![]( "undefined")
第一时间获取气象科研资讯
『气象学家』公众号交流群
加入
『气象学家』公众号交流群
国防科大与南信大最新合作Nature Geoscience：清洁空气行动实施促进了我国陆地生产力的恢复
利用自主研发的动态植被模式，结合多个气候耦合模式、卫星遥感数据和机器学习算法模型，系统探讨了2014至2020年间，CAA计划带来的气溶胶和O3变化对我国生长季（5月至9月）陆地净初级生产力（NPP）的综合影响。
Zhou, H., Yue, X., Dai, H. et al. Recovery of ecosystem productivity in China due to the Clean Air Action plan. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01586-zIF: 15.7 Q1
研究背景：
近年来，中国空气污染问题日趋严重。为改善空气质量，中国政府自2013年起实施了一项为期5年的清洁空气行动（Clean Air Action，简称CAA）计划。与2013年相比，到2017年，这项措施使空气中细颗粒物气溶胶（PM2.5）浓度降低了约30%，从而减少了与PM2.5相关的死亡人数约37万人。然而，在2013年至2020年间，地表臭氧（O3）浓度以每年1.9 ppbv的速率增长，部分抵消了PM2.5浓度下降带来的健康收益。因此，自2018年起，中国政府推出了更严格的减排措施（即蓝天保卫战），以期同时减少区域PM2.5和O3污染。
除了危害人体健康，我国较高的空气污染水平也对生态系统功能产生重要影响。一方面，地表O3具有很强的氧化性，能损伤植物叶片并削弱光合作用。另一方面，气溶胶（尤其是PM2.5）会阻挡太阳辐射并改变光线方向，影响植物的光合作用。其中，散射性气溶胶（如硫酸盐、硝酸盐）通过增强散射光可以部分抵消辐射减少的影响，而吸收性气溶胶（如黑碳）则会大幅削弱散射光和直射光，从而抑制植物光合作用。此外，气溶胶还会导致地表温度降低，对不同纬度植物的生理活动产生不同影响。在热带和亚热带地区，生长季气温通常高于植物光合作用的最佳温度（约25ºC），因此气溶胶带来的降温反而有助于光合作用；而在高纬地区，由于气温通常低于最佳温度，气溶胶降温对光合作用则不利。最后，气溶胶还会通过直接或间接的气候效应减少降水，抑制干旱和半干旱地区植物的光合作用。目前，关于中国空气污染对陆地生态系统的影响研究较少，CAA计划实施以来污染物减少对陆地碳吸收能力的具体影响尚不明确。
针对上述科学问题，本研究利用自主研发的动态植被模式，结合多个气候耦合模式、卫星遥感数据和机器学习算法模型，系统探讨了2014至2020年间，CAA计划带来的气溶胶和O3变化对我国生长季（5月至9月）陆地净初级生产力（NPP）的综合影响。本研究已于2024年11月15日以 “Recovery of ecosystem productivity in China by the Clean Air Action plan”为题（https://doi.org/10.1038/s41561-024-01586-z），在线发表在国际顶级地球科学期刊《Nature Geoscience》上。
研究方法：
本研究综合运用了多源观测数据、多套数值模式和机器学习算法模型。观测数据包括地基1500多个站点的PM2.5和O3浓度、卫星遥感获取的气溶胶光学厚度和陆地生产力数据，以及气象再分析资料等，这些数据用于验证数值模式和训练机器学习模型。数值模式方面，研究主要使用了大气化学传输模式GEOS-Chem、柱状辐射传输模式CRM和动态植被模式iMAPLE。机器学习算法包括随机森林（RF）和极端梯度提升（XGB）模型。
