氣候變化對(duì)太岳山中部油松單萜烯排放的影響

吳建國(guó),徐天瑩 (1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 734000)

大氣揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)中很多成分具有高度化學(xué)活性,極易與大氣中NO和NO2、氧化劑和 OH自由基等發(fā)生反應(yīng),在對(duì)流層臭氧光化學(xué)過(guò)程中具有重要作用[1-3].另外, VOCs為臭氧形成的重要前體物之一,對(duì)氣候變暖有間接的影響[3-5].準(zhǔn)確確定 VOCs排放特征及影響因素, 對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)對(duì)流層臭氧光化學(xué)過(guò)程及大氣環(huán)境變化和氣候變暖有重要的理論意義.大氣 VOCs中總量 90%以上的非甲烷碳?xì)浠衔?NMHC)來(lái)自陸地生物圈排放,單萜烯類是植物排放最主要的 VOCs種類之一,是對(duì)流層中最主要的非甲烷烴種類之一,約占植物VOCs釋放總量的11%[5-9].植物排放單萜烯速率隨葉片溫度增加而增加[5,10].全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的顯著變化[11].隨著全球氣候變化,植物葉溫將隨之改變,進(jìn)而將使植物單萜烯排放速率改變[9,12].這些變化將對(duì)大氣化學(xué)成分和大氣環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[5,13].因此,系統(tǒng)分析氣候變化對(duì)植物單萜烯排放速率的影響,對(duì)準(zhǔn)確確定氣候變化下植物VOCs排放特征及大氣環(huán)境變化具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.

國(guó)際上對(duì)植物 VOCs排放研究廣泛展開,包括發(fā)展植物單萜烯排放測(cè)定方法[14],分析植物單萜烯排放[15-20],或測(cè)定不同植物單萜烯排放并計(jì)算清單[21],或比較不同植物下土壤單萜烯排放速率[22],或分析植物單萜烯排放季節(jié)或年際變化[23-27].另外,一些研究分析影響植物單萜烯排放的因素,如分析溫度升高[28]或有效水變化[29]或光照改變[30]及葉片發(fā)育[31]和植物氣孔[32]及植物地下作用對(duì) VOCs排放影響[33],或草食動(dòng)物和氣候因素等[34-35]及霉病[36]等對(duì)植物 VOCs排放影響等.近年來(lái),氣候變化對(duì)植物單萜烯排放影響頗受關(guān)注,包括分析氣候變化對(duì)區(qū)域植被 VOCs排放影響[37],特別是氣候變暖對(duì)極地植物和亞極地植物 VOCs排放的影響[38-41],以及水分變化對(duì)植物 VOCs排放的影響[42-47]等.另外,也觀測(cè)了氣候變暖與 CO2濃度或 O3濃度增加對(duì)植物解剖結(jié)構(gòu)、生理過(guò)程及VOCs排放速率的共同影響[48-57].此外,也模擬分析了氣候變化引起植被改變[58]或種類組成變化對(duì)單萜烯排放總量的影響[59-60],以及景觀和氣候變化對(duì)植物單萜烯排放影響[61]等總體上,這些研究極大提高了對(duì)氣候變化對(duì)植物VOCs排放影響的認(rèn)識(shí),但研究還集中極地或亞極地或北美和歐洲部分地區(qū)氣候變化對(duì)個(gè)別植物單萜烯排放影響,或分析氣候變化引起的植被組成變化對(duì)單萜烯排放影響方面,對(duì)其它地區(qū)氣候變化對(duì)植物單萜烯排放的影響研究還不多.我國(guó)對(duì)植物 VOCs排放研究也有許多報(bào)道,包括測(cè)定亞熱帶竹林[62]、長(zhǎng)白山森林[63]、西雙版納三葉橡膠[64]、沈陽(yáng)典型樹種[65]、黃連木[66]、北京植物[67]單萜烯排放速率及南京紫金山植物群落VOCs組成[68],以及亞熱帶城鄉(xiāng)復(fù)合系統(tǒng) BVOC排放[69]或中國(guó)天然源 VOCs排放清單[70-71]等.這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)我國(guó)植被單萜烯排放規(guī)律有一定意義,但氣候變化對(duì)植物單萜烯排放影響方面還沒(méi)有研究報(bào)道.

