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昼夜不对称增温对长白山阔叶红松林碳汇能力的影响

李伟斌, 张红霞, 张玉书, 陈妮娜

植物生态学报 2023, 47 (9): 1225-1233. DOI: 10.17521/cjpe.2022.0478

摘要（587）

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过去50年的气温数据表明全球陆地表面在夜间比白天变暖更快, 然而以往的研究大多关注全天对等增温的影响, 对昼夜不对称增温效应的认识不足。该研究利用光合增益和水力成本优化模型分析了两种增温情景(昼夜等幅升温和昼夜不等幅升温)对长白山阔叶红松林植被动态的影响。结果表明: 光合增益和水力成本优化模型可以很好地模拟长白山阔叶红树林的碳收支状态(R² = 0.67, p < 0.001)。增温普遍促进了长白山阔叶红树林的碳汇(11.2%-13.8%), 但未显著改变其水分利用效率; 而不同增温情景对年固碳量的促进作用并无显著差异。与此同时, 增温增加了森林植被的水分压力, 从而增加了植物的导水率损失百分数(水力脆弱性, 1.1%)。由此可见, 相比于当前气候条件, 所有增温情景均会提高森林的碳汇能力, 但同时也会加大森林的死亡风险, 进而降低森林碳汇潜力。

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图4 2003-2010年长白山阔叶红松林与当前情景相比不同增温情景下模拟CO₂通量与模拟导水率损失百分比(PLC)变化率之间的关系。

正文中引用本图/表的段落

将2003-2010年的自然气候条件作为当前条件, 与上述两种增温模式进行对比分析。其中, 验证模型在研究区的适用性时, 首先将模型输出的小时尺度数据求平均转换为日尺度数据。光合通量和导水率损失百分比的变化率即为不同增温模式的光合通量/导水率损失百分比与当前条件下的差值。此外, 以净光合速率和水分利用效率的日、年值为样本, 采用t检验分析不同时间尺度上、不同增温情景间的统计学差异。所有数据分析和作图均在R 4.2.1中完成。

虽然气候变暖能够促进植物的光合固碳量, 但同时也增加了其水力压力, 从而提高森林树木的死亡风险。基于此, 以当前气候条件为基准, 分析了不同增温情景对长白山阔叶红松林平均光合固碳能力及水力脆弱性的影响(图4)。结果表明, 昼夜不等幅升温和昼夜等幅升温同时提高了光合固碳能力和木质部导水率损失百分比, 木质部导水率损失百分比分别增高了1.1%和1.1%。其中, 木质部导水率损失百分比的增高意味着树木因栓塞死亡的风险增高。

虽然增温能够增加长白山阔叶红松林当前的固碳能力, 但同时也会因为高温及其引发的干旱增加森林树木的死亡风险(Anderegg et al., 2013, 2015; McDowell et al., 2020, 2022)。森林树木一旦发生死亡, 对于未来固碳的损失是非常严重且不可恢复的(McDowell et al., 2020)。目前, 关于多年生树木死亡的生理学机制主要包括碳饥饿假说(植物体内可利用碳的耗竭)和水力学失败假说(导管栓塞阻碍植物体内水分的运输, 使植物因组织脱水而死亡) (McDowell et al., 2008; Anderegg et al., 2016; Adams et al., 2017), 并已应用于森林死亡率的模拟研究(Liu et al., 2017; Li et al., 2022)。本研究从碳饥饿(光合碳固定)和水力学失败(导水率损失百分比)两方面分析了不同增温情景对长白山阔叶红松林死亡风险的影响, 结果表明增温后因光合作用的提高降低了碳饥饿发生的可能性, 但普遍增加了水力学失败发生的风险(图4), 这与之前关于干旱和全球变暖引起森林死亡机制的研究结果(Anderegg et al., 2016; Adams et al., 2017)相一致。虽然不同增温情景之间水力学失败发生的风险并无显著差异, 但可以肯定的是未来气候变暖将不利于森林生态系统长期固碳的稳定性。

1)植物参数中两个值分别为红松和阔叶树种参数. ...

