成果动态--陕西关中平原区域环境变化与综合治理国家野外科学观测站

关中站关于汾渭平原大气气溶胶的污染特征、形成机制和对PM2.5增长速率影响的研究

汾渭平原是我国大气污染防治行动计划中，与京津冀和长三角并列的三大重点区域之一。近年来，随着对污染源的控制与治理，汾渭平原的大气污染从富含硫酸盐转变为富含硝酸盐。空气污染问题仍没有得到根本性的解决。为了进一步了解PM2.5的增长机制及硝酸盐形成的关键因素，有效减轻空气污染，对汾渭平原重点城市开展针对颗粒物变化趋势、影响因素和污染源特征的深入研究至关重要。对研究该区域及我国北方其他城市PM2.5发生发展规律、产生机制及驱动因素等具有代表意义，为相关部门制定有针对性的大气污染协同控制措施提供科学证据，为全面提高我国城市地区的空气质量具有重要的现实意义。地球环境研究所科研人员于2017年至2020年在西安和宝鸡开展多次气溶胶高时间分辨率实时观测，结合气象要素和气溶胶前体物，综合运用机器学习模型等方法探讨了该区域气溶胶中离子组分的时空分布特征、形成机制和对PM2.5增长速度的影响等。研究结果表明，随着气溶胶污染的加重，硝酸盐对PM2.5质量浓度的贡献显著增加，大气中过量氨(NH3)是导致NO3-高浓度的主要因素之一。机动车限行协同减排了NOx和NH3，可有效缓解颗粒物污染。颗粒物爆发性增长在污染过渡期（75 μg m-3 ≤PM2.5<150 μg m-3）发生的频率最高。相对湿度和一次排放源是影响PM2.5爆发性增长的重要因素和主要来源。以上成果发表于国际学术期刊Particuology （苏慧为第一作者）和Atmospheric Environment（李焕为第一作者），通讯作者为张婷高级工程师。该研究得到中国科学院西部之光（XAB2021YN05）、宝鸡市大气污染防治“一市一策”驻点跟踪研究（DQGG-05-36）、国家大气研究计划（2017YFC0212200）、国家自然科学基金（41503123）和中国科学院战略重点研究计划（XDB40000000）等多个项目的联合资助。原文详见：Su, H., Zhang, T.*, Liu, S. X., Qu, Y., Li, H., Zhou, J. M., Zhao, Z. Z., Wang, Q. Y., Li, L., Shen, M, X., Chen, S. Y., Ho, S. S. H., Cao, J. J., 2023. Growth of nitrate contribution to aerosol pollution during wintertime in Xi'an, northwest China: Formation mechanism and effects of NH3. Particuology. 87, 303-315.https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.09.014.Li, H., Zhang, T.*, Su, H., Liu, S. X., Shi, Y. Q., Wang, L. Y., Xu, D. D, Zhou, J. M., Zhao, Z. Z.,Wang, Q. Y., Ho, S. S. H., Qu, Y., Cao, J. J., 2024. Factors affecting the different growth rates of PM2.5：Evidence from composition variation, formation mechanisms, and importance analysis of water-soluble inorganic ions with case study in northern China. Atmospheric Environment. 340,120193.https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120913.图1 不同污染水平下过量氨和湿度对硝酸盐形成机制的影响图2 PM2.5爆发性增长期的组分特征、时空分布和形成机制