油松(Pinus tabuliformis)為松科針葉常綠喬木,是我國(guó)特有樹種,分布廣泛.油松是典型的單萜烯排放植物[72-75],目前已對(duì)這種植物的單萜烯排放特征進(jìn)行了一些觀測(cè)分析[72-75],但氣候變化對(duì)這種植物單萜烯排放影響還沒(méi)有研究報(bào)道.為此,本文以全球氣候模式 NorESM1-M 產(chǎn)生的RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5氣候變化情景數(shù)據(jù)和植物 VOCs排放計(jì)算模型,模擬分析了未來(lái)氣候變化對(duì)油松單萜烯排放速率的影響,希望為科學(xué)認(rèn)識(shí)氣候變化對(duì)植物 VOCs排放影響提供一定的依據(jù),為相關(guān)的研究提供一定的參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

為了集中分析氣候變化對(duì)油松單萜烯排放速率的影響,本文選擇了油松分布集中區(qū)域—山西省沁源縣東部的太岳山林區(qū)中部馬泉林場(chǎng)(36.42～36.83N,112.25～112.55E)為例,該區(qū)氣候類型屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,近幾十年氣候變化趨勢(shì)明顯[77-78].

1.2 油松單萜烯排放計(jì)算

基于文獻(xiàn)確定油松在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單萜烯排放速率為 4.3μg/(g·h)C[76].遵循植物排放單萜烯的一般計(jì)算模型,油松單萜烯排放通量按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算.

式中：E為植物單萜烯和其它排放通量,μg/(g·h);Es為標(biāo)準(zhǔn)條件下(T=303K) 植物單萜烯排放量,μg/(g·h);δ為考慮長(zhǎng)期排放活性的控制因子,由于油松為常綠樹種,δ取值為1;B為葉片生物量密度,由于本文是模擬計(jì)算單位重量油松葉生物量單萜烯排放速率,生物量密度取單位重量值為 1g;γ為活性排放因子,它為葉溫的函數(shù),具體計(jì)算利用公式(2).

式中：Ts為標(biāo)準(zhǔn)條件下葉溫(303K);T為葉溫(K);β一般取0.09/K.

以上公式計(jì)算獲得單萜烯和其它排放速率是每小時(shí)值,且葉溫也是小時(shí)值. 由于目前缺乏葉溫的觀測(cè)資料,用能量守衡方法計(jì)算葉溫又非常復(fù)雜,在考慮到葉溫和氣溫平均差別不是很大的情況下,本文參照文獻(xiàn)[76,79]中做法,直接用氣溫代替葉溫計(jì)算葉片每小時(shí)葉溫.計(jì)算溫度小時(shí)值方法具體見(jiàn)1.3.2溫度日變化計(jì)算部分.

1.3 氣候變化對(duì)油松單萜烯排放的影響分析

1.3.1 氣候變化情景數(shù)據(jù) 采用全球氣候模式NorESM1-M產(chǎn)生的RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5情景數(shù)據(jù)(RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5分別代表大氣中輻射強(qiáng)迫為 2.6,4.5,6.0,8.5W/m2).在 RCP2.6情景中,未來(lái)人類將采取大力減排措施,使輻射強(qiáng)迫在21世紀(jì)達(dá)到頂峰并下降,到 2100年大氣中 CO2濃度將達(dá)到 421×10-6,輻射強(qiáng)迫達(dá)2.6W/m2,全球升溫幅度達(dá)0.3～1.7℃;RCP8.5是最高的溫室氣體排放情景,到 2100年大氣中 CO2濃度將達(dá) 936×10-6,輻射強(qiáng)迫將持續(xù)上升,到2100年將達(dá)8.5W/m2,全球升溫幅度將達(dá)2.6～4.8℃; RCP4.5和RCP6.0情景介于RCP2.6和RCP8.5之間,在RCP4.5情景下2100年輻射強(qiáng)迫達(dá) 4.5W/m2,升溫幅度將達(dá) 1.1～2.6℃,在RCP6.0情景下2100年輻射強(qiáng)迫達(dá)6.0W/m2,升溫幅度將達(dá)1.4～3.1℃[81-84].這些情景數(shù)據(jù)是由中國(guó)科學(xué)院地理與資源研究所從 ISI-MIP(多領(lǐng)域間影響模型比較計(jì)劃)獲取的經(jīng)過(guò)空間降尺度,偏差校正的RCP情景下的全球氣候模式模擬數(shù)據(jù),由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行了訂正[85].

