太阳辐射是地球表面能量交换的主要来源，它为植物光合作用提供能量，是影响陆地生态系统生产力、碳收支和水循环的重要因子。很多研究显示地球表面接收到的辐射正在逐渐减少，即全球变暗现象，这种现象与大气污染气体尤其是气溶胶浓度增加有关^{[1, 2]}。大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，不仅在全球气候变化中起着重要作用，也是区域大气灰霾污染的主要构成。据估计到2100年全球二次有机气溶胶颗粒含量将增加36%^[3]，中国大气中气溶胶光学厚度增加幅度将更大^[4]。近两年北方地区已出现了严重的雾霾^[5]，例如位于华北的石家庄2013年重度污染天数占39.8%，达标天数只占11.5%。大气气溶胶增加对人类健康和环境带来的危害已引起社会重视，而其对农业生产产生的直接影响也亟待研究。张喜英等研究发现，最近10年天气因素驱动的华北典型地点冬小麦产量比20世纪80年代低8%—10%，其中昼夜温差变小和日照时数降低是天气因素驱动的产量潜力降低的主要原因^[6]，而大气气溶胶浓度上升对这两个气象因素将产生不利影响。Roderick 和Farquhar认为在气溶胶增加幅度较大的中国，气溶胶对作物产量形成过程的影响应该特别关注^[7]。本文着重综述前人在作物生理生态响应方面的成果。

大气气溶胶对作物的影响主要有两个方面：通过影响辐射而间接影响作物生长和大气气溶胶沉降到叶片后直接影响作物结构和生理过程。

大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使到达地面的太阳辐射光谱变得极不规则。太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射(PAR)。PAR占太阳直接辐射的比例随太阳高度角的增加而增加，最高可达45%。而在散射辐射中，光合有效辐射的比例可达60%—70%之多，散射辐射增加可增加PAR在辐射中的比例，从而对作物光合作用有利。大气气溶胶可直接反射或者吸收太阳辐射，也会散射太阳辐射，气溶胶的存在在减少到达地面直接辐射的同时，也增加了散射辐射^[8]。气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)增加对太阳辐射中不同波段比如绿光、蓝光和红光光谱影响不同，当AOD从0.05增加到0.5时，散射的蓝光会增加83%；若AOD继续增加，绿光将会增加^[9]。植物光合作用主要利用的是蓝光(0.4—0.5 mm)，因此，当AOD增加到一定程度时，其散射辐射的增加可能更有利于植物光合作用，增加二氧化碳吸收固定。因此，越来越多的研究认为散射辐射增加有利于陆地生态系统碳净积累^{[10, 11]}。但当大气气溶胶浓度达到一定程度后散射辐射的增加不能弥补直接辐射减少带来的对作物影响时，将显著降低陆地生态系统的碳积累^{[12, 13, 14]}。

植物对散射辐射增加的响应也取决于植物种类、冠层结构、叶面积指数以及生长环境^[8]。Steiner和Chameides 发现在晴天里作物叶片容易受到光抑制，高浓度气溶胶遮阴作用能够降低叶片温度，减轻光抑制，从而使得光合与蒸腾都提高^[15]。但是也有一些研究认为散射辐射对光合能力的提高不足于弥补气溶胶或者云的遮阴作用带来的不利作用^[16]，这些结果表明对植物生长来说应该存在一个合适的散射辐射范围^[17]。一般认为叶面指数高的植物对散射辐射反应更为敏感，因为冠层越大，其截获的辐射就越多；而冠层以下接收到的辐射很少，因此散射辐射的增加使得更多的光合有效辐射被遮阴的叶片所吸收利用，从而增加了整个冠层的光合能力^[18]。比如Alton等^[19]研究发现在散射辐射下叶面积指数为2的针叶林光能利用率增加了6%，而叶面积指数为5.5的热带森林的光能利用率提高了33%。为分析散射与直射辐射对植物冠层光能利用率的影响,Gu等^[20]改进了冠层光合模型，认为冠层光响应曲线接近线性，而散射辐射不仅能够促进植被冠层的光能利用率，还能减缓植被冠层的光合达到饱和。这主要是因为散射光均匀性高于直射光，散射光能够均匀的分配到冠层叶片上^[21]。

不同植物对光照强度反应存在差异，一般C₄作物光饱和点较高^[22]，散射辐射增加可能不能弥补直接辐射减少带来的对作物生长的不利影响；而C₃作物的叶片在高光强或者高辐射下光合作用很容易达到饱和状态，散射辐射对C₃植物促进作用潜力可能会较大，但长期低辐射也会降低C₃作物如冬小麦的叶片光合效率和产量^[23]。相对较弱的光照条件有利于植物营养器官的生长，而强光照有利于作物果实和籽粒的生长，产品中的蛋白质、含糖量等都比较高，直接辐射的减少可能对农作物产品品质带来不利影响。因此大气气溶胶增加带来的直接辐射和散射辐射变化对作物的影响与作物类型、作物生长时期、大气气溶胶浓度有关，并可能对产品品质带来影响。

