馮兆忠 尚博 徐彥森

摘要 大氣污染嚴重威脅了我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，但隨著減污降碳協(xié)同治理的快速推進，減緩大氣污染將有利于提升陸地碳匯，并切實推動碳達峰碳中和目標的實現(xiàn)。為了更好地理解大氣污染與生態(tài)系統(tǒng)固碳的關系，本文以主要空氣污染物臭氧（O3）為例，基于田間控制實驗的整合分析、劑量響應關系及機理模型三種評估方法綜述了近地層O3污染對植被碳固定影響的最新進展。盡管不同作物種類以及品種、不同功能型木本植物對O3的響應有著顯著的差異，且各種方法的評估結果也不盡相同，但目前O3濃度造成我國糧食作物減產(chǎn)、森林生產(chǎn)力降低已是不爭的事實。持續(xù)升高的O3濃度將嚴重威脅我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。利用我國作物和樹木的O3劑量響應方程進行評估的結果表明，在CO2減排和O3污染協(xié)同治理下，預計2060年我國樹木生物量和作物產(chǎn)量將比當前顯著提高，增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯，助力碳中和目標。最后，對如何提高O3污染環(huán)境下植物固碳能力也進行了展望。

關鍵詞臭氧污染;碳中和;陸地生態(tài)系統(tǒng);作物產(chǎn)量;碳匯

工業(yè)革命以來，人為活動導致了大量的溫室氣體排放和嚴重的大氣污染（Young et al.，2013;Rubino et al.，2019）。溫室氣體造成的“溫室效應”帶來了全球變暖、冰川消融和極端天氣等一系列生態(tài)環(huán)境問題，其中CO2是對溫室效應貢獻最大的溫室氣體，其對全球地表氣溫升高的貢獻率達65%（IPCC，2013）。而全球CO2濃度已經(jīng)從1750年的278 ppm（1 ppm=1×10-6，下同）升高到2020年的413.2 ppm，近十年來仍以每年2.26 ppm的速率迅速增長（https：//www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statistical-review-of-worldenergy.html）。中國近年來經(jīng)濟快速發(fā)展的同時也消耗了大量的化石能源，導致我國成為全球最大的CO2排放國（Friedlingstein et al.，2019）?，F(xiàn)階段，我國產(chǎn)業(yè)的高耗能特點，導致當前大氣污染物和CO2排放具有同根、同源、同過程的特點。因此以細顆粒物（PM2.5）和臭氧（O3）為主的大氣復合污染物已經(jīng)成為我國面臨的重要環(huán)境問題，嚴重危害人體健康，威脅陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能。近年來隨著《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》和《大氣污染防治行動計劃》的實施，我國PM2.5濃度顯著降低（生態(tài)環(huán)境部，2021），但O3污染問題逐步顯現(xiàn)，已成為夏季的首要大氣污染物，正以每年2.4 ppb（1 ppb=1×10-9，下同）的速率快速增長（Lu et al.，2020）。我國當前大氣O3濃度已遠遠超過了人體健康和植物受害的臨界濃度閾值（Feng et al.，2019a）。為了積極應對氣候變化，推動減污降碳協(xié)同治理是實現(xiàn)我國碳達峰碳中和目標的關鍵（鄭逸璇等，2021）。

陸地生態(tài)系統(tǒng)作為重要的碳匯，由于生態(tài)系統(tǒng)類型多樣化以及生態(tài)系統(tǒng)過程的復雜性，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的估測有很大的不確定性。通過整合文獻發(fā)表數(shù)據(jù)、過程模型結果和森林清查等數(shù)據(jù)，估算我國陸地碳匯強度約為0.20～0.25 Pg·a-1（以碳質(zhì)量計，下同;楊元合等，2022），遠遠低于CO2的排放量;也有研究顯示陸地生態(tài)系統(tǒng)僅能吸收碳排放的31%（Friedlingstein et al.，2019）。因此，提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵。大氣污染能夠危害植物生長，是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要因素之一。近地層O3是具有植物毒性的空氣污染物，主要通過植物葉片的氣孔進入植物體內(nèi)，對植物造成了一系列的負面影響（馮兆忠等，2018）。當前環(huán)境O3濃度造成我國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力降低了約4.5%（Ren et al.，2017a），也造成我國主要農(nóng)作物小麥、水稻和玉米嚴重的減產(chǎn)（Feng et al.，2022）。在推動減污降碳協(xié)同治理的背景下，大氣環(huán)境質(zhì)量的改善將有助于提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力。糧食產(chǎn)量的增加有助于優(yōu)化糧食生產(chǎn)過程中的物料投入，降低糧食生產(chǎn)過程中的碳排放。然而，不同研究評估當前O3污染對陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳速率和糧食產(chǎn)量的影響仍存在巨大差異（Ren et al.，2011;Yue et al.，2017）。因此，準確評估和預測減污降碳協(xié)同治理對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳和糧食產(chǎn)量的影響，將為實現(xiàn)我國碳達峰碳中和目標提供理論依據(jù)。