1.3.2 溫度日變化計(jì)算 氣候變化情景中溫度是日值,在計(jì)算油松單萜烯排放中按照小時(shí)值進(jìn)行計(jì)算,需要把溫度日值轉(zhuǎn)化為溫度每小時(shí)值.參考文獻(xiàn)[86],白天每小時(shí)溫度值按公式(3)計(jì)算.

式中：Tmin為最低溫度,Tmax為最高溫度;s(t)為計(jì)算溫度變化函數(shù),按公式(4)計(jì)算.

式中：π為常數(shù);th為一天太陽(yáng)時(shí),按公式(5)計(jì)算;LSH為最大太陽(yáng)高度時(shí)刻,一般取值 12h;DL為白晝長(zhǎng)度,按照公式(8)計(jì)算;P為最高氣溫與最大太陽(yáng)高度出現(xiàn)的時(shí)差,一般取值2.

式中：bj為北京時(shí),J為地理經(jīng)度;η為時(shí)差,參考文獻(xiàn)[87],按公式(6)計(jì)算.

式中：Q按公式(7)計(jì)算.

式中：DAY為1年中日序, 每年1月1日DAY=1,1月2日DAY=2,依次類推,12月31日DAY=365.

式中：L為地理緯度;δ中太陽(yáng)赤緯,參考文獻(xiàn)[87],按公式(9)計(jì)算.

白天時(shí)刻按照公式(10)判斷.

夜間時(shí)刻按照公式(11)判斷.

夜間每小時(shí)溫度值按公式(12)計(jì)算.

式中： tmin為日最低氣溫;th為一天太陽(yáng)時(shí),按公式(5)計(jì)算;ts為日落時(shí)間,取值;η為夜間長(zhǎng)度,取值h=24-DL;τ為時(shí)間系數(shù),取值4h.

1.3.3 氣候變化影響下油松單萜烯排放速率計(jì)算 把基準(zhǔn)情景和未來(lái)氣候變化情景下每年逐日逐時(shí)溫度值,代入公式(1)～(2),計(jì)算油松單萜烯每年逐日逐時(shí)的排放速率,在此基礎(chǔ)上,再進(jìn)行24h的累加,計(jì)算油松單萜烯每年逐日排放速率;基于油松單萜烯的每年逐日排放速率,經(jīng)過(guò)全年逐日累加,再計(jì)算油松單萜烯每年排放速率值.通過(guò)比較基準(zhǔn)情景和未來(lái)氣候變化情景下不同時(shí)段油松單萜烯日排放速率及按年計(jì)算的排放速率的差異,分析氣候變化對(duì)油松單萜烯排放速率影響.所有計(jì)算都是在Visual Fortran6.6平臺(tái)中經(jīng)過(guò)編程進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化特征

以1951～2000年為基準(zhǔn),圖1表明,2001～2050年太岳山林區(qū)中部年均氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),在4種情景下(RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5)變化幅度不同.到2050年,相比基準(zhǔn)年,太岳山林區(qū)中部年均氣溫在 4種情景下分別增加 1.23,1.28,1.23,1.52℃.相比1951～2000年,在2001～ 2025年時(shí)段,太岳山林區(qū)中部年均氣溫在4種情景下分別增加 0.90,0.71,0.84,0.99℃;到 2026～2050 年時(shí)段,太岳山林區(qū)中部年均氣溫在 4種情景下分別增加1.56,1.85,1.61,2.04℃.

圖1 2001～2050年相比基準(zhǔn)情景太岳山林區(qū)中部平均氣溫變化趨勢(shì)Fig.1 Changes in annual mean air temperature in 2001～2050 compared with baseline periods (1951～2000) in middle of Taiyue Mountains

以 1951～2000年為基準(zhǔn),圖 2表明,2001～2050年太岳山林區(qū)中部年降水量呈較大波動(dòng),在RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5四種情景下變化不同.到 2050年,相比基準(zhǔn)年,太岳山林區(qū)中部年降水量在 4種情景下分別減少11.61mm,增加1.38,15.84,11.71mm.相比基準(zhǔn)年,到 2001～2025年時(shí)段,太岳山林區(qū)中部的年降水量在4種情景下分別減少23.77,2.40mm,增加23.54,16.56mm; 到 2026～2050年,太岳山林區(qū)中部年降水量在4種情景下分別增加0.55,5.16,8.13,6.86mm.