2024-12-10

NC:新方法突破太阳能间歇性限制，实现二氧化碳高效资源化

研发高效的减污降碳、CO2资源化手段，是实现可持续发展的科学热点问题。自然界的光合作用能够解耦光吸收和CO2还原过程，为利用间歇性太阳能（昼夜、阴晴）提供了新思路。太阳光能量密度低且供给不稳定，难以用于可控的CO2资源化转化。因此，如何利用间歇性太阳能，并结合烟气余热，实现CO2可控、高效转化，具有重要的科学和现实意义。关中平原站空气新技术团队（AirPNT）联合多家单位，创新提出利用太阳能收集氢原子和电子、实现CO2资源化的新思路，成功克服太阳能的间歇性供给限制，结合工业余热在低温（低至150°C）下实现了CO2的按需转化。团队受自然光合作用启发，设计利用太阳光和水在催化剂中储存电子和氢原子新方法（图1），储存的电子和氢原子可在加热条件下释放，用于低温还原CO2，实现CO2的按需转化。概念验证实验中，Cu负载至WO3获得Cu/WO3催化剂。在光照下，光催化水分解，生成的氢原子与电子储存在Cu/WO3中，形成亚稳态中间体（Cu/HxWO3）。随后，低温下（150–300°C）加热激活Cu/HxWO3，释放储存的电子和氢原子，实现CO2还原。实验进一步证明了自然光驱动思路的可行性（图2），为利用间歇性太阳能、实现CO2资源化开辟了新途径。该成果基于地球环境研究所近年来“形成可复制、易推广减污降碳技术”的研发布局和成果积累，将有力推动绿色能源驱动CO2深度转化的科学技术与产业化发展。该成果近期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。中国科学院地球环境研究所博士研究生石先进为论文第一作者。中国科学院地球环境研究所黄宇研究员、中国科学院大气物理研究所曹军骥研究员和中国科学技术大学熊宇杰教授为论文共同通讯作者。陕西师范大学和香港科技大学（广州）的研究团队也参与了该工作。该研究得到中国科学院战略先导专项、中国科学院青年交叉团队项目，及国家自然科学基金的共同资助。相关文献：Xianjin Shi; Wei Peng; Yu Huang*; Chao Gao; Yiman Fu; Zhenyu Wang; Leting Yang; Zixuan Zhu; Junji Cao*; Fei Rao; Gangqiang Zhu; Shuncheng Lee; Yujie Xiong*; Integrable utilization of intermittent sunlight and residual heat for on-demand CO2 conversion with water. Nature Communications 2024, 15, 10135.原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54587-2图1存储电子和氢原子实现按需CO2转化示意图图2 外场示范应用结果