本文聚焦主要大氣污染物O3，綜述當前O3污染對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和糧食生產(chǎn)影響的研究現(xiàn)狀，基于我國現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)，構建適合我國作物和樹木的O3劑量響應方程，在目前我國減污降碳協(xié)同背景下，估算減少O3污染能夠提升陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的潛力。

1 臭氧對植被碳固定影響的評估

目前，有大量研究基于野外控制實驗，探究O3對植被固碳的影響并揭示其影響機制。通過這些實驗研究結果可以進一步評估O3對植被碳固定的影響，主要包括以下三類：整合（meta）分析、統(tǒng)計模型（劑量響應關系）以及機理模型評估。

1.1 整合分析評估結果

分析方法，以發(fā)現(xiàn)共同趨勢和差異，是目前全球變化生態(tài)學中應用廣泛的一種研究方法（Lei et al.，2007）。通過對大量結果的整合，得出具有更高可信度和普適性的結果。本研究通過整理全球所有關于O3對植被影響的整合分析研究，匯總了包含作物產(chǎn)量（表1）和樹木生物量（表2）的相關整合分析結果。

基于這些整合分析結果發(fā)現(xiàn)，與活性炭過濾O3處理或者環(huán)境O3處理相比，高O3污染顯著地降低了大部分作物的產(chǎn)量，并且不同作物對O3的敏感性不同（Feng and Kobayashi，2009）。小麥作為三大谷物作物之一，屬于對O3敏感的作物。在高O3濃度下，能夠顯著地降低小麥產(chǎn)量20%以上（Feng et al.，2008;Broberg et al.，2015），并且發(fā)現(xiàn)冬小麥和春小麥對O3的響應沒有顯著差異（Broberg et al.，2015）。與工業(yè)革命前O3水平相比，當前環(huán)境O3濃度（40 ppb左右）也顯著降低了小麥產(chǎn)量大約10%（Feng and Kobayashi，2009;Pleijel et al.，2019）。水稻也在全球種植廣泛，屬于三大作物之一。相對于小麥，水稻對O3的敏感性較弱（Mills et al.，2007），但由于目前關于水稻的研究較少，整合分析的結果仍有較大的不確定性。而關于O3對三大作物之一的玉米的研究更少，目前還沒有整合分析結果。大豆作為重要的油料作物，也被廣泛種植，高O3污染導致大豆減產(chǎn)25%左右（Morgan et al.，2003;Li et al.，2021），而目前O3水平（42 ppb）顯著地降低了大豆產(chǎn)量7.7%（Feng and Kobayashi，2009）。整合分析的結果也顯示，O3顯著地降低了菜豆、馬鈴薯和大麥的產(chǎn)量分別為19%、5.3%和8.9%（Feng and Kobayashi，2009）。綜上，目前O3已造成糧食作物顯著減產(chǎn)，如果O3濃度持續(xù)升高將嚴重威脅全球的糧食安全。

