清華新聞網(wǎng)6月3日電 樹(shù)干呼吸釋放的二氧化碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放的重要來(lái)源之一。傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，溫度升高將急劇增強(qiáng)呼吸作用進(jìn)而加劇氣候變暖。然而，近年來(lái)的研究表明，植物可通過(guò)熱適應(yīng)機(jī)制（thermal acclimation）來(lái)減弱呼吸作用對(duì)升溫的響應(yīng)。目前，葉片和根系組織的呼吸熱適應(yīng)已得到較多關(guān)注，但樹(shù)干是否也存在呼吸熱適應(yīng)現(xiàn)象？其驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制是什么？這種熱適應(yīng)將對(duì)長(zhǎng)期升溫背景下的全球碳循環(huán)產(chǎn)生怎樣的影響？學(xué)界對(duì)這些問(wèn)題始終缺乏系統(tǒng)研究。
清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系王焓副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞、英國(guó)、美國(guó)等多國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了全球植物樹(shù)干呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)，證實(shí)了樹(shù)干呼吸存在普遍的熱適應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)生態(tài)演化最優(yōu)性原理，研究首次獨(dú)立預(yù)測(cè)出樹(shù)干呼吸適應(yīng)升溫的熱敏感性，并提出了水分粘滯阻力和蒸騰速率驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)全球樹(shù)干呼吸時(shí)空變異的新理論。研究發(fā)現(xiàn)，到2100年，樹(shù)干呼吸熱適應(yīng)有望降低陸地生態(tài)系統(tǒng)24%～46%的碳排放，這對(duì)于緩解氣候-碳反饋有著極為關(guān)鍵的意義。
相關(guān)研究成果以“樹(shù)干呼吸熱適應(yīng)表明氣候-碳反饋?zhàn)饔玫臏p弱”（Thermal acclimation of stem respiration implies a weaker carbon-climate feedback）為題，于5月29日在線(xiàn)發(fā)表于《科學(xué)》（Science）。
研究創(chuàng)新性地將植物水力傳輸與生態(tài)演化最優(yōu)性原理結(jié)合，假設(shè)樹(shù)干呼吸用以維持冠層蒸騰所需的水力連續(xù)性，其速率應(yīng)與蒸騰速率呈正比并受到水分粘滯阻力的影響，從而實(shí)現(xiàn)水分利用效率的最大化。綜合考慮溫度對(duì)木質(zhì)部水分粘滯阻力、呼吸酶活性等多重因素的協(xié)同影響，該理論得出了兩個(gè)關(guān)鍵預(yù)測(cè)：第一，溫度每升高1?C，單位質(zhì)量的基礎(chǔ)呼吸速率（在參考溫度25?C下測(cè)量的呼吸速率，rs25）下降約10.1%，生長(zhǎng)溫度下的呼吸速率（rs.gt）下降約2.3%；第二，冠層蒸騰對(duì)單位質(zhì)量呼吸速率的影響主要體現(xiàn)在季節(jié)動(dòng)態(tài)，而非空間格局。
為了驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含68個(gè)野外站點(diǎn)、187個(gè)物種的8782條觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以及一組升溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全球樹(shù)干呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)。觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，在全球的空間溫度梯度上，基礎(chǔ)呼吸速率（rs25）的熱敏感性為–9.8±0.3 %K–1，生長(zhǎng)溫度下的呼吸速率（rs.gt）的熱敏感性為–1.5±0.3 %K–1，均非常接近理論預(yù)測(cè)（圖1）。
圖1.參考溫度和生長(zhǎng)溫度下單位質(zhì)量樹(shù)干呼吸速率（rs25，rs.gt）沿溫度（Tg，日均溫高于5?C的生長(zhǎng)季平均溫度）梯度的變化。注：紅色直線(xiàn)為理論預(yù)測(cè)結(jié)果，其他直線(xiàn)為觀(guān)測(cè)擬合結(jié)果，呼吸數(shù)據(jù)取自然對(duì)數(shù)
研究還通過(guò)季節(jié)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和溫室增溫實(shí)驗(yàn)，在個(gè)體尺度證實(shí)了樹(shù)干呼吸的熱適應(yīng)，并驗(yàn)證了理論模型的可靠性?；诩竟?jié)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的偏殘差分析顯示，基礎(chǔ)呼吸速率（rs25）的熱敏感性為–10.6±0.5% K–1，響應(yīng)蒸騰速率的敏感性為103.8±1.8%（圖2），均與理論預(yù)測(cè)一致。此外，在對(duì)五個(gè)樹(shù)種的幼苗開(kāi)展的增溫實(shí)驗(yàn)中，升溫處理一周后rs25降幅約在10.6±1.6% K–1（圖3），也與理論預(yù)測(cè)一致。
圖2.基于季節(jié)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的樹(shù)干呼吸與溫度及蒸騰速率的偏殘差圖（其他變量保持恒定）。注：紅色直線(xiàn)為理論預(yù)測(cè)結(jié)果，其他直線(xiàn)為觀(guān)測(cè)擬合結(jié)果，呼吸數(shù)據(jù)和蒸騰數(shù)據(jù)均取自然對(duì)數(shù)
圖3.增溫實(shí)驗(yàn)中樹(shù)干呼吸隨生長(zhǎng)溫度的變化。注：紅色直線(xiàn)為理論預(yù)測(cè)結(jié)果，其他直線(xiàn)為觀(guān)測(cè)擬合結(jié)果，呼吸數(shù)據(jù)取自然對(duì)數(shù)
研究進(jìn)一步量化了樹(shù)干呼吸熱適應(yīng)對(duì)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)前全球樹(shù)干呼吸的年總碳排放量約為27.4±5.9 PgC，相當(dāng)于人類(lèi)活動(dòng)年排放量的2～3倍（圖4A）。在SSP126和SSP585的未來(lái)氣候情景下，考慮熱適應(yīng)機(jī)制，可使2100年的樹(shù)干呼吸預(yù)測(cè)值分別降低24%和46%（圖4B）。現(xiàn)有的地球系統(tǒng)模型未考慮樹(shù)干熱適應(yīng)過(guò)程或采用葉片呼吸的熱敏感性，可能夸大了對(duì)未來(lái)氣候-碳正反饋的預(yù)測(cè)。本研究為修正地球系統(tǒng)模式對(duì)樹(shù)干呼吸的刻畫(huà)提供了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。
圖4.在當(dāng)前條件和未來(lái)情景下的全球樹(shù)干呼吸模擬和預(yù)測(cè)
清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系2022級(jí)博士生張瀚為論文第一作者，王焓副教授為論文通訊作者。來(lái)自西悉尼大學(xué)、雷丁大學(xué)、帝國(guó)理工學(xué)院、?？巳卮髮W(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等單位的合作者參與了這項(xiàng)研究。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃及施密特科學(xué)研究基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9978
供稿：地學(xué)系
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
