你知道嗎？樹(shù)木不僅會(huì)呼吸，還會(huì)根據(jù)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)呼吸強(qiáng)度。
近日，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副教授王焓團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞、英國(guó)、美國(guó)等多國(guó)科研人員，首次提出了基于生態(tài)進(jìn)化最優(yōu)性原則的理論模型，解釋和預(yù)測(cè)了樹(shù)干呼吸的熱適應(yīng)性，同時(shí)構(gòu)建了全球植物樹(shù)干呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)。相關(guān)研究證實(shí)了樹(shù)干呼吸存在普遍的熱適應(yīng)現(xiàn)象。相關(guān)成果近期在《科學(xué)》期刊在線(xiàn)發(fā)表。
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，對(duì)緩解氣候變化具有重大意義。
傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，溫度升高會(huì)顯著增強(qiáng)樹(shù)木呼吸作用，從而加劇氣候變暖。然而，近年來(lái)的研究表明，植物可通過(guò)熱適應(yīng)機(jī)制減弱呼吸作用對(duì)升溫的響應(yīng)
盡管葉片和根系的熱適應(yīng)已有較多研究，但樹(shù)干是否存在類(lèi)似的熱適應(yīng)現(xiàn)象？其背后的生理調(diào)節(jié)機(jī)制是什么？這種適應(yīng)如何影響長(zhǎng)期氣候變暖背景下的全球碳循環(huán)？這些問(wèn)題的解答對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化至關(guān)重要
近年來(lái)，王焓團(tuán)隊(duì)基于生態(tài)進(jìn)化最優(yōu)性原則，將樹(shù)干呼吸與葉片水分供應(yīng)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，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)空變異的全新理論模型。在該理論中，樹(shù)干呼吸速率應(yīng)與蒸騰速率呈正比并受水分粘滯阻力的影響，從而確保植物碳利用效率的最大化。
基于該理論模型，研究團(tuán)隊(duì)得出了關(guān)于樹(shù)干呼吸熱敏感性的關(guān)鍵預(yù)測(cè)，即環(huán)境溫度每升高1攝氏度，單位質(zhì)量的基礎(chǔ)呼吸速率下降約10.1%，生長(zhǎng)溫度下的呼吸速率下降約2.3%。
為進(jìn)一步驗(yàn)證理論，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全球樹(shù)干呼吸數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了全球各氣候區(qū)68個(gè)野外站點(diǎn)、187個(gè)物種的8782組觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及一項(xiàng)升溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，在全球的空間溫度梯度上，參考溫度和生長(zhǎng)溫度下，單位質(zhì)量樹(shù)干呼吸速率的熱敏感性分別為-9.8±0.3%K-1和-1.5±0.3%K-1，該結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值高度吻合，有力證實(shí)了理論模型的可靠性。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)季節(jié)性觀(guān)測(cè)和溫室增溫實(shí)驗(yàn)，在個(gè)體尺度驗(yàn)證了樹(shù)干呼吸的熱適應(yīng)現(xiàn)象。具體而言，基于季節(jié)性數(shù)據(jù)的偏殘差分析表明，基礎(chǔ)呼吸速率的熱敏感性為-10.6±0.5%K-1，響應(yīng)蒸騰速率的敏感性為103.8±1.8%
此外，在5項(xiàng)樹(shù)種幼苗的增溫實(shí)驗(yàn)中，處理一周后基礎(chǔ)呼吸速率降幅約在10.6±1.6%K-1。所有實(shí)測(cè)結(jié)果均與理論預(yù)測(cè)值高度一致
基于理論與觀(guān)測(cè)的一致性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步評(píng)估了樹(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)干呼吸年碳排放量達(dá)27.4±5.9 PgC，相當(dāng)于人為排放的2～3倍。應(yīng)用于SSP126和SSP585的未來(lái)氣候變化情景分析，在考慮熱適應(yīng)的機(jī)制下，至2100年，樹(shù)干呼吸預(yù)測(cè)值將分別降低24%和46%
研究表明，現(xiàn)有地球系統(tǒng)模型因忽略樹(shù)干呼吸熱適應(yīng)機(jī)制，可能顯著高估氣候—碳正反饋效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為修正全球碳預(yù)算和氣候預(yù)測(cè)提供了關(guān)鍵理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。
下一步，研究團(tuán)隊(duì)將深入探究土壤水、二氧化碳濃度等環(huán)境因子及植物水力特征等內(nèi)在因素的影響，闡明樹(shù)干呼吸熱適應(yīng)的具體機(jī)制，并將生態(tài)進(jìn)化最優(yōu)性理論框架及樹(shù)干呼吸的熱適應(yīng)特性整合到地球系統(tǒng)模型中。這些工作將顯著提升全球碳循環(huán)動(dòng)態(tài)模擬的準(zhǔn)確性助力氣候治理決策。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adr9978
編輯：李華山
