二氧化碳浓度的升高改变了森林水循环的速度

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环球科学

翻译:刘莎莎

每年,在全世界范围内,树木的树叶产生了大量的,几乎是苏必利尔湖的体积的四倍的水分,这些水分来自土壤,被植物转化为水蒸气。

随着大气中二氧化碳的浓度不断升高,科学家们正在研究这个过程——蒸腾作用——是如何发生改变的。

一篇发表在《自然——气候变化》(Nature Climate Change)的文章中指出,植物的蒸腾作用过程确确实实已经对更高浓度的二氧化碳作出了反应。科学家通过建立生态系统模型,弄清了二氧化碳浓度的变化是如何影响不同类型的叶片,又是如何影响整个森林的。

对这个过程有一个全面深入的理解是非常重要的,因为水循环的变化影响了洪水的发生、土壤水分、河水流量、以及气温变化一系列与气候变化有关的现象。

气孔

在植物起着非常关键作用的全球水循环中,植物通过叶表面微小的开口——气孔,把从土壤中吸收的水分,通过蒸腾作用传送到空气中。

气孔同时也在植物生长和植物碳循环过程中起到了重要作用。当气孔打开的时候,植物允许大气中的二氧化碳通过扩散进入叶片。通过光合作用,二氧化碳被转化为糖分。科学家推测植物可能通过尽可能多地吸收二氧化碳以及尽可能少的水分散失来使植物的生长发育达到最佳状态。

换句话说,随着人类持续不断的化石燃料的燃烧,大气中二氧化碳浓度上升(从1850年的280ppm到现在的超过400ppm),气孔可能需要通过适当调整来维持最优的二氧化碳和水分关系,从而可能给全球水分平衡和气候系统带来难以预料的后果,例如:地表径流的增加和土壤表面温度的升高。

树的年轮

幸运的是,树木形成的年轮可以为研究者提供百年来植物是如何响应大气中二氧化碳浓度的变化的依据,还可以帮助预测未来可能的变化趋势。

在这篇文章中,科学家们分析了树木每年形成的年轮中碳元素的两种同位素(C12和C13)的比例。

根据植物生理学原理,植物中碳同位素的比例可以帮助研究者重新构建出叶片中含有的CO2的浓度,这个浓度某种程度上是由气孔的活动和开度决定的。科学家对于树木年轮的研究跨越了摩洛哥到挪威的大部分地区,都得出这样一个结论:植物对大气中二氧化碳浓度的上升有一个温和的主动响应机制。

最新的研究提供了越来越多的证据,这些证据表明,无论是炎热的、温暖的还是北方寒冷的生物群落,植物对二氧化碳浓度的上升做出了响应。这个研究提出了两个非常重要的新发现。

在研究中,科学家应用了一个新的数据模型来解释可能导致气孔关闭的气候因子,比如干燥的大气。研究表明,仅二氧化碳这一项因子导致阔叶树种每散失1单位水分所能吸收的二氧化碳增加了14%,在针状叶的树种中,吸收的二氧化碳增加了22%。这跟气候因子影响的研究与植物生理学理论十分一致,即植物会在尽量减少水分散失的情况下最大化植物的生长。

此外,为了研究在单一个体树木的水平上已经产生的变化是否会导致整个生态系统的蒸腾作用的强度降低,科学家们应用了全球动态植被模型(DGVM)来模拟森林的水分平衡。除了用来调查陆地表面过程,DGVM模型还用来将碳循环模型和气候模型耦合,从而预测气候变化,帮助制定地球系统的科学政策。

科学家们发现DGVM模型可以再现树木年轮形成过程中的水分利用效率趋势。然而,模型模拟结果是,植物水分利用效率的增加并不等于蒸腾作用强度的降低。相反,在相同的时间段里植物生长期的延长,以及叶片面积的增加都会提高的年蒸腾作用强度,抵消了植物响应二氧化碳浓度变化而节约出的水量。

由于水蒸气也是一种重要的温室气体,这项研究从植物生理的角度揭示了植物气孔对大气中的CO2的响应不会导致水蒸气浓度的下降(如果下降的话可部分抵消全球变暖)。这项研究的重大意义在于,揭示了微小的叶片上面的生理过程可能产生全球范围的影响。

文章来源:http://www.huanqiukexue.com/html/newqqkj/newdqgs/2015/0703/25529.html