2024-12-09

秦岭北麓大气CH4综合立体观测和区域输送研究方面取得新进展

大气甲烷（CH4）作为重要的温室气体，在100年内的全球增温潜势是CO2的28倍。在关键区域缺失CH4观测给反演全球和区域CH4排放带来较大的不确定性，限制了对全球CH4变化的理解。秦岭是我国南北地区重要的地理分界线，也是“中国最绿区域”，在这个重要固碳增汇区进行大气CH4综合立体观测并探究其来源，有助于了解区域CH4动态变化，评估区域碳排放。中国科学院地球环境研究所核环境安全与碳排放监测团队在秦岭北麓的陕西关中平原区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站开展为期两年的塔基大气CH4高精度连续观测，并利用无人机平台在冬夏季进行大气CH4垂直观测（< 2000 m）（图1），以此揭示秦岭北麓大气CH4的时空变化特征、受气象因素以及传输的影响。具体结果如下：塔基（20 m）Picarro在线连续观测表明，（1）观测期间（2021年3月-2023年2月）大气CH4年均浓度为2119.6 ± 108.8 ppb，年增加0.65%（i.e., 13.6 ppb）（图2a）。CH4浓度在冬季最高，夏季较低且日振幅最大（图2b）。日均大气CH4浓度受人为活动的显著影响，取暖期CH4浓度（2169.4 ± 120.0 ppb）显著高于非取暖期（2094.4 ± 93.1 ppb）。取暖期超过背景水平的CH4（ΔCH4）和CO2（ΔCO2）（r=0.96, p < 0.05）、ΔCH4和ΔCO（r=0.96, p < 0.05）均呈显著正相关，表明取暖期间CH4在化石燃料和生物质的不完全燃烧过程中随CO2和CO共同排放，其浓度受燃烧源影响。（2）近地面风显著影响大气CH4的累积、传输和扩散。秦岭北麓各季节CH4浓度增加来自静稳天气下（< 2 m s-1）的本地源累积（图3）。后向轨迹分析表明秦岭北麓大气CH4主要来自西安市本地排放和秦岭南部通过山谷的短距离输送。（3）垂直观测结果表明，夏季观测期CH4浓度随海拔在200 ~ 500 m上升，在500 ~ 1000 m下降（图4 a-e）。冬季取暖期CH4浓度从近地面（20 m）增加至200 m达到峰值，在200 ~ 2000 m降低，其中500 ~ 1000 m下降速度最快（图4 j-n）。冬季观测期间发生了一次雾霾事件（图5），雾霾初期（AQI < 150）不同高度CH4浓度随时间呈上升趋势；雾霾发展期（AQI > 150）所有高度（尤其低于500 m）CH4水平显著增加，受来自西北、东南方向污染地区水平传输的影响，弱扩散条件和盆地地形导致观测点较高的CH4水平维持了近两天时间；此后雾霾消散，空气质量好转（AQI < 150），所有高度CH4浓度开始下降。垂直观测进一步证实了传输对秦岭北麓CH4浓度的重要影响。研究成果发表于大气领域国际知名刊物《Atmospheric Environment》，博士研究生刘婉玉和西安地球环境创新研究院职工冯雪为共同第一作者，通讯作者为牛振川研究员。研究受国家自然科学基金（42173082、42330114）、中国科学院先导专项（XDA23010302）和陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-JCQN-34）的共同资助。Liu, W#., Feng, X#., Niu, Z*., Zhou, W., Chen, H., Liang, D., Lyu, M., Wang, G., Liu, L., 2024. Temporal characteristics and vertical profiles of atmospheric CH4 at the northern foot of the Qinling Mountains in China. Atmospheric Environment, 120786, https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120786.图1. 秦岭北麓大气CH4的综合立体观测研究图 2. 秦岭北麓近地面观测期间（a）大气CH4日均浓度变化和（b）各季节大气CH4小时浓度变化图3. 观测点大气CH4浓度随风速的变化图4. 秦岭北麓观测期间大气CH4的垂直变化图5. 取暖期雾霾事件中不同高度CH4浓度的变化

2024-11-21

关中城市PM2.5质量浓度、消光和健康风险源贡献及减排效果源差异分析方面取得进展

关中平原地处黄土高原和秦岭之间，为河谷盆地地貌，受不利地形和气象因素影响，污染物消散能力不足。同时，社会经济活动区域集中，扬尘、化石能源、生物质燃烧和工业过程等源排放易累积导致污染，尤其采暖季雾霾时发，是我国大气污染防治重点区域之一。定量该区域PM2.5质量浓度、环境健康影响来源贡献，以及减排效果源差异分析对制定防治对策有重要意义。气溶胶理化过程及环境效应团队开展了关中城市PM2.5浓度、消光和健康风险来源贡献定量分析(咸阳)，以及源减排与PM2.5浓度、光吸收和辐射效应变化关联分析(宝鸡)。发现PM2.5及其化学组分浓度在采暖季约为非采暖季的2.3-2.8倍；采暖季具有更高的氮氧化速率（NOR），而非采暖季有较高的硫氧化速率（SOR）；有机质（OM）和二次无机气溶胶（SNA）是PM2.5的主要组分；NH4NO3是大气消光系数的主要贡献物质。PM2.5质量浓度、重金属健康风险和大气消光的主导源分别为生物质燃烧、工业排放和二次气溶胶。基于极端减排期宝鸡PM2.5工业源、交通源、燃煤源、生物质燃烧源、烟花爆竹和矿物尘等源贡献变化，利用神经网络模型（ANN）建立了特定源减排与环境质量、光吸收、辐射效应等定量关联。发现减排期因一次排放显著减少，燃煤、生物质燃烧和交通源PM2.5的光吸收贡献均有下降；但因一次源减排导致大气氧化性改变，促进二次气溶胶形成抵消了部分一次减排效果，同时增强了PM2.5的光吸收能力及直接辐射效率。该工作分别从PM2.5质量浓度、消光、健康风险及辐射效应等方面理解源贡献和减排效果源差异分析，有助于提高减排措施的精准性和有效性。上述成果发表于国际学术期刊Urban Climate和 Journal of Environmental Management。该工作得到科技部重点研发计划（2017YFC0212200）、黄土与第四纪地质国家重点实验室（SKLLQG2239），和中国科学院西部之光项目（XAB2021YN01）等支持。Qu, Yao; Liu, Hui-Kun; Zhang, Ting; Su, Hui; Wang, Nan; Zhou, Yue; Shi, Ju-Lian; Wang, Lu-Yao; Wang, Qi-Yuan; Liu, Sui-Xin; Zhu, Chong-Shu*; Cao, Jun-Ji. Source-specific light absorption and radiative effects decreases and indications due to the lockdown. Journal of Environmental Management 356, 120600, 2024https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.120600Shi, Julian; Zhu, ChongShu*; Liu, SuiXin; Qu, Yao; Dai, WenTing; Wang, Nan; Wang, LuYao; Zhou, Yue; Li, Rui; Shi, YingQiang; Cao, JunJi. Insights into source-specific PM2.5 mass, light extinction, and health risks in heavily polluted urban and suburban areas, northwestern China. Urban Climate 58, 102205, 2024.https://doi.org/10.1016/j.uclim.2024.102205图1. 采暖季（HS）与非采暖季（NHS）PM2.5化学组分贡献（a、b）与浓度变化（c、d）图2. 采暖季（HS）与非采暖季（NHS）PM2.5质量浓度（a、b）、消光（c、d）和重金属健康风险（e、f）来源贡献图3. 一次排放及大气环境变化导致的PM2.5交通源、燃煤源和生物质燃烧源光吸收变化图4. PM2.5不同源直接辐射强迫和直接辐射强迫效率：交通源(a、d)、燃煤源(b、e)和生物质燃烧源(c、f)