大气温室气体增加使全球面临温度升高带来的气候变化影响，而大气气溶胶浓度增加可增加太阳光的反射，具有降低白天大气温度的效应。很多学者提到的地球工程(Geo-engineering，也被称为人工气候改造)探讨释放大量粒子至大气层，为地球制造一层保护膜来降低地球温度，很多研究用不同的地球系统模型模拟气候工程实施可能对全球温度、降水和农业生产的影响，得到在二氧化碳倍增情况下降低辐射可降低白天高温胁迫对作物的影响，从而对一些作物产生有利作用^{[24, 25, 26]}。大气气溶胶虽然在白天对短波辐射的遮蔽作用大于长波辐射，但在夜间热量收支微弱情况下，气溶胶对长波辐射的遮蔽效应就显示出来，气溶胶的存在对大气低层起保温作用，使近地层昼夜温差变小^[27]。

气温日较差是重要的气候生态因子之一，对农业生产具有十分重要意义。近年来，很多研究利用模型模拟方法对昼夜温差变化对作物产量可能的影响进行模拟，不同作物和不同地点模拟结果不尽相同^{[28, 29, 30, 31]}。主要原因是由于光合作用和呼吸作用对温度的敏感性不同，昼夜温度变化会改变两个过程之间的平衡，从而对不同作物产生不同影响。Zhang 等^[6]利用华北30a定点冬小麦产量结果进行模拟分析，发现天气因素影响的冬小麦产量最近10年比20世纪80年代低9.2%，其中日照时数和昼夜温差降低是天气因素驱动的冬小麦产量降低的主要原因，Xiao等^[32]也得出相似结果。在华北夏玉米生长期间，在过去的40年间平均最低温度比平均最高温度增加的幅度高0.86 ℃，在这种升温趋势下，模型模拟结果也显示温度条件驱动的华北平原玉米产量将呈下降趋势^{[33, 34, 35]}。因此，大气气溶胶增加导致昼夜温差变小对华北冬小麦和夏玉米生产可能带来负面影响。

作物叶片光合作用与蒸腾作用是两个同时进行的气体交换过程，气孔作为气体交换的门户，其行为调节和控制着光合与蒸腾，光合与蒸腾两者一起决定着叶片水平上的水分利用效率^[36]。很多研究显示光合速率和蒸腾速率之间是非线性关系，当光合有效辐射在一定界限值以下时，光合速率和蒸腾速率均随着光合有效辐射的增加而增加；当光合有效辐射超过一定值时，蒸腾速率依然线性增加，而光合速率反而下降。因此，大气气溶胶在一定浓度范围内可能通过减少直接辐射量降低叶片的蒸腾速率，而不影响叶片的光合速率，从而提高了水分利用效率。Moffat等^[11]用模型模拟发现散射辐射对作物生产力的影响大于对潜热通量的影响，使生态系统水平上的水分利用效率得到了提高。

直接辐射降低也可以减少土壤蒸发，从而降低农田蒸散，利于农田水分利用效率的提高。特别是在缺水条件下,农田蒸散量的减少可弥补光合速率降低带来的对作物不利影响，最终对作物产量是正效应^[18]。但在充分供水条件下，当大气气溶胶浓度达到一定程度，直接辐射降低对光合作用的影响不能被散射辐射的增加所弥补，叶片光合速率将随着辐射降低而降低。在这种情况下，大气气溶胶存在虽然可降低农田耗水，但对作物生长将产生不利影响。另外，叶片水平水分利用效率的提高并不意味着最终农田水分利用效率的提高，提高单位耗水生产的经济产量是农业高效用水的目标，很多研究显示产量水平的水分利用效率和叶片水平的水分利用效率以及生物量水平的水分利用效率之间没有必然联系^{[37, 38]}，因为产量水平的水分利用效率除了和作物整个生育期积累的生物量有关外，还与干物质在各个器官的分配关系密切^{[39, 40]}。因此，大气气溶胶浓度变化对直接辐射和散射辐射的影响将影响叶片蒸腾和光合速率的相关关系，也影响作物的营养和生殖生长过程，从而对作物叶片和最终产量水平的水分利用效率产生影响。