Increasing atmospheric humidity and CO₂ concentration alleviate forest mortality risk

2017

... 虽然增温能够增加长白山阔叶红松林当前的固碳能力, 但同时也会因为高温及其引发的干旱增加森林树木的死亡风险(Anderegg et al., 2013, 2015; McDowell et al., 2020, 2022).森林树木一旦发生死亡, 对于未来固碳的损失是非常严重且不可恢复的(McDowell et al., 2020).目前, 关于多年生树木死亡的生理学机制主要包括碳饥饿假说(植物体内可利用碳的耗竭)和水力学失败假说(导管栓塞阻碍植物体内水分的运输, 使植物因组织脱水而死亡) (McDowell et al., 2008; Anderegg et al., 2016; Adams et al., 2017), 并已应用于森林死亡率的模拟研究(Liu et al., 2017; Li et al., 2022).本研究从碳饥饿(光合碳固定)和水力学失败(导水率损失百分比)两方面分析了不同增温情景对长白山阔叶红松林死亡风险的影响, 结果表明增温后因光合作用的提高降低了碳饥饿发生的可能性, 但普遍增加了水力学失败发生的风险(图4), 这与之前关于干旱和全球变暖引起森林死亡机制的研究结果(Anderegg et al., 2016; Adams et al., 2017)相一致.虽然不同增温情景之间水力学失败发生的风险并无显著差异, 但可以肯定的是未来气候变暖将不利于森林生态系统长期固碳的稳定性. ...

植物水分调节对策: 等水与非等水行为

2017

... 按照研究区不同树种分布比例对模型结果加权平均后得到研究区的净光合速率(固碳速率)、蒸腾速率和木质部导水率损失百分比.然后通过求平均值将上述结果从小时转化为日尺度, 并在此基础上将净光合速率与蒸腾速率的比值定义为水分利用效率(罗丹丹等, 2017).最后再利用模型模拟得到的净光合速率与通量NPP进行比较, 以验证模拟结果的可靠性. ...

植物水分调节对策: 等水与非等水行为

2017

Darcy’s law predicts widespread forest mortality under climate warming

2015

... 已有的增温模拟实验和模型结果均表明全球变暖能够通过促进光合作用而提高生态系统的碳固定量(Bai et al., 2013; Liang et al., 2013; Zhang et al., 2015; Du et al., 2020; Li et al., 2022), 然而, 这些研究并未考虑昼夜增温速率差异的影响.作为影响陆地生态系统碳汇能力的关键因素, 越来越多的研究开始关注昼夜不对称增温的影响(Wan et al., 2009; Peng et al., 2013; Tan et al., 2015; 赵杰等, 2018).例如, Peng等(2013)结合遥感数据和大气反演模型系统地分析了1982-2009年期间的昼夜不对称增温对北半球陆地生态系统碳汇通量的影响, 结果表明白天增温能够促进寒、温带湿润地区植被的生长, 但不利于温带干旱和半干旱(水分条件较差)地区植被的生长, 而夜间增温对植被生长的影响正好相反.同样, 赵杰等(2018)利用遥感数据在中国温带地区的研究发现植被活动对白天增温的响应比夜间增温更大, 且多为正向反应, 然而这种响应具有较大的季节异质性(Tan et al., 2015).此类研究仅关注了历史时期的昼夜不同速增温对植被动态的影响, 并未涉及不同增温情景影响的差异, 以及这种增温效应对植被后期生长、生存的影响.未来气候变暖持续加快, 将进一步加大昼夜增温幅度的差异, 温度的升高将引起饱和水汽压差(VPD)指数式的上升, 增加植物的水分压力(Grossiord et al., 2020), 尤其是在气孔导度相对较高的白天, 引起植被生长的停滞, 甚至死亡(McDowell & Allen, 2015; Hartmann et al., 2022; Gong & Hao, 2023), 进而改变未来陆地植被的分布及碳汇能力.因此, 探讨不对称增温对植被碳汇能力及植被对新环境适应能力的影响, 可提高对未来气候变化情景下陆地生态系统碳汇预测的准确性(Xia et al., 2014; 朱军涛和郑家禾, 2022). ...

Pervasive shifts in forest dynamics in a changing world

2020

... 全球气候变暖已成为不争的事实, 从1850- 1900年到2006-2015年全球平均陆地表面气温上升了1.53 ℃ (IPCC, 2019).而且, 越来越多的研究结果表明全球陆地变暖速率存在较大的昼夜差异, 已有的数据表明过去50年来全球陆地系统夜间温度的上升速率是白天的1.4倍(Vose et al., 2005; Das et al., 2011; IPCC, 2019).由于植物生理过程的昼夜差异(如白天以光合碳吸收为主, 而呼吸碳消耗贯穿全天), 这种不对称增温将对植物的生存策略及碳源、汇产生重要影响(Liang et al., 2013; Peng et al., 2013; Li et al., 2018; McDowell et al., 2020; 夏建阳等, 2020; Hartmann et al., 2022), 从而对未来陆地生态系统的碳汇能力产生复杂影响.因此, 进一步探讨这种昼夜不对称增温对陆地生态系统植被动态的具体影响对于厘清全球变暖对陆地碳循环的影响具有重要意义(朱军涛和郑家禾, 2022). ...

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