以1951～2000年為基準(zhǔn),圖3表明2001～2050年太岳山林區(qū)中部輻射強(qiáng)度呈較大的波動(dòng),并呈下降趨勢(shì),在RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5 4種情景下變化程度不同.相比基準(zhǔn),到 2001～2050年在4種情景下太岳山林區(qū)中部的輻射強(qiáng)度分別平均減少0.10,0.18,0.35,0.25MJ/m2(圖3).相比基準(zhǔn)年,在2001～2025年太岳山林區(qū)中部的輻射強(qiáng)度在4種情景下平均減少幅度分別為 0.28,0.33,0.32,0.37MJ/m2;相比基準(zhǔn)年,到 2026～2050年太岳山林區(qū)中部輻射強(qiáng)度在4種情景下平均減少幅度分別為0.08,0.03,0.37,0.14MJ/m2.

圖2 2001～2050年相比基準(zhǔn)情景太岳山林區(qū)中部年降水量變化趨勢(shì)Fig.2 Changes in annual precipitation amount in middle of Taiyue Mountains in 2001～2050 compared with baseline periods (1951～2000)

圖3 2001～2050年相比基準(zhǔn)情景太岳山林區(qū)中部太陽(yáng)總輻射變化趨勢(shì)Fig.3 Changes in total solar radiation intensity in the middle of Taiyue Mountains in 2001～2050 compared with baseline periods (1951～2000)

2.2 氣候變化影響下油松單萜烯日排放速率變化

圖4 為1951～2000年基準(zhǔn)情景和2001～2050年RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5 4種情景下50a平均的油松單萜烯日排放速率值.圖4顯示,在基準(zhǔn)情景和 4種未來(lái)情景下,油松單萜烯全年日排放速率變化較大.在1～210d油松單萜烯日排放速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì), 在210～365d呈下降趨勢(shì).按照對(duì)應(yīng)的月份,油松單萜烯日排放速率在 5～9月較高,在1～4月和9～12月較小.在基準(zhǔn)情景和4種未來(lái)情景下,油松單萜烯全年的日排放速率平均 值 分 別 為 21.22,23.59,23.47,23.26,23.85μg/(g·d).顯然,油松單萜烯全年日排放速率平均值在未來(lái)氣候變化情景下比基準(zhǔn)情景下要高約 2μg/(g·d),并且在RCP8.5情景下最高.

圖4 基準(zhǔn)和不同氣候變化情景下50a平均的油松單萜烯日排放速率Fig.4 Daily Monoterpenes emission rate from leaves of Pinus tabuliformis under baseline and different climate change scenarios

圖5 為2001～2050年RCP2.6,RCP4.5, RCP6.0和RCP8.5情景下與1951～2000年基準(zhǔn)情景下50a平均的油松單萜烯日排放速率差值.如圖 5所示,油松單萜烯日排放速率在4種未來(lái)情景下與基準(zhǔn)情景下差值變化很大.在 1～95d,油松單萜烯日排放速率在未來(lái)氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下的差異較小;在 95～295d,油松單萜烯日排放速率在未來(lái)氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下差值呈現(xiàn)較大波動(dòng)趨勢(shì);在 296～365d,油松單萜烯日排放速率在不同氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下差異不大.總體上,油松單萜烯日排放速率在未來(lái)氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下的差異平均在 2μg/(g·d)以上.另外,油松單萜烯日排放速率在 RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0情景與基準(zhǔn)情景下的差異相對(duì)較小(分別平均為2.37,2.24,2.03μg/(g·d)),在RCP8.5情景與基準(zhǔn)情景下差異較大(平均 2.63μg/(g·d)).

圖 6為 2001～2050年 4種未來(lái)情景相比1951～2000年基準(zhǔn)情景下50a的油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率.相比基準(zhǔn)情景,在 4種未來(lái)情景下,在 1～190d,油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率較高(相比基準(zhǔn)情景平均增加12%～14%以上);在 191～315d,油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率較小(相比基準(zhǔn)情景平均增加9%～13%以上);在316～365d,油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率在12%～18%以上.另外,與基準(zhǔn)情景相比,在 4種未來(lái)情景下,油松單萜烯日排放速率變化幅度平均分別為 11.68%、12.37%、11.45%和13.99%, 在RCP8.5情景下較大.

