，數(shù)量少，監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)。結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段與地面監(jiān)測(cè)站互為補(bǔ)充將成為未來大氣污染監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要方式，以達(dá)到高效、快速、動(dòng)態(tài)、大尺度反演區(qū)域大氣污染，節(jié)約經(jīng)濟(jì)和人力成本的目的。目前已有國內(nèi)外學(xué)者開始運(yùn)用衛(wèi)星遙感、雷達(dá)等現(xiàn)代化手段對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但對(duì)氣溶膠污染的類型、光學(xué)厚度的估算等仍存在諸多不足之處[44]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)氣溶膠污染物的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)和幅度仍是當(dāng)前氣溶膠污染對(duì)農(nóng)作物影響研究中面臨的重要問題。

4）氣溶膠污染對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的評(píng)估指標(biāo)體系有待構(gòu)建。這樣一個(gè)指標(biāo)體系是建立在上述對(duì)氣溶膠污染內(nèi)外成因和各方面特性綜合掌握的基礎(chǔ)上，較準(zhǔn)確地量化不同類型氣溶膠污染對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體影響，并為決策部門處理不同類型和等級(jí)的污染提供科學(xué)依據(jù)。