對于木本植物，Witting et al.（2009）整合分析了O3對全球木本植物的影響，相對于工業(yè)革命前的O3水平，目前（40 ppb）和將來（97 ppb）的O3水平顯著地降低了樹木的總生物量7%和17%，同時也發(fā)現(xiàn)被子植物比裸子植物對O3更敏感。Li et al.（2017）也整合分析了O3對中國木本植物的影響，發(fā)現(xiàn)高O3污染（116 ppb）降低了中國樹木生物量14%，并且闊葉落葉樹種比常綠樹種對O3更加敏感，不同功能型木本植物對O3的敏感性是不同的。此外，目前僅有對楊樹和橡樹兩個樹種相關的整合分析研究。楊樹作為人工林占地面積最大的速生樹種，比許多其他木本植物吸收碳的速度更快。但由于楊樹具有較大的氣孔導度，其對O3是較敏感的，高O3污染（83 ppb）顯著降低了楊樹生物量24%，并且發(fā)現(xiàn)雜交楊比非雜交楊對臭氧更敏感（Feng et al.，2019b）。橡樹也是北半球最重要的木本被子植物之一，橡樹的木材質(zhì)量好，具有很高的經(jīng)濟價值，整合分析結果顯示O3沒有顯著影響橡樹的生物量（Cotrozzi，2021）。盡管不同功能型的木本植物對O3的敏感性不同，但目前O3污染已經(jīng)抑制了木本植物的生長，當O3污染持續(xù)加劇，O3將對木本植物的固碳能力有更大的影響。

1.2 劑量響應關系評估結果

建立作物相對產(chǎn)量（樹木相對生物量）與O3劑量的響應關系，有利于評估O3對區(qū)域尺度作物產(chǎn)量和樹木生物量的影響。馮兆忠和彭金龍（2021）整理了我國糧食作物產(chǎn)量和木本植物生物量與O3污染的劑量響應關系，并計算了對應的O3損傷閾值。目前，關于O3劑量主要包括三種（馮兆忠和彭金龍，2021）：1）濃度劑量，代表植物暴露期間的平均小時O3濃度值，例如M7（7 h平均O3濃度;09：00—17：00，北京時）和M24（24 h平均O3濃度）。2）暴露劑量，不僅考慮了O3暴露濃度，還考慮了O3暴露的累積時間，例如AOT40（白天小時O3濃度超過40 ppb部分的累積值）、SUM06（小時O3濃度超過60 ppb的累計值）和W126（小時O3濃度在特定時間段內(nèi)用Sigmoidal函數(shù)的加權求和值）。由于暴露劑量計算簡單容易獲得，也是當前評估中使用最為廣泛的指標。3）通量劑量，不僅考慮了O3的暴露濃度和時間，還考慮了生物和環(huán)境因素對葉片氣孔導度的影響，能夠反映植物實際氣孔O3吸收通量，在評估O3對植物的不利影響方面優(yōu)于其他O3指標。但該指標由于要模擬植被整個生育期的氣孔導度，計算過程較繁瑣，目前并沒有被廣泛應用于評估研究。

本文整理了利用劑量響應關系評估O3影響我國森林固碳和作物產(chǎn)量相關的研究。我國評估研究大多集中于作物，僅有個別研究關注了森林（表3）。這種研究差異主要由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，以及不同功能型樹種對O3的敏感性不同。因此，需要更多的研究建立不同類型樹木與O3劑量的響應關系。Feng et al.（2019b）基于暴露劑量（AOT40）響應關系評估了我國2015年O3對森林生產(chǎn)力的影響，森林生產(chǎn)力被降低了11%～13%。在未來，應該加強基于劑量關系評估O3對森林固碳能力影響的研究。

目前，有很多基于劑量響應關系評估O3造成我國主要農(nóng)作物（小麥、水稻、玉米）產(chǎn)量損失的研究，分布在不同的時間和地區(qū)，不同研究的評估結果也有較大的差異。近些年，隨著我國O3濃度檢測網(wǎng)絡的不斷完善，使得區(qū)域評估的精度也在提高。在時間上，隨著O3污染持續(xù)加重，O3對作物產(chǎn)量的損失量也有所增加;空間上，O3對不同地區(qū)作物產(chǎn)量的影響也有較大的差異，對O3污染嚴重的區(qū)域農(nóng)作物產(chǎn)量的損失更大，例如，長三角地區(qū)和華北平原地區(qū)。整體上，小麥比水稻和玉米對O3更加敏感。O3造成小麥較大的產(chǎn)量損失，F(xiàn)eng et al.（2022）的結果顯示2017—2019年間造成我國小麥減產(chǎn)33%，Zhao et al.（2020）顯示2015—2018年間造成我國小麥減產(chǎn)20.1%～33.3%。O3也顯著地降低了我國水稻產(chǎn)量的損失，對雙季稻和單季稻的影響沒有顯著差異（Cao et al.，2020），但雜交稻比非雜交稻對O3更敏感，O3造成雜交稻產(chǎn)量的損失與小麥相近（Feng et al.，2022）。玉米對O3是相對不敏感的，大多評估顯示O3造成我國玉米的產(chǎn)量損失低于10%（Lin et al.，2018;Zhao et al.，2020;Feng et al.，2022）。