2024-11-21

研究揭示关中平原近地表和自由对流层气溶胶新粒子形成的重要差异及影响因素

大气新粒子生成（New Particle Formation, NPF）是由气态污染物（如SO2、VOCs等）最初形成颗粒物的初始过程，它是大气中气溶胶的重要来源。大气新粒子生成和随后的生长过程是环境空气污染的关键贡献因子，同时对全球气候变化及人体健康具有重要的影响。然而，当前国内外对大气新粒子生成和生长的影响机制仍存在明显不足。关中平原一直是我国大气颗粒物污染最严重的地区之一，不仅受到其西北区域粉尘传输的显著影响，同时局地工业来源、机动车辆和农村生物质燃烧的排放贡献尤为重要。但是目前对关中区域大气新粒子生成的研究相对较少，且几乎未有研究关注该区域自由对流层大气气溶胶数浓度分布及粒径变化，导致对其NPF事件发生和发展的因素以及潜在化学机制的认识十分薄弱。基于此，关中平原站研究团队于2020年夏季在关中平原华山地区和西安市区开展了大气环境综合观测研究，同时观测了华山山顶（海拔约2065 m）和西安气溶胶数浓度、粒径分布和NPF事件的发生发展，结果显示：（1）西安市和华山的总颗粒物数浓度日变化存在差异，表明影响因子存在差异。西安市在不同时间尺度和气象条件下的粒径分布存在差异，而华山的变化不大。华山的这种稳定性归因于其更清洁的背景大气和从自由对流层大气更大粒径的老化颗粒的稳定流入。（2）在这两个地区，几何平均直径（GMDs）与颗粒数浓度成反比，表明颗粒数的增加主要是由于产生了更小的颗粒。（3）城市站和高山站之间NPF事件的潜在控制因素有所不同。在城市地区，强烈的局地固定和移动排放源促进了新形成的纳米颗粒生长，臭氧氧化的可冷凝蒸汽是关键前体物。而在高山地区，NPF过程受远距离传输人为前体物和局地排放生物源有机物的共同影响。本研究对关中地区新粒子形成发生发展的潜在因素及化学机制提供了新的科学认识。该成果2024年9月28日在线发表于环境化学领域著名期刊《Science of The Total Environment》，第一作者刘海娇助理研究员，通讯作者为李建军研究员。研究受到国家自然科学基金委、黄土与第四纪地质国家重点实验室及中国科学院战略性先导科技专项等的共同支持。全文详见H. Liu, S. Niu , Y. Chen, W. Dai, Y. Liu, M. Shen, X. Guo, W. Qi, Y. Zhang, L. Li, Y. Jiang, Q. Wanga, J. Li*, Comparison of aerosol number size distribution and new particle formation in summer at alpine and urban regions in the Guanzhong Plain, Northwest China, 2024, 176601. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.176601原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969724067573?via%3Dihub图1. 华山山顶采样期间数浓度分布、风速、风向、温度、相对湿度、气压、降水、CO，SO2，O3和NH3浓度的时间序列。黑点表示粒子平均几何直径。图2. 西安(红色)和华山(蓝色)，及其白天(空心三角形)和夜间(实形三角形)，晴天(空心方形)和阴雨天(实形方形)的平均粒径分布。