圖5 不同氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下50a平均的油松單萜烯日排放速率差異Fig.5 The difference of daily monoterpenes emission rate from leaves of Pinus tabuliformis under baseline and different climate change scenarios

圖6 相比基準(zhǔn)情景不同氣候變化情景50a平均油松單萜烯日排放速率變化Fig.6 The change in daily monoterpenes emission rate from leaves of Pinus tabuliformis under different climate change scenarios compared to the baseline scenario

2.3 氣候變化影響下油松單萜烯年排放速率變化

圖 7顯示,與基準(zhǔn)情景下相比,在 RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和 RCP8.5 4 種情景下,2001～2050年油松單萜烯年排放速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì).在基準(zhǔn)情景下,油松單萜烯年排放速率平均為7746μg/(g·a);在 4 種未來(lái)情景下,50a油松單萜烯年排放速率分別平均為 8610,8565,8488,8705μg/(g·a).總體上,未來(lái)氣候變化情景下,50年油松單萜烯年排放速率平均比基準(zhǔn)情景下高出約 1000μg/(g·a)以上,在 RCP8.5 情景下油松單萜烯年排放速率最大.相比基準(zhǔn)情景,2001～2050年油松單萜烯年排放速率在4種未來(lái)情景下平均增加幅度為 9%～13%,50a在 4種未來(lái)情景下分別增加 11.15%、10.57%、9.58%和 12.37%.顯然,在 RCP8.5情景下變化幅度最大.

圖7 不同氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下油松單萜烯年排放速率變化Fig.7 Changes in annual emission rate of monoterpenes from leaves of Pinus tabuliformis under different climate change scenarios compared to the baseline scenario

3 討論

本研究說(shuō)明,未來(lái)氣候變化影響下山西太岳山林區(qū)中部氣溫呈上升的趨勢(shì),這與全球趨勢(shì)比較一致[11].另外,本研究也表明,未來(lái)氣候變化下山西太岳山林區(qū)中部年降水量變化波動(dòng)明顯,總體上呈現(xiàn)增加或下降趨勢(shì).同時(shí),氣候變化下山西太岳山林區(qū)中部輻射強(qiáng)度波動(dòng)也比較大,呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這些趨勢(shì)與全球氣候變化預(yù)測(cè)中一致[11].當(dāng)然,這里主要反映了山西太岳山林區(qū)中部區(qū)域的變化趨勢(shì),不同區(qū)域?qū)⒂胁煌淖兓卣?