不同O3劑量的評價結果有較大的差異（Cao et al.，2020;Feng et al.，2019c），因此通量指標考慮了更多環(huán)境和植物自身的因素應該被廣泛推廣。盡管國內(nèi)已經(jīng)建立了各種作物與通量指標的響應關系，但由于我國糧食產(chǎn)區(qū)分布范圍廣，通量模型需要考慮各地的氣候條件，不易獲取不同區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)。此外，作物品種多，品種間作物敏感性差異較大，而基于單一品種建立的通量模型沒有普適性。因此，僅有個別研究運用了氣孔O3吸收通量模型開展評估研究（Feng et al.，2019c），未來應結合多作物品種建立普適性高的通量劑量響應關系用于到評估研究中。此外，有研究開發(fā)了質(zhì)膜通量模型，該模型考慮了植物的質(zhì)外體解毒能力，能夠更加真實地反應植物對O3的響應，提高O3對作物減產(chǎn)評估的精度（Dai et al.，2020;Wu et al.，2021）。但由于該模型需要考慮植物的質(zhì)外體抗壞血酸含量以及細胞壁厚度等生理指標，還沒有被推廣應用。

1.3 機理模型評估結果

機理模型也是目前研究的熱點，能夠結合植被生長及其生長環(huán)境，會充分考慮環(huán)境對植物生理機理過程的影響。目前，一些機理模型已經(jīng)被用于評估O3對生態(tài)系統(tǒng)碳固定的影響，本研究整理匯總了利用機理模型評估O3對我國農(nóng)田、草地和森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定影響相關的研究（表4）。DLEM（Dynamic Land Ecosystem Model）模型被廣泛應用，主要將生物地球化學循環(huán)、水文循環(huán)和植被動態(tài)相結合，得到陸地生態(tài)系統(tǒng)中水、碳和氮通量以及庫的大小?；谠撃Ｐ驮u估結果顯示，1961—2000年間O3顯著降低陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力（NPP）4.5%（Ren et al.，2007a）;1961—2005年間，O3顯著降低我國森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量7.7%（Ren et al.，2011）;1981—2010年間，O3和干旱復合影響造成我國糧食減產(chǎn)10%。此外，也有研究利用大氣化學-植被-氣候耦合模式系統(tǒng)來評估O3對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響。例如，Yue et al.（2017）基于NASA GISS ModelE2-YIBs模式評估發(fā)現(xiàn)，O3污染造成我國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP每年減少了0.6 Pg，降低了14%。然而，利用機理模型評估的O3對植被影響的研究仍然十分有限，未來需要充分利用實驗研究數(shù)據(jù)，優(yōu)化機理模型，使得有更多的機理模型被用于評估O3污染的生態(tài)效應。

以上整理匯總了三種方法的評估結果。盡管各種評估方法的結果仍存在很大的不確定性，但可以確定的是O3污染對我國作物生產(chǎn)和森林固碳構成重大威脅，因此需要通過減少O3前體物排放，降低O3污染，并通過一些防護措施減緩O3對植被的影響，有助于提升陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。