2024-10-09

关中平原站揭示限制性资源决定了土壤微生物碳利用效率的全球模式

微生物碳利用效率（Microbial carbon use efficiency, CUE）是指微生物生物合成碳占微生物新陈代谢总碳的比例，是描述土壤微生物生理的重要参数，对于理解土壤碳储量和缓解气候变化具有重要意义。然而，调控CUE的关键因素仍然是未解之谜，使得理解土壤碳储量和预测其对全球变化因素的响应方面存在很大的不确定性。基于此，通过对全球自然生态系统表层土壤CUE的估算，并同时考虑其与温度、降水、植物源碳和土壤养分有效性的关系。研究发现：（1）CUE变化取决于特定气候带（即热带、温带、干旱和寒带）内这四种基本环境资源中限制性最强的资源。（2）较高的CUE常见于干旱和寒冷地区，与温度、水和植物源碳输入的限制相关；而较低的CUE则出现在热带和温带地区，与土壤中养分（如氮或磷）的普遍限制相关。不同气候带的资源限制形成鲜明对比，导致CUE随纬度升高而明显增加。CUE对特定资源的依赖性意味着，由于气候变暖和降水量增加会降低CUE，未来干旱和寒冷环境下的高纬度区域土壤有机碳损失风险较高。与此相反，低纬度地区的寡营养土壤有可能会增加有机碳的保留量，这是因为在人为养分输入的同时，CUE也会增加。这些发现强调了不同气候区内资源限制对CUE的关键作用，以及土壤有机碳的保留对全球变化的响应存在不对称性。上述成果发表在Advanced Science，博士后崔勇兴为论文第一作者，中国科学院地球环境研究所陈骥研究员为通讯作者。Yongxing Cui*, Junxi Hu, Shushi Peng, Manuel Delgado-Baquerizo, Daryl L. Moorhead, Robert L. Sinsabaugh, Xiaofeng Xu, Kevin M. Geyer, Linchuan Fang, Pete Smith, Josep Peñuelas, Yakov Kuzyakov, Ji Chen*. Limiting resources define the global pattern of soil microbial carbon use efficiency.Advanced Science. 2024, 2308176. https://doi.org/10.1002/advs.202308176图1 不同资源限制对不同气候区微生物碳利用效率（CUE）的影响