一些研究表明未來(lái)氣候變化下將使植物單萜烯排放速率增加.如Lindwall等[12]發(fā)現(xiàn),夏天變暖4℃使極地凍原VOCs排放增加280%,積雪增加影響下VOCs排放變化卻不大;Kramsh?j等[41]發(fā)現(xiàn),氣候變暖使極地植物 VOCs排放增加,變暖使生態(tài)系統(tǒng) VOCs排放速率增加 260%,植物VOCs排放速率增加 90%,減少太陽(yáng)輻射使系統(tǒng)VOCs排放速率下降69%,植物VOCs排放速率下降61%～65%; Faubert等[60]發(fā)現(xiàn)氣候變化使亞北極苔原 VOCs排放加倍,Rinnan等[40]發(fā)現(xiàn)氣候變化引起灌木VOCs排放增加,Vedel-Petersen等[39]發(fā)現(xiàn)氣候變化導(dǎo)致植物 VOCs排放增加.還有研究發(fā)現(xiàn)溫度升高使植物 VOCs排放增加[28]或區(qū)域氣候變化使VOCs排放增加[13].本研究也表明,氣候變化下油松單萜烯日和年排放速率都呈現(xiàn)增加趨勢(shì),其中日增加幅度為 9%～18%,年增加幅度為 9%～13%.這些增加幅度沒(méi)有前述文獻(xiàn)[12,41,60]中高,這主要可能因?yàn)檫@些文獻(xiàn)中基于控制試驗(yàn)結(jié)果,相比本研究模擬時(shí)間短,而本研究以 1950～2000年為基準(zhǔn)情景,模擬未來(lái) 2001～2050年50a的變化趨勢(shì),并且文獻(xiàn)中試驗(yàn)增溫幅度比本研究模擬情景增溫幅度要大,試驗(yàn)中植物與本研究選擇的油松生理代謝等也不同.另外,本研究結(jié)果也表明,氣候變化下油松單萜烯排放存在明顯日期和氣候變化情景的差異. 如油松單萜烯日排放速率 1～210d呈上升趨勢(shì),210～365d呈下降趨勢(shì), 在RCP8.5情景下較高;未來(lái)氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下油松單萜烯日排放速率1～95d差異較小,95～295d波動(dòng)較大,296～365d 差異不大;油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率1～190d較高, 191～315d變化較小, 316～365d變化在12%～18%以上,在RCP8.5情景下變化較大.這可能與研究區(qū)氣溫變化和植物生理活動(dòng)時(shí)間差異有關(guān).在本研究區(qū),在基準(zhǔn)和未來(lái)氣候變化情景下,全年中 1～210d氣溫呈上升趨勢(shì),在 211～365d氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì),植物單萜烯日排放速率也隨之改變,但在1～90d和296～365d氣溫都不是很高,并且也不是植物最活躍生理活動(dòng)期,而在 91～295d氣溫變化范圍大,同時(shí)也是植物最活躍的生理活動(dòng)期,并且相比基準(zhǔn)情景,未來(lái)氣候變化情景下春夏季氣溫增加相對(duì)明顯,加之在春夏季植物生理活動(dòng)活躍,所以使油松單萜烯日排放速率在基準(zhǔn)和未來(lái)氣候變化情景下差異增大.另外,從氣候變化下溫度增加相對(duì)程度來(lái)看,在春季和冬季氣溫增加相對(duì)幅度更高,使油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率在1～190d和315～365d較高,在191～315d變化較小.這些結(jié)果意味著未來(lái)氣候變化強(qiáng)度和時(shí)間差異將導(dǎo)致植物單萜烯排放速度改變程度和時(shí)間差異.但也有研究發(fā)現(xiàn),氣候變化對(duì)植物 VOCs排放影響不確定.如 Schollert等[80]研究發(fā)現(xiàn),氣候變化改變了極地植物解剖結(jié)構(gòu),但對(duì)植物 VOCs排放卻沒(méi)有影響.說(shuō)明植物發(fā)育過(guò)程對(duì)植物 VOCs排放影響較大,對(duì)此需要在以后研究中進(jìn)行考慮.

一些研究認(rèn)為氣候變化下植物單萜烯排放改變與植物生物量改變有關(guān),氣候變化下植物生物量增加導(dǎo)致單萜烯排放增加[37].本研究沒(méi)有考慮氣候變化對(duì)油松生物量的影響而導(dǎo)致對(duì)單萜烯排放的改變.如果考慮氣候變化對(duì)油松生物量的影響,可以推斷氣候變化下油松單萜烯排放增加程度將更明顯.這些影響需要在以后研究中進(jìn)一步考慮.同時(shí),氣候變化下植物單萜烯排放速率改變與植物生理活動(dòng)改變有關(guān).如研究發(fā)現(xiàn)在高溫和CO2濃度升高下植物VOCs排放與光合作用和葉綠素結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[54]或植物單萜烯排放與光合作用,氣孔通導(dǎo)性關(guān)系密切[32].另外,氣候變化下植物單萜烯排放速率改變與植物解剖結(jié)構(gòu)變化也關(guān)系密切.如研究發(fā)現(xiàn)溫度升高和O3濃度變化下植物 VOCs排放與葉片結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[55]或植物 VOCs排放與植物地下結(jié)構(gòu)變化關(guān)系密切[33],氣候變化下植物葉片發(fā)育不同使植物VOCs排放季節(jié)變化[31].但也有研究發(fā)現(xiàn)氣候變化雖然引起植物解剖結(jié)構(gòu)改變,但對(duì) VOCs排放沒(méi)有影響[88];還有研究發(fā)現(xiàn)氣候變暖和積雪增加使植物光合作用速率下降,但對(duì)植物 VOCs排放沒(méi)有影響,主要是因?yàn)槿~片結(jié)構(gòu)改變[50].本研究中,假設(shè)氣候變化下油松葉片生理活動(dòng)與解剖結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化,這些假設(shè)是否正確有待檢驗(yàn).

