对热带森林上层树冠叶片反照率和死亡率的实验性干预结果与地球系统模型的预测存在差异

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Experimental Manipulations of Albedo and Mortality of Upper Canopy Leaves in a Tropical Forest Diverge From Earth System Model Results

气候变化对热带森林能量平衡的影响及模型差异研究。通过暗化处理使叶片吸收额外138Wm?2能量，77%用于蒸发冷却，20%加热叶片（导致9±5%坏死），而亮化处理使能量吸收减少58Wm?2，主要影响蒸发（88%）。热死亡处理使周围叶片升温1.35°C，空气升温0.5°C。模型预测与实验结果存在显著差异，提示地球系统模型需改进光热参数模拟。

　　

摘要

热带森林叶片对气候变化的响应对全球碳循环和生物多样性具有重要意义。气候变化可能通过以下两种方式影响热带森林树冠的能量平衡特性：(a) 长期叶片性状的变化；(b) 叶片/光合作用机制的突然中断或损伤。我们评估了气候变化对热带森林树冠的两种最新预测影响——(a) 长期叶片变暗；(b) 高温极端条件下的叶片死亡——的辐射和蒸发效应。在巴拿马的一个季节性干旱的热带湿润森林中，我们将叶片处理得更暗，使其吸收额外的138 Wm^?2能量。其中20%的能量用于使叶片温度升高约4°C，3%用于加热空气，77%用于蒸发冷却。这种叶片升温导致某些物种的叶片面积有9 ± 5%出现坏死现象。相比之下，将叶片处理得更亮可使叶片吸收的能量平均减少58 Wm^?2，主要减少了蒸发作用（88%），仅对叶片温度产生了12%的降低（且感热通量没有变化）。这一不对称的结果表明，在旱季末期，叶片可能接近其水分传输能力的极限。在CLM 4.0模型中，无论叶片是变亮还是变暗，其反照率变化对结果的影响相似，总体而言感热通量占主导地位，尽管存在明显的地理差异。叶片因高温而死亡时，会使得附近的叶片温度平均升高约1.35°C，空气温度升高约0.5°C，但实际升高幅度低于预期，因为叶片反照率的增加起到了缓冲作用。总体而言，我们的实验结果提出了重要的潜在气候反馈机制，但仍需进一步研究。

通俗语言总结

气候变化可能对热带森林产生负面影响。有研究表明，气候变化可能导致热带森林叶片变暗。我们通过将树冠顶部的叶片处理得更亮或更暗来验证这一现象。结果发现，变暗的叶片温度变化幅度更大，这可能是由于旱季末期水分供应受限所致。某些物种的变暗叶片在温度达到48°C时开始死亡。我们还通过加热实验观察发现，变暗的叶片会使周围叶片温度升高约1.3°C，但这一现象因物种而异，因为有些物种在叶片死亡后反照率会显著增加，从而使叶片变得更亮。这些结果与广泛使用的地球系统模型的预测不同，该模型认为相同叶片亮度变化对树冠温度的影响要小得多。总体而言，我们的研究结果提示应进一步将相关气候反馈机制纳入地球系统模型中。

关键点

• 我们将热带森林树冠顶部的叶片处理得更暗，导致叶片温度升高并引发坏死现象，表明叶片的水分传输能力存在限制

• 反照率的变化主要影响潜热通量，而地球系统模型主要预测感热通量的变化

• 叶片因高温死亡时，会使得附近叶片温度平均升高约1.35°C，空气温度升高约0.5°C

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

本文中所有图表和表格所需的数据及其描述均已提供（Doughty等人，2024）。所有用于生成这些图表和表格的代码及其描述也均已提供（Doughty等人，2024）。