2024-08-27

关中平原站揭示不同来源甲醛对我国关中地区臭氧形成的影响

近年来我国大气颗粒物浓度持续下降，但近地表臭氧（O3）浓度有升高趋势，日益受到公众关注。研究表明甲醛（HCHO）对近地表O3形成有重要影响，是评估大气光化学反应过程和自由基的重要因子，探索其时空分布、人为和自然源贡献及光化学反应过程，可更好地理解近地表O3污染形成机制。中国科学院地球环境研究所气溶胶理化过程及环境效应团队在关中城市站点和背景区域同步开展大气气溶胶观测，整合多源数据，利用区域气象化学耦合模式WRF-Chem模拟区域典型O3污染事件，定量评估了关中区域人为源和生物源甲醛对O3的生成贡献。结果显示，关中大气HCHO浓度二次源占主导，午后达到峰值（86%），一次排放平均贡献14%。一次源HCHO显著影响臭氧生成，尤其是早高峰时段O3增加了7.7%，午后O3浓度增加了24.3%。此外，HCHO浓度峰值先于臭氧出现，并使其生成速率和浓度峰值延长保持1小时，进一步印证其重要作用。秦岭区域生物源挥发性有机物发生氧化（如生成HCHO等），通过远距离传输促进下风向城市区HO2自由基生成，平均贡献达40.1%（5.2 pptv），同时对城市区HCHO浓度贡献高达53.1%（3.1 μg m-3），继而与城市区高浓度NOx反应促进臭氧生成，其贡献量为20.5%（17.3 μg m-3）。研究表明控制工业和交通源NOx排放并加强区域联防联控对有效遏制臭氧污染加剧具有重要意义。上述成果近期发表于Science of the Total Environment国际学术期刊上。该工作得到中国科学院西部之光项目（XAB2021YN01）和陕西省青年基金（2022JQ-242）的支持。文章信息与链接：Dai W. T., Wang R. N., Zhong H. B., et al. 2024. Impact of formaldehyde on ozone formation in Central China: Important role of biogenic emission in forest region. Science of the Total Environment, 949,175182. doi:X 10.1016/j.scitotenv.2024.175182.https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175182图表摘要：

2024-08-23

关中平原站揭示液态水影响下冬季二次有机气溶胶生成机制的粒径分布特征

二次有机气溶胶(SOA)在颗粒物大气污染中起着重要作用，但其形成机理尚不完全清楚。颗粒物混合状态、吸湿性和酸性等特性对SOA生成影响显著，二气溶胶化学组成的粒径分布可以提供重要的信息来阐明大气气溶胶的形成和转化过程，例如新粒子的形成和生长，或光化学和水相反应。因此，分析气溶胶化学组成及来源的粒径分布特征有助于理解它们在大气中的形成机制。黄汝锦研究员团队通过对西安地区非难熔性细颗粒物(NR-PM2.5)粒径分布的测量，研究了冬季霾污染中无机离子变化对大气气溶胶吸水性和二次有机气溶胶(SOA)形成的潜在影响。与2013-2014年冬季相比，2018-2019年冬季无机气溶胶的组成变化显著，从硫酸盐主导转变为硝酸盐主导。在整个粒径范围内，硫酸盐和氯化物的含量降低，硝酸盐的含量增加，铵的含量主要在粒径较大时增加。这些变化导致了气溶胶吸水性的粒径依赖性演变特征。在大多数情况下，气溶胶吸水性的增强主要与硝酸盐和铵的贡献增加有关，在大粒径和高相对湿度下(RH > 70%)，增长最高可达5-35% 。相关结果强调了氯化物对气溶胶吸水性不可忽视的影响。机器学习结果进一步表明，从2013-2014年到2018-2019年，气溶胶水在影响 SOA 形成中的相对重要性增强。在2018-2019年冬季，气溶胶水对 SOA 的形成作出了重大贡献，特别是在较大的颗粒尺寸下。气溶胶水的 SHAP 值随着气溶胶水含量的增加而增加。这意味着在较大的粒径和较高的相对湿度下，大部分增强的气溶胶吸水性可能有助于有效的液相 SOA形成。这项研究突出了气溶胶水作为一种媒介，在联系无机物和有机物多相过程中的关键作用。上述研究结果强调液态水在二次有机气溶胶生成中的重要调节作用，该成果近期发表于Atmospheric Chemistry and Physics期刊上。该工作得到国家自然科学基金(NSFC41925015)，中国科学院项目(XDB40000000和ZDBS-LY-DQC001)，陕西省青年基金(2023-JC-QN-0319)和国家重点研发项目(2023YFC3705503)的支持。Duan, J., Huang, R.-J.*, Wang, Y., Xu, W., Zhong, H., Lin, C., Huang, W., Gu, Y., Ovadnevaite, J., Ceburnis, D., and O'Dowd, C.: Measurement report: Size-resolved secondary organic aerosol formation modulated by aerosol water uptake in wintertime haze, Atmos. Chem. Phys., 24, 7687–7698, https://doi.org/10.5194/acp-24-7687-2024, 2024.https://doi.org/10.5194/acp-24-7687-2024图1. 2013-2014和2018-2019西安冬季无机气溶胶吸湿性增长系数随粒径和湿度的变化情况图2. 2013-2014和2018-2019西安冬季各因素在SOA生成中的相对重要性分布