首先，研究使用GEOS-Chem模拟气溶胶与O3的时空变化特征。然后，通过CRM模式与气候模式的结合，模拟气溶胶对地表辐射和气象场的影响。最后，利用iMAPLE模式量化气溶胶和O3对陆地生产力NPP的综合影响及独立贡献。具体来说，GEOS-Chem进行2组敏感性试验，区分CAA实施与不实施情况下气溶胶和O3浓度的变化；CRM进行17组敏感性试验，评估不同气溶胶成分对地表辐射的影响；iMAPLE进行34组敏感性试验，分析气溶胶辐射效应、气候效应，以及臭氧植被损伤对NPP的分别影响。研究还构建了机器学习模型，模拟CAA对陆地NPP的影响，与数值模式结果进行交叉验证。
主要发现：
研究结果表明，在CAA计划实施期间，我国平均气溶胶光学厚度呈逐年减少趋势，变化率为 -0.05 yr-1，尤其是在华北平原和四川盆地等地区。就气溶胶成分而言，硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶的浓度逐年减少，而有机碳则略微增加。同时，地面O3浓度的变化表现出明显的区域性和阶段性特征。具体来看，2014至2017年期间，地面O3浓度呈现增长趋势，但在2018至2020年间则开始减少。从区域分布来看，CAA计划实施导致的地面O3浓度增长主要集中在人为排放较大的城市区域，如华北平原和四川盆地等；而地面O3浓度的降低则主要发生在中国南方，尤其是非城市地区。
基于数值模式的模拟结果（见图1），CAA计划导致的气溶胶和地面O3的缓解，能够促进全国NPP增加约26.3±27.9 Tg C yr-1。其中，气溶胶减少对NPP的增益为20.1±10.9 Tg C yr-1，主要是由于黑碳气溶胶减少提高了光可用性，且气溶胶气候效应减弱带来了降水量的增加。随着时间的推移，地面O3浓度的减少对NPP的促进作用变得愈发显著，并在2020年超过了气溶胶减少带来的效益，推动NPP实现了较强的恢复。同时，两种机器学习算法模型计算的NPP恢复效果相当，分别为42.8±26.8和43.4±30.1 Tg C yr-1。这进一步验证了CAA计划实施对我国陆地生态系统生产力恢复的积极影响。
图1：清洁空气行动计划不同阶段，气溶胶和臭氧浓度变化对陆地生产力的影响机制
研究意义：
已有研究表明，三北防护林、退耕还林等生态工程显著提高了中国陆地的碳储量。1980-2019年间，持续增加的人工林使中国陆地碳汇恢复约44%。本研究基于包含人工林增加的最新土地覆盖数据，并结合动态植被模式，发现CAA计划带来的空气污染缓解，促使NPP的增长幅度甚至大于植树造林的影响（见图2）。这一结果得到了机器学习算法模型的证实，凸显了严格空气污染治理对生态系统健康和区域碳吸收的显著效益。若假设增长的NPP中25%转化为陆地碳汇，那么CAA带来的短期大气污染物减少，可能已使区域碳汇增加了6.6-10.9 Tg C yr-1，占中国陆地总碳汇的2.5-5.7%。
图2：清洁空气行动计划（CAA）和土地利用变化（LCC）在不同阶段对中国NPP促进作用的对比。结果分别由数值模式（PBM）和机器学习模型（XGB、RF）得到
目前，气溶胶减少对NPP的恢复潜力已得到有效释放，未来更应关注对O3污染的控制。研究发现，在CAA第二阶段（2018-2020），对挥发性有机物和氮氧化物排放的协同控制，有效缓解了地面O3污染，从而显著提升了NPP的恢复量。若地面O3浓度保持当前下降趋势，未来十年将可再降低约5.5 ppbv，预计使我国NPP进一步增加94 Tg C yr-1。本研究证实了PM2.5和O3污染控制对我国陆地生态系统的显著碳收益，揭示了中国空气污染治理在保护公众健康和实现“碳中和”目标方面的协同效益。
作者团队和研究项目简介：
本研究由国内外多个科研团队合作完成，国防科技大学气象海洋学院讲师周浩为第一作者，南京信息工程大学环境科学与工程学院的乐旭教授为论文通讯作者，南京信息工程大学环境科学与工程学院的廖宏教授对本研究工作进行了全面指导。合作者还包括北京大学、清华大学、中国科学院大气物理研究所、密歇根州立大学的相关专家。该研究项目得到了国家自然科学基金重大项目和面上项目，以及国防科技大学青年自主创新基金的资助。
来源：课题组供稿
