華南植物園樹木生長對全球變暖的響應研究獲多項進展

2020-12-15 中國生物技術網

自工業革命以來，全球變暖日益加劇，其中北半球生態系統受全球變暖的影響更為顯著。芽或葉片物候是決定樹木何時開始及結束生長及固碳的重要特徵，木質部是樹木長期固碳的重要組織。因此，樹木芽或葉片物候和木質部對氣候變暖的響應是生態學需全面深入理解和研究的重點問題，這對準確評估未來全球變化背景下北方森林生態系統的碳匯功能具有重要意義。針對此研究問題，生態中心博士後張邵康在合作導師任海研究員和黃建國研究員的指導下開展了一系列相關研究。主要研究成果：

成果一：Responses of bud-break phenology to daily-asymmetric warming: daytime warming intensifies the advancement of bud break

全球變暖日益嚴重，並且正以白天增溫速度比夜晚增溫速度快的不平衡增溫趨勢發生。然而，這種不平衡增溫將對樹木生長產生何種影響目前尚不清楚。本研究主要針對白天/夜晚不平衡增溫對樹木發芽物候的影響進行研究。本研究分別設置了白天和夜晚增溫兩個實驗，每個增溫實驗設置了3個增溫處理，共涉及4-8℃的增溫跨度。每天對來自加拿大41個採集地的黑雲杉[Picea mariana (Mill.)(BSP.)]和香脂冷杉[Abies balsamea (L.)Mill]幼苗的發芽物候進行連續監測。結果顯示，增溫可促進兩樹種發芽物候的提前，且白天增溫處理對發芽的提前作用比夜晚增溫的作用更顯著。作為在地理範圍內分布較廣泛的樹種，黑雲杉的發芽物候主要受採集地因素的影響。本研究在更精確的時間尺度上證實了在全球氣候變暖的背景下，白天增溫比夜晚增溫更能促進發芽物候的提前。

該研究結果發表在SCI期刊International Journal of Biometeorology（IF= 2.377）。該研究得到國家自然科學基金以及廣東省自然科學基金等的資助。全文連結：https://doi.org/10.1007/s00484-019-01776-0

圖1 由一般線性模型（GLM）預測的來自不同採集地的黑雲杉幼苗在不同的白天（D）和夜晚（N）增溫處理下的發芽物候

成果二：Wood anatomy of boreal species in a warming world: a review

全球變暖正在影響樹木生長和森林生產力，特別是對北半球森林生態系統的影響更為嚴重。木材的解剖特徵在很大程度上決定了木材品質，而木材品質對森林工業和全球碳存儲至關重要。形成層活躍度、木材密度、纖維長度和微纖絲角度是決定木材品質的重要解剖特徵。因此，在全球變暖的趨勢下，迫切需要對以上重要解剖特徵進行全面的認識和解析。作者通過文獻綜述，首先分析並總結出影響木材品質的幾個重要特徵，然後分析了全球變暖下這些特徵可能將如何改變，最後展望了未來全球變化下提高木材品質的可能研究方向。

作者通過文獻綜述總結得出：較高的成熟木材比例、高木材密度、較長的纖維或管胞長度、較低的微纖絲角度是常見的可決定高木材品質的重要解剖特徵。由此，適宜的高溫可觸發形成層細胞分裂的開始和結束，從而通過調節生長季來影響木材品質；氣候變暖也可通過影響早材和晚材的形成、改變木材密度、纖維長度和微纖絲角度進而來影響木材品質。此外，本研究還指出涉及木材質量的解剖特徵是多種多樣的，且取決於不同的用途。因此，提高我們對木材解剖特徵如何應對極端氣候事件變化的潛在機制的認識，仍然是森林生態學的一個重要課題。同時，在提高木材品質的研究中，在保證不損失木材材積的同時，選擇最能適應氣候變暖的物種和種源也是非常必要的考慮因素。因此，對木材解剖特性及其與氣候關係的研究應聚焦於多角度探討（如，考慮樹木的生理和遺傳學等因素）。

該研究結果發表在SCI期刊iForest-Biogeosciences and Forestry上（IF= 1.419）。該研究得到國家自然科學基金以及廣東省自然科學基金等的資助。全文連結：http://www.sisef.it/iforest/abstract/?id=ifor3230-013

成果三：Calibrating PhenoCam Data with Phenological Observations of a Black Spruce Stand

樹木芽和葉片的物候是重要的物候事件，是決定樹木生長季的重要特徵。近年來，隨著遙感技術的飛速發展，通過PhenoCam近地遙感技術獲取的冠層綠度指數已被越來越多地應用於葉片物候的研究中。然而，冠層綠度指數在多大程度上可代表芽的物候，以及生長季起始邊界與冠層綠度指數和芽的物候之間的關係如何，目前仍未可知。二零一八年期間芽的物候與冠層綠度（通過PhenoCam方法獲得的冠層綠度指數-GCC）之間的關係。利用Logit模型估計了可觀測到不同芽的物候期時GCC的最大概率值。結果表明，黑雲杉的年內GCC呈鐘形變化，具體表現為春季緩慢上升，夏季達到峰值，秋季逐漸下降的趨勢。據統計，發芽的開始和結束期以及芽的形成期分別發生在GCC最大值的72%(春季)和92%(秋季)時以及94%(秋季)。本研究表明，以上GCC值可能是表徵北方針葉林黑雲杉生長季開始及結束的較為可靠的臨界點。此外，本研究在野外實地物候觀測與自動化近地遙感研究之間建立起了一座橋梁，為後續利用野外觀測來校準PhenoCam的物候觀測結果提供了一種統計學上較為可靠的分析方案。

該研究結果發表在SCI期刊Canadian Journal of Remote Sensing上（IF=2.553）。該研究得到國家自然科學基金以及廣東省自然科學基金等的資助。全文連結：https://doi.org/10.1080/07038992.2020.1761251

圖2. 芽的各個物候期（包括發芽-BB和芽的形成-BS的各個時期）沿標準化GCC綠度指數的概率估計

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