2024-07-26

关中平原站揭示秦岭南坡共生条件下油松与铁杉生长对气候响应的异同

森林作为地球上最重要的生态系统之一，在全球碳循环中扮演着重要角色，并被认为是减缓气候变化的优质碳汇。然而，在当前气候变化背景下，频发的极端干旱事件对全球森林生产力造成了显著的影响，如引发树木死亡和碳释放，这将从根本上削弱森林在减缓气候变暖中的作用，甚至加速气候变化。森林生态系统通常由多种植被构成，深入理解不同植被对气候变化及干旱事件响应的异同，对于制定有效的森林生长保护措施和我国双碳战略的实施具有重要意义。然而，相关问题的研究在作为中国重要分界带的秦岭地区却极为匮乏。秦岭是天然油松（Pinus tabulaeformis Carr.）分布的最南界，也是天然铁杉（Tsuga chinensis Pritz.）生长的最北界。中国科学院地球环境研究所极端气候事件及影响（EXCEIS）团队以秦岭南坡同一栖息地的油松和铁杉为研究对象，通过树木年轮学方法分别建立了油松和铁杉的树轮宽度（TRW）年表。分析结果表明，生长在同一栖息地的油松和铁杉的TRW都与温度呈正相关关系，然而，它们对降水和scPDSI（帕尔默干旱指数）的响应存在差异。油松TRW与月降水量和scPDSI主要呈负相关关系，而铁杉TRW与降水量主要呈正相关关系（图1），它们对水分条件响应的差异可能与两个针叶树种之间的物种偏好有关。器测时段的31年滑动相关分析（图2）和K-S检验分析结果表明，油松和铁杉TRW对关键气候因子的响应模式随着时间变化都发生了质的改变：油松TRW对前一年6月至9月平均最高气温的正响应随时间减弱变为无响应；尽管其对前一年7月至9月降水量的响应随时间变化仍呈显著负相关，但显著程度有所下降。相比之下，铁杉对前一年9月到当年6月降水量的敏感性随时间变化而增强。图1 油松（左）与铁杉（右）树轮宽度年表分别与气候因子的相关分析结果图2 油松（a）和铁杉（b）树轮宽度年表与关键气候因子的31年滑动相关系数P6-P9代表前一年6-9月；P9-C6代表前一年9月到当年6月。其他相似表达方式代表相似的含义针对树木生长对干旱事件的抵抗力（Rt）、恢复力（Rc）和弹性力（Rs）的研究表明，油松和铁杉的干旱响应模式较为一致（图3）。1933年的短暂干旱事件没有对油松和铁杉产生显著负面影响，然而，当面临1941–1944年的长期严重干旱事件时，这两个树种的TRW都出现了下降，可见干旱事件的持续时间和严重程度对抑制这两个物种的生长起着重要作用。尽管如此，油松相较于铁杉表现出更强的抗旱能力。图3 油松（左）和铁杉（右）标准年表分别对1933年和1941–1944年干旱事件的响应模式Rt代表抵抗力；Rc代表恢复力；Rs代表弹性力。因此，在未来气候持续变暖和干旱加剧的情景下，秦岭南坡的生态环境将更有利于油松生长，而对铁杉生长不利。这可能导致森林中物种组成的改变，具体体现为油松的比例可能会上升，铁杉的比例则可能下降。因此，森林管理策略应当更具针对性，特别是对于像铁杉这类抗旱性较弱的树种，需要在秦岭南坡采取更加积极的保护措施。这项研究成果已发表于国际学术期刊Global Ecology and Conservation上，中国科学院地球环境研究所谢梅博士研究生为第一作者，蔡秋芳研究员和刘禹研究员为共同通讯作者。该项工作得到陕西省自然科学基础研究项目（2024JC-ZDXM-17）、中国科学院战略重点研究项目（XDB40010300）、山东省基金（LSKJ202203300）、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（42361144712）、陕西省自然科学基础研究项目（2023-JC-QN-0307）、陕西关中平原区域生态环境变化与综合治理国家观测研究站和中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室（SKLLQG2323）等项目的联合资助。文章信息与链接：Mei Xie, Qiufang Cai*, Yu Liu*, Meng Ren, Qiuyue Zhou, Hanyu Zhang and Kebayier Meng. Assessing Climatic Response and Drought Resilience in Growth of Pinus tabulaeformis Carr. and Tsuga chinensis Pritz. on the Southern Slope of the Qinling Mountains, Global Ecology and Conservation, 2024,53, e02999.https://doi.org/10.1016/j.gecco.2024.e02999

