冬天來得晚了,葉子卻落得更早了?|《科學》研究揭示落葉機制

近來，發表於《科學》雜誌的新研究顯示，隨著全球氣候變化，落葉林在秋季的落葉時間提前了。這說明了溫度升高並不代表著樹木吸收二氧化碳的周期變長，科學家們還需要其他的方式應對全球變暖。

來源 The Conversation

作者 Philip James

翻譯 謝一璇

編輯 李姍珊

隨著北半球的白天變短、氣溫降低，樹葉也紛紛有了變化。當葉子還掛在樹上時，我們能欣賞到絕美的屬於秋天的色彩；而等到落葉的時候，我們可以在散步時踩在紅色、棕色和金色的落葉地毯上。

當春天氣溫回升，樹木的生長季節便回來了。在溫暖的季節裡，樹葉從大氣中吸收二氧化碳，將其儲存在複雜分子中，並釋放出氧氣。這就是光合作用的大致過程。光合作用越多，樹木的固碳量也就越多。

我們知道二氧化碳是氣候變暖的主要驅動力，所以植物從大氣中吸收的二氧化碳越多越好。由於氣候變暖延長了植物的生長季節，一些研究人員認為樹木及其他植物吸收的二氧化碳將比以往更多。但是，一項新的研究完全顛覆了這一理論，並且有可能對我們應對氣候變化的方式產生深遠影響。

圖片來源：Hedi Alija onUnsplash

達到上限

來自蘇黎世聯邦理工學院的 Deborah Zani 帶領其研究團隊，探究了植物春夏季節的生長情況對秋季樹葉顏色變化時間的影響。

溫度和日照時長通常被認為是樹葉變色和凋落時間的主要決定因素，因此，部分科學家認為溫度升高會推遲樹葉在秋季的變化。通過研究歐洲落葉樹種，比如歐洲七葉樹（Aesculus hippocastanum)、垂枝樺（Betula pendula）及夏櫟（Quercus robur），研究團隊記錄了每棵樹每季的固碳量，探究這是如何影響落葉時間的。

研究團隊分析了來自「泛歐洲物候學項目（Pan European Phenology Project）」的數據，該項目對部分樹木進行了長達 65 年的追蹤研究。研究人員發現如果樹木的光合作用速率增加，樹葉便會在當年更早的時候變色和凋落。在春季和夏季的生長季節，光合作用每增加 10%，樹木的落葉時間平均提前 8 天。

他們還在 5 年樹齡的歐洲水青岡（Fagus Sylvatica）和粉花繡線菊（Spiraea japonica）上進行了氣候控制實驗，揭示了可能導致這種意外結果的原因。實驗設計了不同的光照條件，樹木被完全暴露在陽光下、一半在陽光下一半在陰影下以及全部在陰影下。結果表明，即便在生長季節中，樹的光合作用的量也是有限的。這就像向桶中裝水，可以裝得快也可以裝得慢，可是一旦桶滿了，就沒有空間放下更多的水。

這項研究表明，落葉樹每年只能吸收一定數量的碳，一旦達到這個上限，樹葉就會變色。這意味著此時樹木無法吸收更多的碳了。這個上限取決於可利用的營養物質，特別是氮；同時還取決於植物本身的物理結構，特別是植物內部輸送水和可溶營養物質的導管。氮是植物生長所需的關鍵營養物質，可利用的氮的含量往往限制了植物生長的最大限度。這就是為什麼農民和園丁使用氮肥來突破生長限制。

綜上所述，這些限制意味，樹木和草本植物在生長季節的固碳量是受其自我調節的。他們只能吸收有限的碳。

圖片來源：Omid Arminon Unsplash

更早出現的秋季色彩

這些新發現意味著，儘管當前地球大氣層中的二氧化碳呈增多趨勢，變暖的氣候和更長的生長季節並不能使溫帶落葉樹吸收更多的二氧化碳。該研究中的預測模型表明，到 2100 年，樹木的生長季節預計會比現在長 22 到 34 天，而落葉時間則會比現在早 3 到 6 天。

這對氣候變化預測有著重要意義。假如像英國這樣的溫帶氣候國家的落葉樹木每年吸收的二氧化碳不隨生長季節變化而改變，大氣中二氧化碳水平的上升速度將超過此前的預期。改變這種狀況的唯一方法是增強樹木的固碳能力。

要是環境中充滿了可利用的氮，植物可能在氣候變暖的環境中或許能夠生長得更久。一部分樹木能夠直接從空氣中吸收氮，比如榿木。然而，由於它們的生長環境中日照時間較少且氣溫較低，這些物種仍然會在大致相同的時間內落葉。

也許樹木落葉時間變早的唯一好處是，我們將有更長的時間欣賞秋天的色彩，也有更多的時間享受踩在落葉上的感覺。

論文信息

【論文標題】Increased growing-season productivity drives earlier autumn leaf senescence in temperate trees

【論文作者】Deborah Zani, Thomas W. Crowther, Lidong Mo, Susanne S. Renner, Constantin M. Zohner

【發表時間】2020.11.27

【發表期刊】Science

【論文連結】

【論文編號】10.1126/science.abd8911

【論文摘要】Changes in the growing-season lengths of temperate trees greatly affect biotic interactions and global carbon balance. Yet future growing-season trajectories remain highly uncertain because the environmental drivers of autumn leaf senescence are poorly understood. Using experiments and long-term observations, we show that increases in spring and summer productivity due to elevated carbon dioxide, temperature, or light levels drive earlier senescence. Accounting for this effect improved the accuracy of senescence predictions by 27 to 42% and reversed future predictions from a previously expected 2- to 3-week delay over the rest of the century to an advance of 3 to 6 days. These findings demonstrate the critical role of sink limitation in governing the end of seasonal activity and reveal important constraints on future growing-season lengths and carbon uptake of trees.

點個「在看」，分享給更多的小夥伴