温带混交林干旱胁迫下生理阈值响应序列研究

为探究气孔调节与水力特性互作机制，研究人员对中国东北 17 种温带木本植物开展研究。发现气孔关闭点（gsP88）与叶膨压丧失、茎导水率等水势正相关，验证脆弱性分割假说，为预测森林干旱响应提供新视角。

　　

森林作为地球之肺，在调节气候、维持生态平衡中扮演着至关重要的角色。然而，全球气候变暖导致干旱发生的频率和强度不断增加，温带森林面临着前所未有的威胁，树木死亡现象频发。目前，预测干旱对森林的影响仍受限于对水分胁迫下性状相互作用定义生理功能障碍机制的理解不足，尤其是植物气孔调节与水力特性之间的相互作用。深入探究二者的互作机制，对于揭示树木死亡的精确机制、确定物种特异性干旱易感性以及预测植物对未来气候变化的响应至关重要。

为解决上述问题，中国东北帽儿山森林生态系统研究站的研究人员开展了针对温带森林树木干旱响应机制的研究。研究以中国东北 17 种温带木本植物为对象，围绕气孔调节与水力特性的协同关系及干旱胁迫下关键生理功能障碍的水势阈值序列展开，旨在阐明温带树木应对干旱的策略，为预测森林干旱响应提供理论依据。研究发现，气孔关闭点（g_sP₈₈，即气孔导度丧失 88% 时的水势）与叶膨压丧失水势、茎导水率、茎水力传导率 50% 丧失（P₅₀）的水势呈正相关；所有研究物种的叶片水力传导率 50% 丧失发生在茎 50% 栓塞之前，与脆弱性分割假说一致；几乎所有树种在茎 50% 栓塞前完全关闭气孔，但在叶片水力传导率 50% 丧失之后。该研究为理解温带森林植物干旱适应策略提供了新见解，相关成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》。

研究主要采用的关键技术方法包括：对 17 种温带木本植物叶片和茎的关键气孔（如气孔导度）和水力性状（如茎水力传导率、叶水力传导率）进行测定，获取气孔关闭点（g_sP₈₈）、叶膨压丧失水势、茎水力传导率 50% 丧失（P₅₀）等关键水势阈值数据，并对数据进行统计分析以揭示各性状间的相关性及阈值序列。

结果

1. 气孔关闭点与多性状的相关性：17 种树木的气孔关闭点（g_sP₈₈）范围在 - 1.11 MPa（胡桃楸）至 - 2.57 MPa（山桃稠李）之间。g_sP₈₈与比叶面积（R²=0.55，P<0.001）和茎导管直径（R²=0.43，P=0.004）呈正相关，但与木材密度无显著关联（P>0.05）。而最大气孔导度（g_smax）随木材密度增加而降低（R²=0.26，P=0.034）。
2. 缺乏气孔安全 - 效率权衡：研究中 g_sP₈₈处于全球物种中负值较小的极端范围，这可能是由于这些树种生长在相对湿润的生境中，具有较低的 vapor pressure deficit（水汽压 deficit），经历的叶水势高于干旱地区树种。

结论与讨论

研究阐明了气孔调节与木质部水力特性的相互作用，为温带森林植物干旱适应策略提供了新见解。研究观察到气孔安全与效率的解耦，表明温带森林树种可能同时优化这两种能力。叶片比茎更脆弱，将栓塞隔离在更远端的叶片器官，同时保护碳成本更高的茎的水力完整性。几乎所有物种在茎严重栓塞前关闭气孔，这种生理阈值响应序列既有助于尽可能长时间地维持碳同化，又有助于避免高构建成本的木质茎水力功能的大量丧失。气孔调节与多种水力性状的相互作用可能会扩大影响整株植物的水分利用。该研究结果对于理解温带森林树木如何应对干旱、预测干旱对森林的影响以及制定森林保护和管理策略具有重要意义，为全球气候变化背景下温带森林的可持续管理提供了科学依据。