2024-06-08

关中平原站在大气降水—水汽氢、氧同位素耦合研究方面取得新进展

降水氢氧同位素可灵敏的响应环境变化，并记载着水循环的整个历史信息，其稳定同位素的含量差异反映了其形成过程中水汽来源、交换及传输等物理特征，因此被作为水文气候示踪指标，广泛应用于古气候重建和水循环研究。近地表水汽是降水的重要组成部分之一，然而，目前对于近地表水汽和降水之间联系的认识还较为缺乏，这影响了我们利用水汽氢氧同位素对降水氢氧同位素及环境变化开展相关研究的讨论。借助于激光液态水/水汽同位素分析仪(Picarro L-2130i)，针对(1)黄土高原降水同位素云下蒸发问题和(2)降水同位素“温度效应”问题开展研究，取得以下最新研究进展。利用降水/水汽同位素同步耦合观测，我们发现云下蒸发是造成西安地区降水氢氧同位素组成改变的主要云下过程；而在降雪事件中，雪水氢氧同位素组成受云下蒸发作用较小(图1)。同时，通过对比两种定量计算云下蒸发强度的方法发现，两种方法均可以用于云下蒸发比例的计算，其中降水—水汽同位素耦合观测结果相较于以往传统的物理模型的方法，该方法还能够识别其他云下过程，如：雨滴的超饱和分馏。图1 西安降水/水汽同位素组成差值的ΔdΔδ图此外，研究团队通过2016-2018连续3年在西安同步观测降水和水汽同位素组成，结合Rayleigh分馏模型，判断了西安地区东亚夏季风和西风交替时间，确立了该地区降水同位素“温度效应”的适用条件(图2)。结果显示，东亚夏季风一般在5月底或6月初登陆西安，在10月初后撤，随后西风占主导；西安地区降水同位素在非季风时段具有更强的温度效应（r=0.54）；而在季风时段，温度效应较弱（r=0.16）；因此，研究者提出，温度效应在水汽来源复杂的黄土高原地区使用需遵循两个前提条件：1.水汽来源较为单一的时段；2.研究区具有较大的温度梯度。图2 2016-2018年西安水汽同位素、温度、湿度小时分辨率变化以上成果近期发表于国际期刊Atmospheric Chemistry and Physics和Journal of Hydrology。相关研究受到国家自然科学基金（42177903）和西部之光—“西部青年学者”（XAB2020YN01）项目的联合资助。文章详见：Xing, M., Liu, W.G.,* Hu, J., and Wang, Z. (2023). A set of methods to evaluate the below-cloud evaporation effect on local precipitation isotopic composition: a case study for Xi’an, China. Atmos. Chem. Phys., 23(16):9123–9136.Xing, M.,* Wang, Z., and Dong, J.B. (2023). The premise of temperature effect playing in regions with complex moisture sources – Evidence from high-resolution water vapor isotopes. J. Hydrol., 623:129827.文章链接：https://doi.org/10.5194/acp-23-9123-2023https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129827

2024-06-06