2 構建我國樹木和作物臭氧劑量響應關系

由1.2節(jié)可以看出，O3劑量響應關系可以被廣泛用于評估O3對植被碳固定的影響。我國已經(jīng)開展了大量控制實驗探究O3污染對樹木和農(nóng)作物的影響并建立O3劑量與樹木總生物量和作物籽粒產(chǎn)量的響應關系。例如Hu et al.（2015）和Peng et al.（2019）分別將楊樹和玉米暴露在多個O3濃度梯度下建立劑量響應方程，結果顯示O3濃度升高將導致樹木生物量和作物產(chǎn)量線性降低。然而在不同區(qū)域或者不同年份開展控制實驗建立的O3劑量響應關系存在差異（Pleijel et al.，2019）。2014和2016年分別在北京昌平和延慶區(qū)開展實驗所構建的關于楊樹的劑量響應關系斜率分別為-0.41和-0.35（Hu et al.，2015），這些差異主要是由于植物的O3敏感性受實驗開展區(qū)域和當年的氣候特征的影響。此外，對不同樹種和作物品種構建的劑量響應關系也存在差異。在浙江嘉興利用嘉花2和繁3694籽粒產(chǎn)量與AOT40構建的響應關系斜率為-0.95，而江蘇江都的水稻品種的響應關系斜率為-0.022（馮兆忠和彭金龍，2021）。因此，采用單個研究的數(shù)據(jù)建立的劑量響應關系不能準確地應用于區(qū)域尺度的評估。為了建立具有普適性的O3劑量響應關系，通過收集全球范圍內(nèi)已經(jīng)開展的相關研究數(shù)據(jù)，Mills et al.（2018）構建了白天7 h平均O3濃度和小麥、水稻、玉米和大豆的劑量響應方程。此外Feng et al.（2018a）也通過收集生物量與O3氣孔吸收通量的數(shù)據(jù)分別構建了闊葉和針葉樹的劑量響應關系。這些研究結果為評估O3污染對全球尺度樹木生物量積累和作物籽粒產(chǎn)量的影響提供了有力支撐。然而，最近的研究通過比較亞洲、北美洲和歐洲地區(qū)O3劑量與小麥籽粒產(chǎn)量的研究結果，發(fā)現(xiàn)AOT40與籽粒產(chǎn)量的響應關系在不同區(qū)域存在顯著差異（Feng et al.，2018b;Pleijel et al.，2019）。因此，有必要利用我國現(xiàn)有的控制實驗結果構建適用于我國的O3劑量響應方程，用于評估和預測O3對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力和籽粒產(chǎn)量的影響。

通過收集整理在我國開展的控制實驗數(shù)據(jù)，并參照之前的研究方法（Feng et al.，2022）對數(shù)據(jù)進行篩選，共收集到我國可用的小麥、水稻、玉米和大豆數(shù)據(jù)分別為51、68、7及44條。由于玉米研究十分匱乏，僅對鄭單958開展了O3濃度的梯度實驗（Peng et al.，2019），因此將在印度開展的28條數(shù)據(jù)納入O3劑量響應關系的構建中（Singh et al.，2018;Yadav et al.，2021）。樹木的研究中共計收集到70條數(shù)據(jù)涉及17個樹種。由于我國常綠和落葉樹種對O3的敏感性存在較大差異（Li et al.，2017），因此將樹種分為常綠和落葉兩類，分別構建其相對生物量與O3劑量響應關系，方程如下：

RY=1-S·VAOT40。?? （1）

其中：RY表示相對樹木生物量或相對作物籽粒產(chǎn)量;S表示敏感性系數(shù)，指示植物種的O3敏感性;VAOT40表示AOT40的值。之前的研究針對每個實驗單獨求解O3劑量為0時的樹木生物量或者籽粒產(chǎn)量作為沒有O3污染的最大值，然后進行歸一化后再擬合O3劑量響應關系，但這種方法缺乏足夠的O3濃度梯度降低了最大值求解的準確性。為了提高劑量響應關系的擬合精度，本研究采用我們開發(fā)的一步法擬合求解O3劑量方程（Feng et al.，2022），通過一步法求解，實現(xiàn)最大值和劑量方程參數(shù)共同擬合，有效提高了擬合精度。這種方法已經(jīng)在作物產(chǎn)量與O3劑量響應關系構建上得到了廣泛的應用（Feng et al.，2018b;Zhang et al.，2021）。

表5提供了常綠樹和落葉樹相對生物量以及四種主要作物相對產(chǎn)量與O3劑量的響應方程關鍵參數(shù)S值。通過比較發(fā)現(xiàn)樹木對O3污染抗性均高于作物，這主要可能是木本植物和草本植物應對環(huán)境脅迫的響應差異。圖1比較了常綠樹和闊葉樹相對生物量與O3劑量的響應關系，與樹木生長和生理指標的整合分析結果一致，即隨著O3劑量的升高，落葉樹生物量下降比常綠樹生物量下降得更快（Li et al.，2017），表明我國北方地區(qū)的落葉樹更易受O3污染的影響。而過去的模型研究中并沒有將常綠闊葉和落葉闊葉樹進行區(qū)分，針對常綠和闊葉樹均采用相同的O3敏感性參數(shù)（Yue et al.，2017）。劑量響應結果表明這將會高估當前O3對我國常綠闊葉樹固碳能力的影響。通過整合分析針對不同植物功能類型建立準確的劑量響應關系將有助于精準估算減污降碳背景下我國樹木的潛在固碳能力。