干沉降指的是大气气溶胶直接沉降到地表。Bergin等^[41]研究认为，大气污染物中非水溶性颗粒停留在叶片表面，会阻挡光合有效辐射到达叶片的量，从而降低叶片光合速率。大气中的有机污染物可能直接进入植物体而对人类健康产生危害^[42]。研究发现中国长江区域2个月时间内叶片上积聚的非水溶性颗粒可减少叶片获得的35%的光合有效辐射量^[41]。很多研究发现灰尘覆盖处理后多种C₃和C₄植物的净光合速率、气孔导度和瞬时光合效率均有明显的下降^{[43, 44, 45]}。由于对红外辐射较高的吸收率，灰尘处理的植株叶片光合部位温度高于对照2—3 ℃，灰尘覆盖处理的植株叶片对于光合有效辐射的反射率明显高于对照，严重灰尘处理通过抑制光合作用而抑制植物生长，植物叶面积明显下降^{[46, 47]}。

Burkhardt等^[48]一直关注气溶胶与叶片的相互作用，2010年提出“hydraulic activation of stomata”(HAS)概念。认为叶片表面腊层的疏水性能够保证外部的液滴不进入叶片内部，但是叶片表面的气溶胶盐分通过吸收叶片蒸腾水分，形成一层极薄水分子层与质外体溶液连为一体，使叶片保水性下降，在反复干燥与吸湿过程中出现“毛细管作用”而加速蒸腾，降低植物抗旱性。Burkhardt等^[49]也发现沉降物中的盐分使叶片表面蜡质层退化，使树木耐旱性降低。Rai等^[50]的研究发现大气污染物对很多作物的叶片结构和功能产生了影响，他们把10种植物的叶片连续60 d进行尘埃处理，发现叶片生长速率、叶片表皮细胞和气孔大小都受到影响，叶片表皮也受到破坏，从而对整个植物生长产生负作用。灰尘提高了细胞膜透性和叶片温度，降低叶片的PAR吸收并且阻塞毛孔，以上现象导致氧化胁迫的出现，从而降低了叶片过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性^{[46, 51]}。因此，大气气溶胶在叶片形成的干沉降对作物的直接影响也需要关注。

综上所述，大气气溶胶对作物影响与大气气溶胶浓度与构成、作物类型、作物生长环境等密切相关。大气气溶胶增加对作物有利有弊，然而以前的研究较多的关注其中的一个方面，模型模拟研究较多，直接田间试验较少，难以明白气溶胶对作物影响的机制。特别是针对国内雾霾严重且粮食主产区例如华北地区冬小麦和玉米的田间系统研究报道较少。虽然近10年来全国粮食实现了10连增，但是将来粮食能否继续增产，增产的可能性与雾霾的严重性是矛盾的还是统一的？这些问题值得深入探讨。面对近年来空气气溶胶浓度增加、污染加重、持续时间长的现状，亟需全面系统地研究作物对大气气溶胶浓度增加的响应机制及其对作物产量形成过程的影响。

(1) 气溶胶吸收和反射带来的辐射光谱构成和光照强度改变如何影响作物叶片光合、蒸腾速率以及呼吸速率？ 气溶胶对不同波段光谱的反射和散射程度不一致，可能会影响到作物光合需要的能量，影响作物有机物质的合成；同时能量改变带来叶片或者冠层温度的改变也会影响作物蒸腾速率。三者之间的相互关系影响最终的有机质的积累和水分的利用效率。大气气溶胶在夜间使近地层温度升高和降低白天温度引起的昼夜温差缩小对干物质积累、分配和呼吸消耗可能也会产生影响。所以需要系统研究大气气溶胶对作物叶片的生理响应以及干物质积累过程。

(2)尘埃颗粒物在作物叶片上的干沉降对叶片结构和功能产生了怎样的影响？除了气溶胶的间接作用外，气溶胶沉降到叶片后引起叶片结构和生理的反应也需要研究。比如气溶胶不同成分对作物叶片的影响可能不同，其直接沉降到叶片后可能导致叶片气孔堵塞，也可能出现“毛细管作用”而利于蒸腾作用。除了气孔行为外，叶片内部的结构以及生理过程如何变化都需要详细的研究。

(3)整体评价大气气溶胶增加的散射辐射能否弥补直接辐射减少对作物产量影响，气溶胶的直接作用和间接作用的最终结果是产量增加还是减少都值得深入探讨。不同地区粮食作物对气溶胶增加的响应机制有可能不同，所以需要评价不同地区气溶胶对作物产量的影响。尤其是全国粮食主产区，比如华北地区严重缺水，大气气溶胶带来的农田能量平衡改变如何影响作物蒸腾与耗水过程、农田水分平衡和作物水分利用效率值得关注。

(4)田间试验与模型模拟的结合研究。提高作物产量就是缩小实际产量与潜力产量间的差距，那么在雾霾条件下作物产量潜力是否受到气溶胶的影响？目前模型估算的产量潜力没有考虑气溶胶带来的辐射变化，尤其是散射辐射增加带来有利作用，所以结果可能导致模型估算的产量潜力偏低。反过来，在不受气溶胶影响下作物产量潜力是否会增加？所以需要开展相应的田间试验研究，并结合模型进一步分析作物增产的可能性。