北美东部温带树种水分利用效率的趋异变化：大气污染与功能性状的交互影响

本研究针对北美东部温带森林中12个树种的水分利用效率(iWUE)变化展开多尺度分析。研究人员通过树轮碳同位素技术，揭示了1950-2011年间iWUE平均增长22.3%但存在显著种间差异：针叶树种iWUE在2002年后下降，而阔叶树种持续上升。关键发现表明，氮硫沉降(N+S)和臭氧污染显著抑制iWUE提升幅度，最高污染区iWUE增幅比清洁区低46%。该研究为预测气候变化背景下森林碳-水耦合机制提供了关键数据支撑，发表于《Oecologia》。

　　

在全球气候变化背景下，森林如何平衡碳吸收与水分消耗已成为生态学研究的前沿课题。理论上，大气CO₂(C_a)浓度升高应促使树木提高内在水分利用效率(iWUE，即光合碳同化与气孔导度的比值)，但实际观测中这种响应存在巨大变异。北美东部温带森林作为全球重要碳汇，正同时经历着CO₂上升、气候变暖和大气污染缓解等复杂环境变化，但三种驱动力对iWUE的相对贡献始终不明。更棘手的是，不同功能型树种可能表现出截然不同的响应策略——针叶树凭借其低导度的水力结构可能更敏感于CO₂变化，而阔叶树则可能更易受水分胁迫影响。这种认知缺口严重制约着对森林碳-水耦合机制的准确预测。

为解决这一科学难题，美国弗吉尼亚大学环境科学系的Jacob D. Malcomb团队联合新罕布什尔大学、印第安纳大学等6所机构，在横跨美国东部的12个森林流域建立了38组树种-站点年轮序列。研究选取8种阔叶落叶树和4种针叶常绿树，涵盖等水型(如红云杉Picea rubens)与非等水型(如红橡树Quercus rubra)树种，通过α-纤维素δ¹³C分析重建了1950-2011年的iWUE动态。研究团队创新性地将树轮同位素数据与PRISM气候网格、国家大气沉降计划(NADP)的污染数据库进行空间耦合，首次量化了多重环境压力对iWUE的交互影响。

关键技术方法包括：(1)在12个流域各选取15-20株优势树种采集树芯，按树种功能型差异处理年轮(阔叶树全轮分析，针叶树和环孔材仅取晚材)；(2)通过Brengel法和传统化学法提取α-纤维素，在3个实验室完成δ¹³C测定并进行交叉校准；(3)采用isocalcR包基于叶肉导度模型计算iWUE，避免传统Farquhar公式的高估偏差；(4)整合站点气象数据、EPA臭氧监测和硫氮沉降数据，运用混合效应模型解析环境驱动因子。

iWUE值及时空趋势的树种功能型差异
研究发现所有树种iWUE在61年间增长22.3%，与同期C_a升高25.2%基本同步。但广义加性模型(GAM)揭示针叶树iWUE在2002年出现拐点：此前年均增速达0.06单位(R²=0.78)，之后转为-0.09单位/年的负增长。相反，阔叶树种保持0.037单位/年的线性增长。这种分异可能与针叶树对高CO₂的敏感性阈值有关——当C_a超过380 ppm后，缺乏气孔调节机制的裸子植物可能出现光合饱和。

iWUE趋势的环境驱动机制
通过泰尔-森斜率分析发现，红枫(Acer rubrum)在低污染站点iWUE年增0.45 μmol mol^-1，而在高硫氮沉降的西弗吉尼亚站点(FEF7)则下降0.28单位。混合模型显示：仅气候因子(降水和VPD)解释38%变异，而加入污染因子后解释力提升至51%。其中N+S总沉降量每增加1个标准差，iWUE增速降低0.08单位(p<0.05)，臭氧也有类似但较弱效应。值得注意的是，临界负荷超标值(N+S Exc.)同样呈现显著负相关，暗示土壤酸化导致的钙铝失衡可能通过损害光合器官间接影响iWUE。

讨论与意义
该研究首次在区域尺度证实大气污染会削弱树木对CO₂肥效的利用能力。针叶树种iWUE的"先升后降"模式挑战了全球变化研究中"持续正响应"的默认假设，可能解释近年来北美东部森林蒸散量异常增加的现象。实践层面，研究建议在气候模型中需区分树种功能型参数，并纳入历史污染负荷数据。理论层面，发现土壤酸化与叶面污染的协同作用为"氮饱和森林碳汇停滞"现象提供了新机制解释。未来研究应关注污染减排背景下iWUE的恢复潜力，以及这种恢复会如何调节森林水文循环。

发表于《Oecologia》的这项成果，通过多学科方法融合，为理解温带森林对全球变化的适应策略树立了新范式。其建立的38组树种-站点同位素序列，将成为验证下一代植被模型的关键基准数据。正如审稿人评价："这项工作在正确的时间提出了正确的问题——当世界开始摆脱酸雨阴霾时，它为我们提供了评估森林恢复进程的黄金标尺。"