圖2展示了四種主要作物小麥、水稻、玉米和大豆相對籽粒產(chǎn)量與O3劑量的響應關系。通過比較不同作物的O3敏感性參數(shù)S，表明大豆對O3污染最為敏感，其次是小麥，水稻和玉米抗性相對較強。不同作物對O3污染響應的敏感性與全球的研究結果基本一致，但同一種作物在不同區(qū)域的O3敏感性仍存在差異（Mills et al.，2018）。與北美和歐洲地區(qū)相比，基于我國控制實驗建立的小麥與O3劑量響應關系斜率顯著高于歐洲，與北美地區(qū)小麥的O3敏感性相近（Pleijel et al.，2019）。但相比于全球大豆產(chǎn)量與O3劑量響應關系，我國大豆O3劑量方程斜率參數(shù)約為全球平均值的2.8倍。這也驗證了亞洲區(qū)域大豆比歐洲和北美洲對O3更敏感的研究結論（Osborne et al.，2016）。水稻和玉米缺乏全球不同區(qū)域的O3劑量響應方程。當前O3濃度升高下嚴重威脅我國的作物生產(chǎn)，在未來減污情景下將顯著提高作物的產(chǎn)量，這將顯著降低單位糧食產(chǎn)量生產(chǎn)的碳排放。不同地區(qū)作物品種O3敏感性的差異還與作物的品種選育密切相關。因此在我國未來的種業(yè)發(fā)展過程中需要加強O3抗性品種的選育。

3 減污降碳背景下植被固碳潛力估算

基于我國的實驗數(shù)據(jù)，建立了適用于我國的O3劑量響應關系。為了粗略估算減污降碳協(xié)同治理對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的影響，計算了我國主要作物小麥、水稻和玉米收獲期前90 d的AOT40，分別為10.08、10.15和11.97 ppm·h（Feng et al.，2022）。大豆O3劑量數(shù)據(jù)參照在我國開展的控制實驗環(huán)境O3處理的AOT40，為9.31 ppm·h（Zhang et al.，2017）。基于本研究中的相對產(chǎn)量與O3劑量響應方程估算當前O3濃度下小麥、水稻、玉米和大豆的相對產(chǎn)量損失分別為16%、9%、9%和20%，表明當前小麥和大豆產(chǎn)量損失最為嚴重。1980年美國4—9月全國平均AOT40約為26.82 ppm·h，與我國當前的O3污染水平相當（Lu et al.，2018）。實行嚴格減排后O3污染得到了顯著緩解，美國1980—2010年30 a間平均每年的AOT40降低約0.3 ppm·h?？紤]到在未來執(zhí)行強有力減排措施后我國的O3濃度將得到進一步的控制，因此參照美國1980至2010年O3濃度變化的趨勢估算我國2060年4—9月的AOT40將會比現(xiàn)在降低約11.4 ppm·h?？紤]作物AOT40均為90 d計算值，估算到2060年我國小麥、水稻、玉米和大豆的平均AOT40值分別為4.38、4.45、6.27和3.61 ppm·h，相對產(chǎn)量損失分別為7%、4%、5%和8%。也就是說通過強有力的減排措施，在不增加生產(chǎn)投入的基礎上可在2060年實現(xiàn)作物產(chǎn)量相比當前作物產(chǎn)量分別增產(chǎn)約9%、5%、4%和12%。這將極大的降低我國單位糧食產(chǎn)量的碳排放，為實現(xiàn)碳中和目標提供重要的貢獻。

為了估算當前O3污染對我國森林生物量的影響，采用我們之前研究中溫帶和亞熱帶區(qū)域的AOT40值對落葉樹和常綠樹分別進行估算（Li et al.，2018）。落葉樹和常綠樹對應的AOT40分別為27.21和24.28 ppm·h?；诒狙芯康腛3劑量響應方程估算的落葉樹和常綠樹相對生物量損失分別為13%和3%。減排后預計到2060年落葉樹和常綠樹的AOT40分別為15.81和12.88 ppm·h，相對生物量的減少分別為7%和1%。因此通過強有力的減排措施可以在未來40 a內(nèi)顯著提高森林生物量約6%和2%，這將顯著增加陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力，增加我國工業(yè)排放碳的份額。因此實行減污降碳協(xié)同治理不僅僅可以調(diào)整能源結構優(yōu)化產(chǎn)業(yè)，還能有效地增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力，助力實現(xiàn)碳中和。

