沙漠树木中水分利用与树冠温度的协同调节

《Agricultural and Forest Meteorology》：Co-regulation of water use and canopy temperature in desert trees

沙漠树木通过不同水分利用策略平衡水分供需与温度调节，揭示热湿条件下水分与温度调节脱钩现象。

　　植物在面对水资源供应受限和大气需求增加时，采用多种水利用策略以维持其生理功能。这些策略不仅影响植物的水分利用效率，还会改变冠层的能量平衡，从而引发冠层温度的变化，这种变化可能对光合作用产生影响，形成水与温度调控之间的权衡。然而，这种权衡的范围仍然是理解植物对水文气候压力反应的关键不确定性。本研究利用一个独特的近地表遥感数据集，评估了沙漠树木如何协同调控其水分状态和温度。通过利用水分梯度和季节性温度变化，我们评估了两种主要的水文压力条件（孤立的干热和湿冷，以及综合的干热）和参考条件（湿冷）下植物的反应，并发现物种在应对供水驱动和需求驱动的水分压力时表现出不同的水利用策略，但在热压力下则呈现出相似的响应。然而，当供水和需求都较高时，水分和冠层温度的调控可能会解耦。这些发现揭示了两种特别容易受到气候变化影响的植物行为。

在地球系统功能中，植物通过调节水、碳和能量在大气与地表之间的流动发挥着关键作用。生态系统功能依赖于植物根区的水分供应和大气中的水分需求。因此，生态系统如何应对气候变化将取决于个体植物如何调控其水分、碳和能量流动，以及植物间相互作用如何扩展为生态系统层面的响应。随着气候变化导致植物可用水分供应的可变性增加，温度上升以及大气水分亏缺增加，理解植物如何应对水分供应和需求的变化对于预测生态系统水分利用、碳吸收和死亡率至关重要。

植物在水分有限时会采用多种策略来调控其水分利用和碳吸收，从更浪费性的反应到更保守的反应。水分状态通过气孔导度进行调控，这与蒸腾作用成正比。采用更保守策略的物种会严格调控气孔导度以维持叶片和木质部的水分势。相反，更浪费性的物种则在水分供应减少的情况下，通过投资于耐旱的结构策略来维持气孔导度，从而在较干的条件下维持光合作用。同时，大气水汽压差（VPD）以及更具体地说，叶片与空气之间的水汽压差，可以诱导气孔关闭，以减少水分损失并避免木质部张力的损失。气孔导度——或在植物尺度上的冠层导度——通常随着VPD的增加呈对数函数下降。这种下降的程度，即冠层导度对VPD的敏感性，以及参考导度（当VPD较低时）都取决于诸多因素，包括水分可用性以及物种特异的水分策略。

植物对水分供应和需求的反应在不同物种之间存在差异，但对热压力的反应却相似。通常情况下，植物面临水分调控与避免热压力之间的权衡。然而，当供应和需求都较高时，水分和冠层温度的调控可能会解耦。这些发现揭示了两种特别容易受到气候变化影响的植物行为。这种现象不仅有助于理解植物对水文气候压力的反应，也对预测生态系统在未来的适应性提供了新的视角。

本研究在纳米布沙漠的Kuiseb河沿岸的三个河岸森林站点进行，Kuiseb河是一条560公里长的季节性河流，其上游和下游的水分供应存在显著差异。该地区的植物依赖地下水和深层土壤水分，因为河床和浅层土壤在一年中大部分时间都是干燥的。因此，洪水的频率和强度是植物可用水分供应的主要控制因素。通过利用遥感技术获取冠层温度、导度和蒸腾速率，我们评估了在不同水分供应和大气需求条件下，两种主要树种——*Acacia (Vachellia) erioloba* 和 *Faidherbia albida* ——的反应。尽管它们的叶片和冠层结构相似，但它们的生理特性和生长模式存在显著差异。*A. erioloba* 比 *F. albida* 更具抗旱性，后者更容易受到水分压力的影响。

通过利用遥感技术，我们获取了冠层温度、导度和蒸腾速率，并计算了植物尺度的蒸腾速率。这些数据揭示了植物如何在不同的水分供应和需求条件下调控水分和温度。我们发现，在供应和需求都较高的情况下，植物能够维持较高的蒸腾速率和冠层导度，从而实现水分和温度的解耦调控。这表明，在某些极端条件下，植物可能利用水分来避免热压力，而不是仅仅为了碳吸收。

在冷却季节，冠层温度随着空气温度的升高而加快升温，表明冠层温度调节的敏感性高于1。而在炎热季节，冠层升温速率则低于空气温度的升高速率，表明冠层温度调节的敏感性低于1。这种变化不仅反映了植物对水分供应和需求的反应，也揭示了植物在不同环境条件下如何调控其水分和温度状态。我们的研究结果表明，植物在面对水分和温度压力时，其调控行为具有显著的季节性和空间性差异，这种差异可能对生态系统的功能和稳定性产生深远影响。

我们的研究进一步揭示了植物如何在不同的水分和温度压力下进行调控。在某些条件下，植物可能会表现出更保守的反应，而在其他条件下则可能表现出更活跃的反应。例如，在水分供应有限的情况下，*F. albida* 会显著降低其气孔导度和蒸腾速率，而在水分供应充足且大气需求高的情况下，*A. erioloba* 则能够维持较高的蒸腾速率。这些差异表明，植物的调控行为受到水分供应和需求的双重影响，并且在不同物种和不同环境条件下表现出不同的适应策略。

此外，我们的研究还揭示了冠层温度调控的机制。在某些条件下，冠层温度随着空气温度的升高而加速上升，而在其他条件下则可能减速。这种变化可能与植物的水分供应和大气需求有关，也可能是由于植物的生理适应策略不同。通过将水分供应和大气需求的变化与冠层温度和蒸腾速率的变化进行关联，我们能够更全面地理解植物如何在不同的环境条件下调控其水分和温度状态。

研究结果还表明，植物在应对水分和温度压力时，其调控行为可能受到环境条件的显著影响。例如，在水分供应充足且大气需求高的情况下，植物能够维持较高的蒸腾速率和冠层导度，从而实现水分和温度的协同调控。而在水分供应有限且大气需求高的情况下，植物则可能表现出水分和温度调控的解耦现象。这种解耦现象可能与植物的生理适应策略有关，也可能是由于水分供应和大气需求的相互作用。

我们的研究不仅揭示了植物在应对水分和温度压力时的调控行为，还为理解气候变化对生态系统的影响提供了新的视角。通过整合水分供应和大气需求的变化，我们能够更准确地预测植物和生态系统的反应。此外，研究结果还强调了在模型中考虑植物对水分和温度压力的综合反应的重要性，特别是在未来全球气候变化背景下，极端环境条件的频率和强度可能增加的情况下。

最后，我们的研究结果表明，植物在应对水分和温度压力时，其调控行为可能具有显著的季节性和空间性差异。这些差异可能对生态系统的功能和稳定性产生重要影响。通过利用遥感技术获取冠层温度、导度和蒸腾速率，我们能够更全面地理解植物在不同环境条件下的反应，为未来研究和模型改进提供了新的数据支持。