一些研究發(fā)現(xiàn)水分改變對(duì)植物 VOCs排放影響明顯[29],氣候變化引起的干旱對(duì)植物 VOCs排放影響較大[38,43,45],干旱使植物 VOCs排放增加[42,44],或洪水[36]或干旱再加水[46]或降水增加使植物 VOCs排放增加[23].同時(shí),一些研究發(fā)現(xiàn)大氣CO2濃度變化[49,51]及溫度和CO2濃度變化[48,52-54]或 O3和 CO2濃度變化[56-57]對(duì)植物單萜烯排放都有一定影響.另外,土地利用、CO2濃度、植被組成和氣候變化對(duì)單萜烯排放有不同影響[5,61].此外,植物霉變[36]或昆蟲取食[34,57]或氣候和昆蟲取食共同對(duì)植物單萜烯排放產(chǎn)生一定的影響[35].本研究主要考慮了溫度變化對(duì)油松單萜烯排放的影響, 沒(méi)有考慮其它因素變化對(duì)油松單萜烯排放的影響.事實(shí)上,氣候變化下隨著降水和蒸發(fā)的改變將引起水分的變化,同時(shí)大氣中CO2和O3濃度也將改變,并且將間接引起霉變或昆蟲取食改變,這些變化將不同程度直接或者間接影響植物 VOCs排放.在本研究中,如果考慮水分或其它因素變化對(duì)油松單萜烯排放的影響,可以推斷油松單萜烯排放變化將可能更加復(fù)雜,這需要在以后研究中進(jìn)一步詳細(xì)分析.

氣象因素的誤差可能對(duì)植物單萜烯排放模擬結(jié)果造成誤差[89-91].在目前模擬分析植物單萜烯排放中,主要考慮了溫度因子.雖然植物葉片溫度與氣溫有關(guān),但存在一定差異.在本文中,參考相關(guān)文獻(xiàn)[76-77],忽略了葉片溫度和氣溫差異,這可能對(duì)研究結(jié)果造成一些誤差.但從分析氣候變化對(duì)植物單萜烯排放影響宏觀趨勢(shì)來(lái)看,這些差異也可以忽略.

需要指出的是,本研究只采用了單一氣候模式模擬的氣候變化情景結(jié)果,不同氣候模式下結(jié)果可能有一定差異,需要在以后研究中進(jìn)一步分析.另外,一些研究發(fā)現(xiàn)氣候變化引起植被變化導(dǎo)致 VOCs排放變化[58]或氣候變化改變植物組成使 VOCs排放改變[60].而本研究只考慮了在山西省太岳山分布的油松,沒(méi)有考慮其他區(qū)域油松單萜烯排放特征. 同時(shí),本研究也沒(méi)有考慮氣候變化可能導(dǎo)致油松分布范圍改變而對(duì)單萜烯排放影響.這可能使本研究結(jié)果存在一些不足,需要在以后研究中加強(qiáng)這些分析.盡管如此,本研究利用了目前新的氣候變化情景數(shù)據(jù),模擬分析了未來(lái)氣候變化對(duì)油松單萜烯排放速率影響,對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)氣候變化對(duì)植物 VOCs排放及大氣環(huán)境的影響還是有一定的參考意義.

4 結(jié)論

4.1 在氣候變化影響下,山西太岳山中部年均氣溫呈明顯上升趨勢(shì),年降水量和日輻射強(qiáng)度都呈下降或者增加趨勢(shì),波動(dòng)較大.

4.2 油松單萜烯日排放速率在未來(lái)氣候變化情景與基準(zhǔn)情景下差值在1～95d和296～365d較小,在 95～295d波動(dòng)較大.油松單萜烯日排放速率相對(duì)變化百分率在 1～190d增加 12%～14%以上,在191～315d 增加 9%～13%以上,在 316～365d 增加12%～18%以上,在RCP8.5情景下較大.

4.3 相比基準(zhǔn)情景,在未來(lái)氣候變化下油松葉片單萜烯年排放速率和變化程度呈增加趨勢(shì),在氣候變化情景下油松單萜烯年排放速率平均增幅在9%～13%,在RCP8.5情景下最大.

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