本研究中采用的當前環(huán)境和減排后的AOT40值均為估算值，沒有考慮O3污染和植被的分布特征以及中國實際減排后的O3污染改善情況。因此估算的值與之前研究值具有一定的差異，但基于本研究估算可以有效了解減污對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫影響的重要意義。

4 展望

1）環(huán)境治理對陸地碳匯的影響亟待被納入政策研究。隨著“雙碳”目標的提出，增加生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力和減少工業(yè)碳排放成為研究熱點。優(yōu)化能源結構和促進產(chǎn)業(yè)升級不僅僅減少了碳的排放也能有效減輕大氣污染，進而提高了陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。然而過去的減污降碳政策研究中往往忽略其對生態(tài)系統(tǒng)碳匯的促進作用，因此未來需要將這一新途徑納入減污降碳協(xié)同增效中，為我國制定合理的碳中和方案提供理論支撐。

2）陸地生態(tài)系統(tǒng)對O3污染的響應不確定性亟待提高。通過比較不同研究估算O3對陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的結果，發(fā)現(xiàn)O3劑量響應方程是導致不同研究間變異的關鍵。因此，本研究通過收集中國地區(qū)開展的樹木和作物控制實驗數(shù)據(jù)構建了相對生物量和作物產(chǎn)量與O3劑量的響應關系。但是，相關研究數(shù)據(jù)仍十分匱乏，尤其缺少樹木和玉米的觀測數(shù)據(jù)，因此未來需要加強開展樹木和作物的多O3梯度暴露實驗，并且在各種氣候特點下開展多區(qū)域以及多物種或多品種的研究。建立適用于中國不同地區(qū)樹木和作物的O3暴露響應方程，提高評估和預測的準確性。

3）篩選O3抗性樹種和作物品種并推廣。不同植物種和作物品種由于一些生理特性（例如氣孔大小和抗氧化能力）的差異導致它們對O3的敏感性不同。在當前O3污染下廣泛栽培O3抗性植物能夠有效降低O3導致的碳匯損失，但目前O3抗性樹種和作物品種的選育進展緩慢。因此，需探究植物對O3敏感性的差異機制，以及明確能夠反映植物敏感性的相關指標。在未來的作物育種時要將O3抗性作為關鍵的選育指標，選育高產(chǎn)和O3抗性的作物品種。在樹木上，一方面需要加強抗性樹種的篩選研究，另外在植樹造林過程中需要將樹種抗性作為造林樹種選取的關鍵指標。如果做到了以上這些建議，最終會減少O3污染對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響。

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Effects of ground-level ozone on tree productivity and crop yield in China：progress and prospect

FENG Zhaozhong，SHANG Bo，XU Yansen

Research Center for Global Changes and Ecosystem Carbon Sequestration & Mitigation，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Air pollution has threatened the terrestrial ecosystem carbon sink capacity in China.With synergetic control of environmental pollution and carbon emission，mitigation of air pollution would drive improvements of terrestrial carbon sink and contribute to emission peak and carbon neutrality targets.To better understand the relationships between air pollution and terrestrial carbon sink，this review summarizes existing results related with tropospheric ozone （O3） effects on plant carbon sequestration based on meta-analysis，dose-relative biomass/yield and earth system modeling.Responses of different crops，cultivars and plant functional types to elevated O3 were significantly different.These effects were also changed by estimation approaches.Results indicated that ambient O3 in China has induced losses of crop yield and forest productivity.Rising O3 concentration has seriously threaten the terrestrial ecosystem carbon sink capacity in China.On the other hand，synergetic control of environmental pollution and carbon emission will increase forest productivity and crop yield in 2060 compared to 2020，estimated from the dose-relative biomass/yield relationship based on plants grown in China.The contributions of terrestrial ecosystem to carbon neutrality will be increased if ambient ozone is reduced.Lastly，we proposed how to improve the carbon sequestration under O3 pollution.

ozone pollution;carbon neutrality;terrestrial ecosystem;crop yield;carbon sink

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220402013

（責任編輯：袁東敏）